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      薄壁不銹鋼管

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      至德鋼業薄壁不銹鋼管混凝土彎曲性能試驗研究分析

      來源:至德鋼業 日期:2021-04-08 10:40:33 人氣:924

       浙江至德鋼業有限公司為進一步研究和探討長徑比、套箍系數、偏心率等因素對圓形薄壁不銹鋼管混凝土彎曲性能的影響,選取一定規模和數量的構件,通過力學性能的試驗,并采用有限元軟件ABAQUS系統地分析了各個參數對構件破壞模式、剛度、極限承載力等靜力性能的影響規律。試驗結果表明:偏心率、長徑比、套箍系數等參數對構件作用程度不同。偏心率大的構件極限荷載會急劇下降,偏心率小的構件極限荷載略微平緩,而到了后期兩者趨向于接近;長徑比大的薄壁不銹鋼管混凝土構件,剛度、屈服荷載和極限承載力都明顯降低,而長徑比較小的薄壁不銹鋼管混凝土構件,剛度、屈服荷載和極限承載力都明顯增加;套箍系數大的構件極限承載能力強,而套箍系數小的構件極限承載能力弱。其中偏心率對構件的剛度和承載能力影響最顯著,套箍系數的影響是最小的。


        隨著現代施工技術的不斷發展,圓管混凝土在超高層建筑、鐵路、橋梁、電力等工程行業中逐漸作為新型結構形式被廣泛使用。新型不銹鋼管混凝土結構形式與傳統鋼結構相比優勢明顯:強度高、延性好、質量輕、耐火性能高等特點,薄壁不銹鋼管與混凝土的有機結合,克服了韌性差、塑性差的缺點,同時鋼管混凝土結構形式也省去了傳統混凝土澆筑需要支模的形式,大大縮短了施工周期,取得了良好的經濟效益。


        國內外大量的學者對這種新型結構形式進行了系統和科學的研究。以國外學者為例,采用三維穩定分析,研究了在薄壁不銹鋼管內嵌柔性材料的情況下的軸向壓力,并建立了簡化公式;通過具體的試驗,給出了施加載荷在50、80、120 MPa條件下薄壁不銹鋼管混凝土柱的極限承載能力,試驗結果發現施加載荷在80 MPa以內時,混凝土能夠收到鋼管的約束,在大于80 MPa情況下,薄壁鋼管對混凝土的約束效應并不明顯;則在前人基礎上進行了深入一步的研究,他們研究得出混凝土的收縮、徐變、脆性、抗拉強度等,對不銹鋼管混凝土柱性能的影響。我國學者對此也有了一定的研究,王秋萍對圓形、方形、八邊形薄壁不銹鋼管混凝土柱和薄壁輕骨料混凝土柱分別進行了軸壓試驗,并對每種類型鋼管混凝土柱的破壞形式進行了比較分析,得出構件的寬厚比、含鋼率、截面形式和混凝土強度等級等對鋼管混凝土壓彎性能有不同程度的影響。


        但從目前國內對于薄壁不銹鋼管混凝土的研究程度來看,對于圓薄壁不銹鋼管混凝土的研究不多,對其力學性能的認識不夠清晰。浙江至德鋼業有限公司利用ABAQUS程序,分別以長徑比、偏心率、套箍系數為相應參數進行偏心受壓作用下的有限元分析,試驗結果可以為圓形薄壁鋼管混凝土在今后工程各行業中的應用提供參考和借鑒。


      一、試驗概況


       1. 試件制作


        本次試驗選取了24根圓形鋼管,根據不同的外徑、壁厚和長度將其分成4組,每組6個試件。試件所選擇的圓形鋼管分別由厚度6、8 mm的鋼板彎卷后縱向焊接而成,下端焊接在端板中心,上側端板開一個直徑60 mm的圓孔。將鋼管放正,并在開口處灌入C30預拌混凝土,使用插入式振搗棒搗實混凝土,在確?;炷敛粫l生離析,再用鏟子將混凝土表面收光。待28 d后混凝土達到強度,用水泥砂漿補齊鋼管上端面,上側端板與圓形鋼管焊接,這樣保證了混凝土與圓形鋼管在試驗過程中更好地結合,發揮約束效應。試件相關參數符號見表所示,D為圓形鋼管的外徑;t為壁厚;L為長度;eo為偏心矩;f y為鋼管的屈服強度;f c為核心混凝土軸心抗壓強度;ε為試件的套箍系數;N u為極限軸力。


       2. 試驗方法


        圓形薄壁不銹鋼管的彎曲試驗在100 T的MTS電液壓伺服機的加載裝置上進行,采用靜力加載方式對不同厚度、不同外徑和不同長度的試件進行懸臂式加載。為了防止試件在加載過程中發生整體失穩變形,在構件中間位置設兩道側向支撐,用鋼底座與試件底部連接牢固。施加載荷及構件產生的位移使用應變片和加載裝置配套的傳感器測量。加載過程如下:在正式施加荷載前進行預加載,觀察應變片和加載裝置配套的傳感器讀數是否在合理區間范圍;正式加載采用荷載-位移混合控制的加載制度,在彈性范圍內每級荷載增量均為極限承載力的1/10;在鋼材發生屈服之前每級荷載增量均為極限承載力的1/15;鋼材達到屈服強度接近破壞時,緩慢施加荷載直至構件發生彎曲破壞。


      二、試驗現象及結果分析


        通過對試驗過程的觀察可以得出,圓形薄壁鋼管混凝土的破壞形式屬于力學中典型的荷載-側向撓度曲線圖,如圖所示。受力過程大致分為3個階段:彈性階段、彈塑性階段和荷載下降階段。


        1. 彈性階段(OA):在此階段荷載-擾度曲線變化基本成線性變化,OA段的荷載值隨著長徑比、套箍系數和偏心率的增大而減小。


        2. 彈塑性階段(AB):在這一階段的初期,圓形鋼管跨中出現呂德爾斯滑移線,鋼管進入彈塑性狀態,隨著荷載的不斷增大,鋼管彈性模量不斷降低,截面剛度出現下降,導致鋼管與混凝土約束力發生變化,荷載-側向撓度曲線漸漸偏離直線狀態。荷載值在彈塑性階段持續增加,鋼管彈性模量和截面剛度下降程度明顯加快,荷載-側向擾度曲線變得更加平緩,在達到屈服極限之前,從圓形薄壁鋼管混凝土試件的跨中處可以觀察到呈明顯的膨脹狀態,鋼管表面處鐵皮發生脫落,構件承載能力迅速下降。


        3. 荷載下降階段(BC):當圓形薄壁不銹鋼管混凝土試件達到屈服極限狀態后,鋼管跨中處已經進入塑流狀態,核心受拉區混凝土部位退出工作,受外部鋼管約束效應,試件整體仍發揮作用,受外部荷載作用表現良好的延性。隨著荷載和繼續增加,受到P-Δ效應影響,試件承受荷載能力退化,側向撓度急劇增加,在達到承載能力極限之后,下降程度有所平緩,側向擾度直到L/15。


      三、不同參數下薄壁不銹鋼管混凝土彎曲性能的有限元模擬分析


         主要討論了長徑比、套箍系數和偏心率等參數對圓形薄壁鋼管混凝土彎曲性能的影響規律。試件彎曲性能的試驗,參考和借鑒中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司的《鋼管混凝土結構在750 kV變電站中的應用研究》中圓鋼管混凝土人字柱截面尺寸,另外結合DL/T 5457—2012《變電站建筑結構設計規程》中9.1.3條以及中南電力設計研究院編制的《變電構架設計手冊》7.2.1.2條對鋼管混凝土構件徑厚比的規定等因素,試驗過程中選取長徑比小于20的鋼管混凝土構件。


       1. 長徑比的影響分析


         至德鋼業通過試驗相關數據可以得到不同長徑比的圓形鋼管混凝土荷載-側向撓度曲線圖,如圖所示。在彈性階段,不同長徑比的構件,荷載-側向撓度曲線比較接近;進入第二個階段即彈塑性階段,不同長徑比的荷載-側向撓度曲線會發生區別,長徑比較大的構件由于承載力的降低會迅速偏離直線,而隨著荷載的逐漸增大,不同長徑比的薄壁不銹鋼管后期的強度大致相同,承受的彎矩也很相似,所以荷載-側向撓度曲線又會趨向于接近。同時也反映了除危險截面以外的大部分區域仍處于彈性階段,承受荷載的能力不會急劇下降。


         除此之外,從荷載-側向撓度曲線圖還可以看出,長徑比大的鋼管混凝土構件,剛度、屈服荷載和極限承載力都明顯降低,而長徑比較小的鋼管混凝土構件,剛度、屈服荷載和極限承載力則明顯增加。在有限元分析模型中,圓形鋼管混凝土的長徑比、尺寸大小、混凝土強度等級,長徑比參數如表所示。另外,從表中可以看出,模型n0.1相比較n0.3,長徑比小的圓形薄壁不銹鋼管混凝土構件剛度比長徑比大的構件剛度提高了30.7%,長徑比小的圓形鋼管混凝土構件極限承載能力比長徑比大的構件剛度提高了22.9%。因此,得出隨著圓形薄壁不銹鋼管混凝土構件長徑比的增加,剛度、極限承載力都會有所下降。


       2. 套箍系數的影響分析


        至德鋼業通過相關統計數據,可以得出不同套箍系數的圓形薄壁不銹鋼管混凝土荷載-側向撓度曲線圖,如圖所示。從圖中曲線變化可以看出,套箍系數對鋼管構件前期影響基本相同,到了后期對構件強度影響較大,套箍系數大的構件極限承載能力強,而套箍系數小的構件極限承載能力弱??梢?,提高構件的套箍系數,有利于改善構件的延性,增強構件抵抗彎曲的強度,是一種提高構件承載力行之有效的方法。在有限元分析模型中,圓形薄壁不銹鋼管混凝土的套箍系數、尺寸大小、混凝土強度等級,套箍系數參數如表所示。


        另外,從表中可以看出,模型n0.1相比較n0.3,套箍系數小的圓形薄壁不銹鋼管混凝土構件剛度比長徑比大的構件剛度降低了1.3%,套箍系數小的圓形鋼管混凝土構件極限承載能力比長徑比大的構件剛度降低了2.5%。因此,得出隨著圓形薄壁不銹鋼管混凝土構件套箍系數的增加,剛度、極限承載力都會有所增加。


       3. 偏心率的影響分析


        至德鋼業通過相關統計數據,可以得出不同偏心率的圓形鋼管混凝土荷載-側向撓度曲線圖,偏心率是對圓形薄壁不銹鋼管混凝土構件影響最大的因素。偏心率大的構件極限荷載會急劇下降,偏心率小的構件極限荷載略微平緩,而到了后期兩者趨向于接近。因此,與長徑比和套箍系數相比,偏心率是最重要也是最關鍵的因素,對構件承載力的影響也是最顯著的。


        在有限元分析模型中,圓形鋼管混凝土的偏心率、尺寸大小、混凝土強度等級,偏心率參數如表所示。另外,從表中可以看出,模型n0.1相比較n0.3,偏心率小的圓形鋼管混凝土構件剛度比偏心率大的構件剛度提高了70%,偏心率小的圓形鋼管混凝土構件極限承載能力比偏心率大的構件剛度提高了35%。因此,得出隨著圓形薄壁鋼管混凝土構件偏心率的增加,剛度、極限承載力都會有所下降。


      四、結論


        浙江至德鋼業有限公司通過科學合理的試驗,結合不同偏心率、不同長徑比、不同套箍系數的圓形薄壁不銹鋼管混凝土荷載-側向撓度曲線圖,分析得出以下結論:


         1. 選擇的24根圓形薄壁不銹鋼管混凝土構件,產生的彎曲破壞大致經歷了彈性階段、彈塑性階段和荷載下降3個階段,不同階段構件承受荷載的狀態不同,均屬于非彈性失穩破壞,受力最集中的跨中位置為主要危險區域。


         2. 偏心率、長徑比、套箍系數等參數對構件作用程度不同。偏心率大的構件極限荷載會急劇下降,偏心率小的構件極限荷載略微平緩,而到了后期兩者趨向于接近;長徑比大的鋼管混凝土構件,剛度、屈服荷載和極限承載力都明顯降低,而長徑比較小的鋼管混凝土構件,剛度、屈服荷載和極限承載力都明顯增加;套箍系數大的構件極限承載能力強,而套箍系數小的構件極限承載能力弱。


         3. 偏心率、長徑比、套箍系數中偏心率是影響圓形薄壁不銹鋼管混凝土最重要的因素,影響極限承載力的效果最明顯,套箍系數的最小,但是提高構件的套箍系數,有利于改善構件的延性,增強構件抵抗彎曲的強度,是一種提高構件承載力行之有效的方法。


      本文標簽:薄壁不銹鋼管 

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