八边形中空夹层钢管混凝土力学性能研究综述

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  • 更新时间2015-09-07
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林志伟1,袁夏炜2

(1.绍兴文理学院土木工程学院土木工程111班浙江绍兴312000;

2.绍兴文理学院土木工程学院浙江绍兴312000)

【摘要】由于在实际工程中应用圆中空夹层钢管混凝土会在连接处消耗大量钢材,影响整个结构的经济效益,同时考虑到方中空夹层钢管混凝土在外截面的直角点存在着明显的应力集中现象,因此近10年内出现了一种新截面形式的钢——混凝土组合结构即八边形中空夹层钢管混凝土。随着技术的不断发展,近3年又出现了以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土,本文通过对比研究,重点综述了内管为PVC-U管、外管为钢管的八边形中空夹层钢管混凝土的力学性能。

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关键词 八边形;中空夹层;钢管混凝土;力学性能;综述

Summaryofthemechanicalpropertiesofsteeloctagonalhollowconcretemezzaninestudy

LinZhi-wei1,YuanXia-wei2

(1.ShaoxingUniversitySchoolofCivilEngineeringCivilEngineering111classShaoxingZhejiang312000;

2.ShaoxingUniversitySchoolofCivilEngineeringShaoxingZhejiang312000)

【Abstract】Laminatedsteelcircularhollowduetotheapplicationintheactualprojectatthejunctionofconcretewillconsumealotofsteel,theimpactoftheeconomicbenefitsofthewholestructure,takingintoaccountthesquarehollowsteeltubeconcretemezzaninesectionatrightanglestopointouttheobviousstressconcentrationand,therefore,nearly10steelappearedduringtheyear,anewsectionoftheform-concretecompositestructureislaminatedsteeloctagonalhollowconcrete.Withthecontinuousdevelopmentoftechnology,thepastthreeyearshasemergedinPVC-Uoctagonalhollowconcretesandwichsteelinnertube,thepapercomparativestudy,focusingonareviewoftheinnertubeforPVC-Upipe,steelpipeoutertubeoctagonalhollowmechanicalpropertiesoflaminatedsteelconcrete.

【Keywords】Octagon;Hollowsandwich;Steelconcrete;Mechanicalproperties;Summary

随着社会经济的快速发展和科学技术的不断进步,城市中出现了越来越多的新建筑,土木工程中的新结构也越来越多的应用于新建造的工业和民用建筑之中。其中钢材和混凝土的组合结构,由于具有优秀的力学性能及良好的经济效益,在工业厂房和高层建筑中的应用也日益增多。伴随着相关研究的逐渐深入,其性能也不断改善,从最初的实心钢管混凝土结构到圆中空和方中空夹层钢管混凝土结构再到八边形中空夹层钢管混凝土结构以及近几年出现的以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土结构[1]。

1.八边形中空夹层钢管混凝土的定义

八边形中空夹层钢管混凝土是由圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土发展而来的一种新截面形式的钢——混凝土组合结构。UPVC内管的中空夹层钢管混凝土柱是基于空心、离心钢管混凝土柱基础上开发的一种新型组合构件,是指以钢管作为外管,以UPVC管材作为内管,两管圆心重叠放置,在两管之间浇灌混凝土而制成的构件。截面形式如图1所示。它具有弹塑性好、刚度大、自重轻等优点,此外内置UPVC管可兼做给排水管、落水管,还可打破空心和离心钢管混凝土柱应用领域的局限性。

2.八边形中空夹层钢管混凝土的特点

八边形中空夹层钢管混凝土与圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土相比,有其自身优势。它比圆中空夹层钢管混凝土方便连接[2],又不会像方中空夹层钢管混凝土那样产生明显的应力集中现象[3]。以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土相对于以钢材为内管的八边形中空夹层钢管混凝土,具有更好的技术经济性能。PVC-U管是目前市场上最常见的PVC管材,它具有不易燃性、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性,相对于其它塑料制品而言,PVC-U还具有高强度的特性[4]。尽管PVC-U内管抗压能力不及钢内管,当混凝土的横向应变增大,与PVC-U管相互间的挤压力增大,混凝土进入三向受压应力状态时,PVC-U管无法像钢管一样提供足够的约束力,使混凝土的抗压承载力提高有限。但相关试验表明,其对极限承载力的影响较小,并且以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土经济效益好,自重轻。在其它方面,以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土在作为排水管加以利用时,既能克服PVC-U管单独作为排水管时的防火缺陷,又可增加其抗冲击性和降噪性。

3.相关研究

(1)杨俊杰,徐汉勇,彭国军[5]对八边形中空夹层钢管混凝土进行了深入的研究,通过对八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能的试验,并在总结圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土柱力学性能的基础上,对比试验现象与试验结果后发现八边形截面中空夹层钢管混凝土柱的承载能力高于方形截面柱的承载能力,但比圆形截面柱的承载能力稍低,且与八边形直边与斜边之比相关。并采用有限元方法对此类构件进行了更加深入的力学性能研究,通过分析影响构件承载能力的各主要参数,利用试验与数值模拟结果,提出了轴压条件下八边形中空夹层钢管混凝土短柱极限承载力的计算公式。

(2)杨俊杰,高子瑶,吴祖成[6]在关于八边形中空夹层钢管混凝土偏心受压柱方面也进行了试验研究,其以长细比和偏心率为变化参数,通过详细分析试验现象和试验结果,总结出了此类构件的一些力学性能,并对比了相同条件下的圆中空夹层钢管混凝土、方中空夹层钢管混凝土,发现其承载能力比方形截面柱高,但比圆形截面柱稍低。其承载能力影响因素主要有构件的轴压性能、抗弯性能以及偏心率。在分析试验结果和利用数值分析的基础上,提出了八边形中空夹层钢管混凝土压弯构件承载力验算公式。

(3)何怡群[7]对以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱进行了试验研究,其通过对6个以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱试件的轴压试验,通过对比研究得到了径厚比、空心率、长细比3个参数对其极限承载力的影响。在进行深入的分析后发现在轴压条件下此类柱的破环首先开始于核心混凝土,虽然核心混凝土强度有所提高,且表现为较明显的塑性特征,但核心混凝土先于钢外筒屈服和达到极限强度,内侧PVC-U管塑性变形强,没有出现明显的破坏,外侧钢管滞后于核心混凝土破坏;柱子长细比的变化对承载能力影响显著,外钢管的径厚比和柱子的空心率对承载能力有影响。

(4)马世龙[8]在研究八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能中,以PVC-U管八边形中空夹层钢管混凝土轴压构件的试验为依据,利用有限元原理,建立有限元计算模型并对构件的轴压性能进行研究,通过对比试验和模型,发现两者吻合较好,在分析构件材料在全过程受力过程中荷载-纵向应变关系及构件的位移曲线等后,利用有限元原理分析模型,分别研究了径厚比、空心率、核心混凝土强度、PVC-U内管厚度、长细比等参数变化时对八边形中空夹层钢管混凝土组合构件轴压承载能力的影响,并对比了内钢管与内PVC-U管对构件轴压承载能力的影响,最后提出八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱的简化实用计算公式。

(5)在八边形中空夹层钢管混凝土PVC-U内管研究方面,浙江工业大学[9]通过对3个PVC-U内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱轴压构件的试验研究,在分析了PVC-U内管的破坏形态和破坏发生的原因之后,根据轴压时PVC-U内管的荷载一变形曲线,对数据进行了计算分析,得到了PVC-U内管与核心混凝土间相互作用力随荷载变化的曲线。

4.力学性能影响因素

4.1径厚比的影响。

(1)浙江工业大学马世龙在研究径厚比的影响时,在保持试件其它尺寸不变的前提下,改变外钢管厚度,以80~33.3的径厚比试件为试验对象,通过试验研究,最后得到径厚比对构件轴压承载力的曲线,见下图2。

(2)从曲线中我们可以看出试件的极限承载力随着径厚比的增大而减小且减小幅度越来越缓慢,这也与教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献7中的试验结果相符。

4.2长细比的影响。

何怡群在研究PVC-U内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱极限承载力的过程中,在其它条件都相同的前提下,改变试验构件长度,通过试验3个系列的试件,最后得到了长细比对构件极限承载力的影响,从试验结果分析,在长细比在8至14的范围内构件极限承载力随长细比的增加而减少。但由于长细比范围较小,不能准确反映出长细比影响的总规律。马世龙在这方面进行了更加深入的试验研究,其通过研究长细比在8至28范围内的构件,将试验结果利用有限元方法配合修正的欧拉公式得出构件临界轴力随长细比的变化情况,其通过分析结果得出长细比λ=20是此类构件材料破坏和失稳破坏的界限值。

4.3内管的影响。

对于八边形中空夹层钢管混凝土,绝大部分作用由核心混凝土和外钢管承担,内管承受的作用相对较小,由文献5和文献7可知,在不改变其它条件下,当采用钢内管时,其承担了约6%的作用,而采用PVC-U作为内管时,其承担的作用约3%,两者占比均较小。在实际工程应用中,可忽略内管提供的承载力,而仅作为一种安全储备考虑。

5.结论

八边形中空夹层钢管混凝土相对于其它截面形式的钢管混凝土,有着均衡的技术经济性能,在满足结构可靠度的前提下,降低了实际工程造价。当内管用PVC-U管代替钢管时,其综合性能进一步提升,尽管极限承载力有所下降,但其降低了自重,增加了用途,经济成本进一步降低。八边形中空夹层钢管混凝土由于刚出现不久,相关研究也比较散乱,很多细节尚未研究明确,且有关教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献所作试验有限,其成果可靠性还需通过实践来检验。

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参考文献

[1]查晓雄.空心和实心钢管混凝土结构[M].北京:科技出版社,2011:7~12.

[2]陶忠,韩林海,黄宏.圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能的研究[J].土木工程学报,2004,37(10):41~51.

[3]陶忠,韩林海,黄宏.方中空夹层钢管混凝土偏心受压柱力学性能的研究[J].土木工程学报,2003,36(2):33~40.

[4]王俊颜,杨全兵.聚氯乙烯塑料管混凝土力学性能的试验研究[J].同济大学学报:自然科学版,2009,37(7):929~933.

[5]杨俊杰,徐汉勇,彭国军.八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能的研究[J].土木工程学报,2007,40(2):33~38.

[6]杨俊杰,高子瑶,吴祖成.八边形中空夹层钢管混凝土偏心受压柱的试验研究[J].工业建筑,2009,39(3):116~118.

[7]何怡群,杨俊杰.PVC-U内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱极限承载力的试验研究[J].浙江工业大学学报,2011,39(5):546~549.

[8]马世龙.八边形中空夹层钢管混凝土轴压与偏压短柱力学性能研究[D].杭州:浙江工业大学,2012.

[9]杨俊杰,戚晓锴.八边形中空夹层钢管混凝土柱PVC-U内管的性能研究[J].浙江工业大学学报,2013,41(6):672~676.

[文章编号]1006-7619(2014)09-18-635