陳國燦, 賴慶先, 田躍平, 楊智碩

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預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合柱的軸壓特性研究

陳國燦, 賴慶先, 田躍平, 楊智碩

(莆田學(xué)院 土木建筑工程學(xué)系, 福建 莆田, 351100)

分析了預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合柱與鋼筋混凝土構(gòu)件、鋼管混凝土構(gòu)件及非預(yù)制鋼管混凝土疊合柱相比較的優(yōu)點(diǎn).基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察的基礎(chǔ)上提出計(jì)算假設(shè), 并以預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合短柱的極限承載力的研究成果為基礎(chǔ), 給出了預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合中長柱的承載力計(jì)算公式, 彌補(bǔ)了《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS188:2005)中未考慮長細(xì)比對核心鋼管混凝土承載力影響的不足.

預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合柱; 鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土柱; 超高強(qiáng)石渣混凝土; 極限承載力

超高強(qiáng)混凝土具有單位質(zhì)量水泥貢獻(xiàn)的質(zhì)強(qiáng)比大、能源資源消耗少等突出的優(yōu)點(diǎn)[1-5], 推廣應(yīng)用超高強(qiáng)度混凝土, 不僅可以大量減少材料用量, 節(jié)約日益短缺的自然資源, 而且可以延長土木工程結(jié)構(gòu)的使用壽命, 減少生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工過程中的能源損耗, 降低建筑成本. 因此, 無論在國內(nèi)還是在國外, 都認(rèn)為超高強(qiáng)混凝土是綠色的、先進(jìn)的土木工程材料, 目前超高強(qiáng)混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用實(shí)例較多[6].

雖然超高強(qiáng)混凝土超高泵送的紀(jì)錄不斷被刷新, 如繼2008年12月中國建筑第四工程局有限公司攜手中聯(lián)重科股份有限公司共同打造了將C100超高強(qiáng)混凝土成功泵送至411 m的廣州西塔頂部的業(yè)界神話后, 2011年初, 深圳京基100大廈項(xiàng)目的總承包單位中國建筑第四工程局有限公司又?jǐn)y手中聯(lián)重科股份有限公司等單位聯(lián)合攻關(guān), 再次創(chuàng)造了C120超高性能混凝土泵送至417 m泵送的世界奇跡. 但在超高性能混凝土施工方面仍存在著突出的問題:

1) 超高強(qiáng)混凝土采用低水膠比配制方案, 強(qiáng)度、耐久性能對用水量的敏感性高, 施工質(zhì)量控制難度較大[7].

2) 超高強(qiáng)混凝土粘性大, 施工性能不良, 超高泵送耗能巨大[8].

3) 超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度高, 承受同樣荷載時構(gòu)件的截面尺寸比采用高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的小, 施工質(zhì)量控制要求更為嚴(yán)格. 在目前的施工條件下, 應(yīng)用于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中仍有很多困難.

基于“組合”的思路, 本課題組提出以預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土為芯柱的鋼筋混凝土疊合柱這種新型結(jié)構(gòu)型式[8]. 本文主要介紹預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合柱的特點(diǎn), 并在文獻(xiàn)[9]研究其短柱極限承載力的基礎(chǔ)上, 針對《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 188∶2005)[10]未考慮長細(xì)比對核心鋼管混凝土承載力影響的問題, 提出考慮長細(xì)比對核心鋼管混凝土承載力影響的預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合中長柱的極限承載力計(jì)算公式, 以供工程設(shè)計(jì)參考.

1 預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合柱的特點(diǎn)

預(yù)制鋼筋混凝土疊合柱分兩次施工, 鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土芯柱采用工廠預(yù)制, 養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后, 運(yùn)到現(xiàn)場安裝, 再進(jìn)行鋼管外鋼筋綁扎, 模板安裝, 鋼管外混凝土澆筑等工序的施工.

圖1 疊合柱

圖2 鋼筋混凝土柱

圖3 疊合短柱與鋼筋混凝土短柱的荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線比較.

1.1 與鋼筋混凝土構(gòu)件比較的優(yōu)點(diǎn)

預(yù)制疊合短柱(圖1)與鋼筋混凝土短柱(圖2)的荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線見圖3. 圖3中: 鋼管超高石渣混凝土核心柱/= 3.1, 核心混凝土強(qiáng)度cu= 126.7 MPa, 外圍混凝土強(qiáng)度cu= 20.2 MPa; 普通混凝土柱/= 3.1, 混凝土強(qiáng)度cu= 20.2 MPa. 從圖3可以看出, 與鋼筋混凝土構(gòu)件相比, 核心超高強(qiáng)混凝土由于受鋼管約束, 構(gòu)件的極限承載力、抗變形能力顯著提高. 在本課題組進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi), 極限承載力為鋼筋混凝土構(gòu)件的2.34～2.92倍[8], 極限應(yīng)變達(dá)到鋼筋混凝土構(gòu)件的1.86～8.29 倍[8]. 其次, 可以克服超高強(qiáng)混凝土的高脆性(圖4)和高溫下爆裂的缺陷(圖5).

1.2 與鋼管混凝土構(gòu)件比較的優(yōu)點(diǎn)

鋼管外設(shè)置耐久性能、耐火性能良好的普通混凝土可充當(dāng)鋼管的防護(hù)層, 保護(hù)鋼管免受空氣中有害介質(zhì)的侵蝕. 因此, 與鋼管超高強(qiáng)混凝土柱相比較, 其耐久性能和防火極限可大為提高; 且定期維護(hù)的周期較長, 可節(jié)省對鋼管表面定期采取除銹、防銹、防腐措施的費(fèi)用.

在疊合柱中, 框架梁、墻的受力縱筋可以直接錨固在芯柱外的混凝土中,或從疊合柱的縱筋與芯柱之間穿過. 因此, 與鋼管超高強(qiáng)混凝土柱相比, 采用疊合柱的結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相對簡單、施工工藝簡便.

圖4 超高強(qiáng)石渣混凝土受壓后破壞形態(tài)

圖5 超高強(qiáng)石渣混凝土高溫下的破壞形態(tài)

另外, 鋼管超高強(qiáng)混凝土柱外包鋼筋混凝土后可以降低構(gòu)件的長細(xì)比, 防止鋼管混凝土失穩(wěn)屈曲, 提高構(gòu)件的穩(wěn)定承載力.

1.3 較非預(yù)制鋼管混凝土疊合柱的優(yōu)點(diǎn)

在設(shè)施齊全、制度健全的工廠內(nèi)預(yù)制鋼管超高強(qiáng)混凝土芯柱, 施工過程受到有效的監(jiān)控, 構(gòu)件的質(zhì)量可以得到充分的保障.

此外, 采用預(yù)制的鋼管混凝土疊合柱, 可以較少的能源消耗輕而易舉地解決超高強(qiáng)混凝土的超高泵送難題, 可有效地解決建筑業(yè)的快速發(fā)展與實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的矛盾.

2 預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合中長柱的極限承載力

關(guān)于鋼管超高強(qiáng)混凝土疊合中長柱的承載力, 現(xiàn)行《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 188:2005)[10](以下簡稱《規(guī)程》)給出的計(jì)算公式是(見《規(guī)程》第6.2.7條):

u=u1+u2,(1)

式中u為構(gòu)件的受壓承載力;u1為短柱構(gòu)件中鋼管外鋼筋混凝土的受壓承載力;u2為短柱構(gòu)件中核心鋼管混凝土的受壓承載力;為疊合柱的穩(wěn)定系數(shù), 按《規(guī)程》中表6.2.7采用.

從式(1)可以看出, 關(guān)于鋼管超高強(qiáng)混凝土疊合中長柱承載力的計(jì)算, 現(xiàn)行《規(guī)程》僅考慮長細(xì)比對鋼筋混凝土受壓承載力的影響, 而忽略長細(xì)比對核心鋼管混凝土承載力的影響.

事實(shí)上, 由于鋼管混凝土疊合柱在受壓過程中箍筋范圍內(nèi)的鋼筋混凝土和核心鋼管混凝土共同工作(圖6), 其他學(xué)者的研究[11]也證實(shí)了這一觀點(diǎn). 因此, 本課題組認(rèn)為在計(jì)算疊合中長柱的承載力時, 應(yīng)該把鋼管混凝土疊合柱作為一個整體來考慮, 即不但要考慮長細(xì)比對鋼筋混凝土受壓承載力的影響, 而且也必須考慮長細(xì)比對核心鋼管混凝土承載力的影響.

本文以預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合短柱的極限承載力的研究成果[9]為基礎(chǔ),對《規(guī)程》提出的計(jì)算公式[10]進(jìn)行修正, 提出考慮長細(xì)比對核心鋼管混凝土承載力影響的預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合中長柱的承載力計(jì)算公式.

圖6 鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合柱的破壞形態(tài)

計(jì)算假設(shè)與疊合短柱極限承載力計(jì)算所采用的相同, 即采用如下計(jì)算假設(shè):

1) 箍筋對外圍混凝土的約束效應(yīng)忽略不計(jì);

2) 混凝土保護(hù)層對承載力的貢獻(xiàn)忽略不計(jì), 其依據(jù)詳見文獻(xiàn)[9];

3) 考慮疊合柱屬于鋼筋混凝土的范疇, 將其作為一個整體考慮長細(xì)比對其承載力的影響.

根據(jù)以上3點(diǎn), 得出預(yù)制鋼管超高強(qiáng)混凝土疊合中長柱的承載力計(jì)算公式:

u=(u2+u3),(2)

式中:u3為短柱構(gòu)件中鋼管與箍筋范圍內(nèi)之間鋼筋混凝土的受壓承載力.

u3= 0.9(c′ce′ +y′s′), (3)

①對于鋼管高強(qiáng)混凝土或鋼管超高強(qiáng)混凝土疊合柱, 其核心鋼管超高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力u2按公式(4)-(5)計(jì)算[12].

u2=cc(1 + 1.8), (4)

c= 0.73cu. (5)

②對于預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合柱, 其核心鋼管超高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力u2按公式(6)、(7)計(jì)算[1].

u2=cc(1 + 1.84), (6)

c= 0.70cu, (7)

式中=ys/(cc)是鋼管混凝土的套箍指標(biāo);ce′為核心鋼管與箍筋范圍內(nèi)之間的混凝土面積;c′為核心鋼管混凝土外混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度;y′為鋼筋的屈服強(qiáng)度;s′為核心鋼管混凝土外鋼筋的面積;c為核心鋼管混凝土中混凝土的面積;c為核心鋼管混凝土中混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度;y為核心鋼管混凝土中鋼管的屈服強(qiáng)度;s為核心鋼管混凝土中鋼管的面積.

3 結(jié)束語

預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合柱充分利用鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土柱承載力高、預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量易于控制的優(yōu)點(diǎn), 同時汲取普通混凝土便于現(xiàn)場澆筑的長處, 推廣應(yīng)用預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合柱可突破制約超高強(qiáng)混凝土在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的瓶頸.

基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察的基礎(chǔ)上提出計(jì)算假設(shè), 并以預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合短柱的極限承載力的研究成果為基礎(chǔ), 提出預(yù)制鋼管超高強(qiáng)石渣混凝土疊合中長柱的承載力計(jì)算公式, 彌補(bǔ)了《規(guī)程》(CECS188:2005)未考慮長細(xì)比對核心鋼管混凝土承載力影響的缺陷.

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Experimental studies on the mechanical properties of composition columns reinforced with the prefabricated SHSCUS filled with steel tubes subjected to axial load

CHEN Guo-can, LAI Qing-xian, TIAN Yue-ping, YANGZhi-shuo

(Civil Engineering Department of Putian University, Putian 351100, China)

This paper presented the advantages of composition columns reinforced with the prefabricated SHSCUS filled with steel tubes superior to members made with reinforced concrete, or concrete-filled steel tubular, or those reinforced with the concrete filled with steel tubes by conventional methods, then the hypothesis was put forward based on experimental phenomena observed, and based on the experimental studies on the ultimate bearing capacity of composition columns reinforced with the prefabricated SHSCUS filled with steel tubes subjected to axial load, the formula of its ultimate load capacity was suggested for the columns with medium slenderness ratio, on which the effect of slenderness ratio on the ultimate load capacity of core concrete-filled steel tube is considered.

composition columns reinforced with the prefabricated SHSCUS filled with steel tubes; SHSCUS filled with steel tubes; high strength concrete used stone-chop (abbreviated to SHSCUS); ultimate load capacity

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.03.023

TU 398

1672-6146(2012)03-0082-04

2012-05-28

福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011J01327), 莆田市科技計(jì)劃資助(2007G26)

陳國燦(1963-), 男, 博士, 教授, 研究方向?yàn)樾滦徒M合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與抗火特性. E-mail: chen-a2002@163.com

(責(zé)任編校:江 河)