鋼管AR玻璃纖維混凝土柱受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

周國(guó)紅

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

鋼管混凝土是將混凝土填充到鋼管內(nèi)而形成的一種新型結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了鋼材和混凝土兩者各自的優(yōu)勢(shì)，增大了其工程應(yīng)用范圍。近些年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑物、大型基礎(chǔ)施工及跨越度較大的結(jié)構(gòu)工程中得到了十分廣泛的應(yīng)用。在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，核心混凝土的物理、化學(xué)、力學(xué)特性對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。玻璃纖維混凝土的研究和應(yīng)用目前在土木建筑工程施工領(lǐng)域中也備受青睞，并得到了迅速的推廣。開展了鋼管AR玻璃纖維混凝土柱受壓力學(xué)性能試驗(yàn)，采用一種新的混凝土原料配比方法，即按鋼管試件所能容納的混凝土體積量的百分比進(jìn)行AR玻璃纖維的配比計(jì)算，并利用外摻法將玻璃纖維摻入混凝土中；同時(shí)，對(duì)某些物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行控制，對(duì)鋼管混凝土試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)等一系列處理，以期達(dá)到更好的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能效果。

1 鋼管玻璃纖維混凝土柱受壓試驗(yàn)

1.1 試件制作

此試驗(yàn)共制作了18根圓形鋼管玻璃纖維混凝土短柱和12根圓形鋼管混凝土短柱試件(其具體制作工藝流程見圖1)。圓形鋼管試件截面尺寸大小均為：直徑D=120mm、高度H=400mm、厚度t=4mm。鋼管采用熱軋無縫焊接管，3號(hào)鋼，按試件尺寸規(guī)格制作出空鋼管，鋼管兩端截面要保證平整，鋼管上下兩端均設(shè)有邊長(zhǎng)為136mm且厚度為8mm的方形鋼板蓋板。

圖1 纖維混凝土制作工藝流程

根據(jù)纖維混凝土的配合比規(guī)范地將纖維混凝土澆注到預(yù)先準(zhǔn)備好的圓形鋼管試件中，在澆注之前先將試件一端用方形蓋板焊接，另一端待纖維混凝土澆注之后再焊接，焊接采取對(duì)接焊接并要達(dá)到與母材等強(qiáng)度的要求；要對(duì)纖維混凝土進(jìn)行反復(fù)多次攪拌，使原料充分均勻地混合在一起，且每次攪拌量不宜過大；在澆注纖維混凝土的過程中，每次澆注量應(yīng)適當(dāng)，并且用振搗棒進(jìn)行振搗，使纖維混凝土與管壁或蓋板緊密接觸。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(養(yǎng)護(hù)溫度為20℃±2℃、相對(duì)濕度在95%以上、養(yǎng)護(hù)齡期為28d)之后，最終選取其中養(yǎng)護(hù)效果較佳的12根圓形鋼管玻璃纖維混凝土短柱和4根圓形鋼管混凝土短柱試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

此試驗(yàn)采用的纖維混凝土制作原材料有：早強(qiáng)普通硅酸鹽水泥(即PO.42.5R)，自來水，粒徑為5～20mm的碎石，細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂，外加劑為早強(qiáng)減水(GB 8076—1997)，混凝土膨脹劑，AR玻璃纖維。

對(duì)16根短柱試件進(jìn)行編號(hào)：鋼管混凝土短柱試件編號(hào)為#0、#1、#2、#3，而其余12根鋼管玻璃纖維短柱試件分別編號(hào)為#4～#15。計(jì)算鋼管試件所能容納的混凝土體積量得V=0.0045216m3，編號(hào)為#4～#15的試件按前述體積量分別以百分比為0.5%、1.0%、1.2%、1.5%、1.8%、2.0%、2.5%、2.8%、3.0%、3.5%、4.0%、5.0%摻入玻璃纖維，且事先由土工試驗(yàn)測(cè)得玻璃纖維堆積密度為0.385×103kg·m-3，由此可計(jì)算出編號(hào)為#4～#15的試件AR玻璃纖維摻入量(精確到0.01)見表1。編號(hào)為#0～#3的試件未摻入AR玻璃纖維。其中混凝土膨脹劑和粉煤灰分別按水泥質(zhì)量的8.0%和7.5%進(jìn)行配比。混凝土其他原料配合比詳見表2。

表1 AR玻璃纖維摻入量

表2 混凝土其他原料配合比

1.3 試件軸心受壓試驗(yàn)

將編號(hào)為#0～#15的16根試件依次平穩(wěn)地?cái)R置在試驗(yàn)壓力機(jī)的上下承壓板之間，正確連接應(yīng)變計(jì)、位移計(jì)和數(shù)據(jù)采集儀等設(shè)備進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加壓荷載約為預(yù)估計(jì)極限荷載Pu的20%，待試件幾何對(duì)中之后，卸載一小段時(shí)間。當(dāng)試件處于靜止平穩(wěn)狀態(tài)后，設(shè)置加壓荷載大小，逐級(jí)加壓，在預(yù)估計(jì)極限荷載Pu的65%之前，每一級(jí)加載大小為0.15Pu；當(dāng)達(dá)到預(yù)估計(jì)極限荷Pu的65%時(shí)，每一級(jí)加壓大小為0.1Pu；且每一級(jí)荷載加壓時(shí)間持續(xù)在2.5min左右；待臨近極限荷載時(shí)，減緩加壓，但要保持加壓的連續(xù)性；當(dāng)試件發(fā)生顯著的變形、焊縫呈現(xiàn)破壞趨勢(shì)、鋼管出現(xiàn)凸起彎曲時(shí)停止加壓。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 AR玻璃纖維摻入量最優(yōu)體積率判定

此試驗(yàn)中混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為40MPa，試件經(jīng)過28d齡期養(yǎng)護(hù)之后，進(jìn)行受壓試驗(yàn)得到AR玻璃纖維含量不同的16根試件的軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值見表3。

表3 AR玻璃纖維摻量不同的試件軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以直觀地看出未摻入AR玻璃纖維的試件進(jìn)行受壓試驗(yàn)后，試件軸心受壓實(shí)測(cè)強(qiáng)度值波動(dòng)并不大，平均強(qiáng)度值為71.025MPa，強(qiáng)度較試件預(yù)估計(jì)極限荷載值均有所增長(zhǎng)，強(qiáng)度變化率均值為+18.375%，符合一般規(guī)律。

對(duì)于摻有AR玻璃纖維的試件而言，當(dāng)AR玻璃纖維體積率約大于3.0%后，試件實(shí)測(cè)強(qiáng)度值與設(shè)計(jì)強(qiáng)度值相比出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)，表明此纖維摻量抑制了試件承壓性能；而當(dāng)AR玻璃纖維體積率在1.8%～2.8%范圍內(nèi)時(shí)，試件承壓實(shí)測(cè)強(qiáng)度呈現(xiàn)突變狀態(tài)，強(qiáng)度變化率均值為+10.5%，表明此纖維摻入體積率對(duì)試件承壓性能有促進(jìn)和提高作用，是配制圓形鋼管AR玻璃纖維混凝土柱的最優(yōu)體積率。

2.2 普通鋼管混凝土柱與鋼管玻璃纖維混凝土柱的受力性能對(duì)比分析

選取具有代表性的試件編號(hào)為#0的普通鋼管混凝土柱和試件編號(hào)為#7、#10、#11和#15的鋼管AR玻璃纖維混凝土柱進(jìn)行受力機(jī)理分析。各個(gè)受壓試件的荷載—位移關(guān)系曲線見圖3；各個(gè)受壓試件鋼管外壁荷載—豎向、切向及徑向應(yīng)變關(guān)系曲線分別見圖4、圖5和圖6。

圖3 試件荷載—位移關(guān)系曲線

由圖3試件荷載和位移關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)加壓至極限荷載時(shí)，編號(hào)為#0的普通鋼管混凝土柱的位移遠(yuǎn)大于編號(hào)為#7、#10、#11的鋼管AR玻璃纖維混凝土柱，雖然#0試件的承載能力高于#7、#10、#11試件，但是#0試件并不是最優(yōu)選擇。在編號(hào)為#7、#10、#11試件中，三者達(dá)到極限承載力時(shí)的位移十分接近，但相比之下，#10、#11試件的承載能力要高于#7試件，其對(duì)應(yīng)的AR玻璃纖維摻量體積率約為1.8%～2.8%，適宜于實(shí)際工程。而就#15試件而言，其極限荷載低，而且達(dá)到極限荷載時(shí)，位移已經(jīng)非常大，這是由纖維摻量過大而削弱了核心混凝土本身的性能造成的，工程中不宜采用。另外，相對(duì)于普通鋼管混凝土柱而言，AR玻璃纖維摻量體積率約為1.8%～2.8%的鋼管AR玻璃纖維混凝土柱的極限荷載仍可提高約7.8%～8.2%，在實(shí)際施工中可作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全儲(chǔ)備或適當(dāng)考慮提高承載力。

圖4 試件鋼管外壁荷載—豎向應(yīng)變值關(guān)系曲線

圖5 試件鋼管外壁荷載—切向應(yīng)變值關(guān)系曲線

圖6 試件鋼管外壁荷載—徑向應(yīng)變值關(guān)系曲線

根據(jù)圖4、圖5和圖6各關(guān)系曲線分析可知：加壓荷載在200kN范圍以內(nèi)時(shí)，無論是普通鋼管混凝土柱還是鋼管AR玻璃纖維混凝土柱的鋼管外壁豎向應(yīng)變值、切向應(yīng)變值和徑向應(yīng)變值均與加壓荷載基本上保持為直線關(guān)系，尤其是徑向應(yīng)變值更為顯著，各個(gè)試件在加壓荷載約為100kN時(shí)開始正常工作；當(dāng)加壓荷載約大于200kN之后，豎向、切向和徑向應(yīng)變值與荷載的關(guān)系不再是簡(jiǎn)單的趨近于直線關(guān)系了，斜率波動(dòng)并不平穩(wěn)，甚至有時(shí)變化還比較突出，隨著加壓荷載的逐漸增大，幾乎由鋼管預(yù)先單獨(dú)承受荷載直至鋼管被壓縮到與混凝土平齊，鋼管內(nèi)混凝土與管壁內(nèi)側(cè)接觸變得更為緊密，混凝土和鋼管組合成的試件性能得到充分的體現(xiàn)；編號(hào)為#0的普通混凝土柱承載能力變化規(guī)律符合一般規(guī)律，編號(hào)為#10和#11試件(AR玻璃纖維摻量體積率約為1.8%～2.8%)各個(gè)方向的應(yīng)變值變化規(guī)律近似，且試件破壞現(xiàn)象甚微，穩(wěn)定性和剛度性能良好，而編號(hào)為#15試件各個(gè)方向的應(yīng)變值變化區(qū)別較大，達(dá)到承載極限時(shí)應(yīng)變值顯著，鋼管焊接處焊縫產(chǎn)生撕裂，鋼管壁多處發(fā)生明顯的鼓曲現(xiàn)象。

2.3 試件極限荷載分析

將試驗(yàn)實(shí)測(cè)的試件受壓強(qiáng)度結(jié)果數(shù)據(jù)擬合成試件的極限荷載—AR玻璃纖維摻量體積率關(guān)系曲線見圖7。

圖7 試件極限荷載—AR玻璃纖維摻量體積率關(guān)系曲線

分析圖7關(guān)系曲線可知：曲線中出現(xiàn)3個(gè)相對(duì)平緩的階段，此時(shí)的AR玻璃纖維摻量體積率分別約為0～0.5%、1.0%～1.5%和1.8%～2.8%， 當(dāng)體積率約大于3.2%時(shí)曲線斜率變化突出，極限荷載出現(xiàn)下降趨勢(shì)，并隨著體積率的增加極限荷載下降更為明顯，不過，下降速率較為平穩(wěn)；體積率約在1.8%～2.8%時(shí)，破壞荷載比較接近，且?guī)缀蹙笥谄渌麚饺階R玻璃纖維試件的極限荷載。這表明，摻入適量的AR玻璃纖維有利于提高試件的極限破壞荷載，但AR玻璃纖維摻量過大則會(huì)影響核心混凝土本身的強(qiáng)度和彈性模量，致使整根鋼管混凝土的破壞極限荷載降低。

3 結(jié)論

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用為鋼管纖維混凝土結(jié)構(gòu)的誕生奠定了基礎(chǔ)，并在前者的研究和應(yīng)用背景下，對(duì)于鋼管纖維混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步探索提供了理論知識(shí)分析和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。基于在之前已有的研究基礎(chǔ)條件下，開展了普通鋼管混凝土柱和鋼管AR玻璃纖維混凝土柱軸心受壓試驗(yàn)，著重研究了在配制鋼管混凝土?xí)rAR玻璃纖維的摻入量對(duì)整個(gè)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響作用，同時(shí)也對(duì)各AR玻璃纖維配比條件下試件的受力機(jī)理和極限承載能力進(jìn)行了分析，最終確定了AR玻璃纖維摻入量最優(yōu)體積率范圍。研究表明：適量的AR玻璃纖維摻入量對(duì)核心混凝土的力學(xué)性能有積極的影響作用，摻入量過少時(shí)與核心混凝土性能幾乎相近，但摻入量過大時(shí)反而會(huì)降低鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承壓性能；對(duì)于AR玻璃纖維摻入量適中的情況，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的極限荷載仍可提高約7.8%～8.2%，在實(shí)際工程中應(yīng)給予重視；通過試驗(yàn)研究分析最終確定的AR玻璃纖維摻入量最優(yōu)體積率約在1.8%～2.8%以內(nèi)，但較為保守，仍需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究以使其更加精確，完善和豐富現(xiàn)有理論。