薄钢—混凝土—钢双壁空心管低周疲劳性能分析论文_吴骏青

薄钢—混凝土—钢双壁空心管低周疲劳性能分析论文_吴骏青

广西机电职业技术学院 广西南宁市 530007

摘要:随着科学技术的不断发展,组合结构广泛应用于实际工程,显著提升了建筑结构的稳定性与可靠性。双壁空心钢管混凝土组合结构具有刚度大、质量轻、抗震抗腐蚀的优势,逐渐取代了传统的实心钢管混凝土结构,具有十分重要的应用价值。本文基于薄钢—混凝土—钢双壁空心管的作用,从细节入手,分析了该结构的特点,并进行了低周疲劳性能试验,希望能以此优化结构性能,进而提升建筑工程的质量与安全。

关键词:双壁空心管;低周疲劳性能;试验分析

薄钢—混凝土—钢双壁空心管可以作为民用建筑的框架或桥梁的基础结构,还能作为水下油气输送管道系统,具有良好的力学性能,克服了传统结构易损坏腐蚀的问题,促进了建筑行业的快速发展。近年来,高层及大跨结构建筑的数量增多,双壁空心管组合结构应运而生,在众多领域中都有大量应用。与国外发达国家相比,我国在双壁空心管低周疲劳性能方面的研究起步较晚,还存在较多问题,应积极探索研究,为解决相关问题注入源源不断的动力。

1.薄钢-混凝土-钢双壁空心管概述

1.1双壁空心钢管混凝土构件的特点

在传统施工中,一般利用实心钢管混凝土结构作为工程的重要元件,比钢筋结构稳定可靠,能承载更多的压力。钢管对混凝土具有一定约束力,避免其开裂,内部填充混凝土后能缓解钢管的弯曲变形,二者组合起来使结构的抗震能力与承载力得到了大幅度提升,还具有经济性特点,降低了施工成本。但实心结构也存在较多缺点,再此基础上,人们发明了双壁空心钢管混凝土结构,有效克服了实心结构的缺点与弊端。双壁空心钢管混凝土结构由外钢管、混凝土与内钢管构成,继承了传统结构的优点,同时由于其特殊的截面特性,减轻了自身重量,抗弯刚度增大,抗腐蚀能力也大大提高,可用于水下工程,用途更加广泛。现如今,双壁空心钢管混凝土结构的发展前景良好,具有更大的经济效益与社会效益。

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1.2钢管混凝土结构的应用与发展研究

随着建筑行业的不断发展,钢管混凝土结构受到了社会各界的广泛关注,应用历史悠久,英国工程师最早将其用于建设赛文铁路大桥,随后在其他国家得到了大量应用,例如美国的房屋建筑、日本的高层建筑。值得纪念的是,上世纪九十年代初期,墨尔本的联邦中心大厦应用了钢管混凝土结构,是当时澳大利亚第一座钢管混凝土结构的高层建筑。我国最早将该结构应用于北京的地铁施工,随后在桥梁、高层建筑建设中应用效果良好。现阶段,优化钢管混凝土结构的各项性能已经成为重要的研究方向,双壁空心钢管混凝土结构更是其中的重中之重,相关工作人员应认识到加强结构研究的重要性与必要性,实现建筑行业的可持续发展。

1.3双壁空心钢管混凝土结构的研究意义

一般来说,双壁空心钢管混凝土结构的研究始于二十世纪九十年代,距今时间较短,虽然还存在一些问题没有解决,但已经取得了不错的研究成果。在该结构的力学性能研究中,各国学者更偏向于单调加载的理论与试验,忽视了该结构在循环荷载作用下的实验研究,尤其是在低周疲劳性能方面的研究,还需加大人力与财力投入,以免影响双壁空心钢管混凝土结构的作用与价值。由于我国地理位置的特殊性,经常发生地震,严重威胁着人们的生命财产安全,双壁空心钢管混凝土结构作为现阶段最重要的受力构件,加强其强度、刚度和耗能能力研究具有重要意义。

2.薄钢-混凝土-钢双壁空心管低周疲劳性能试验

2.1试件设计与制作

本试验的目的是对薄钢-混凝土-钢双壁空心管结构多次施加水平外力,根据其形变程度与其他性能的改变分析该结构的低周疲劳性能,在试验结果的基础上寻找优化钢管混凝土结构刚度、强度、抗震能力与抗腐蚀能力等性能的有效措施,进而提高建筑结构的多种功能。试件设计与制作的标准是《建筑抗震试验规程》,该标准中规定了截面尺寸、钢管长度、内外管管径等重要参数。本试验中选取了三种截面尺寸,共四个试件,并用无缝圆钢管作为主要材料,与劲肋和盖板一起按照相关标准进行焊接。为了方便后续试验,还应在顶端盖板几何中心位置处预留孔洞,以便模拟地震时结构的受力情况。

2.2钢材材料性能

目前,我国钢管混凝土结构中的钢材大多采用Q235钢,为了保证试验结果的科学性、准确性与普遍性,本试验也采用这一钢材,依照《金属材料室温拉伸试验方法》及其他标准确定拉伸样坯的试验参数。通过万能拉伸试验机可以测得钢材的屈服强度和极限强度,并根据试验结果绘制荷载与位移的曲线,更加清晰明了的得知钢材的抗压性能。值得注意的是,钢材材料力学性能试验有利于优化该结果的强度与刚度,显著提升了抗震能力,试验结果的准确性与有效性对后续研究有着至关重要的影响。

2.3混凝土的配置

混凝土是薄钢—混凝土—钢双壁空心管结构的重要组成部分,因此需要慎重配置混凝土,以此确保试验结果的准确性与可信度。通过分析以往研究结果,本实验中配置了三种不同强度的混凝土,具体配置情况如下。(1)科学选择配置材料。选择市面上常见的普通硅酸盐水泥作为主要材料,混合粗骨料与细骨料。细骨料一般选择中粗河沙材料,为了保证混凝土结构的强度与施工的简便性,粗骨料中需要添加适量的花岗岩碎石,将花岗岩碎石粒径控制在5到20毫米范围内。同时,还须添加外加剂改善结构的和易性与耐久性,外加剂的添加种类与用量应根据实际情况确定。(2)确定混凝土配合比。需根据相关计算公式确定三种混凝土的用量比例,确保混合效果能满足设计强度。(3)混凝土试块抗压测试。将浇筑完成后的混凝土试块在相同的条件下养护一段时间,随后利用微机控制电液伺服压力试验机测试该结构的强度性能。在测试过程中,应多次测量强度数值,求得其平均值作为该组事件的真实强度,随后进行比较分析。

2.4试验装置及加载制度

为了准确测量该结构的抗震能力,需要试件在一定条件下反复承担荷载,直到结构完全变形损坏为止。目前,一般采用低周反复静力的方法进行测试,可以准确控制水平荷载的加载速率,使得试验结构更加科学合理。根据我国现有水平与条件,试验加载装置选用BRI四联杆加载系统,该装置结构主要包括基础平台、竖向荷载支撑架、竖向加载器、加载器等,相关工作人员应按照规定收集数据。另外,还需注意施加的荷载与时间的关系,试验时先进行竖向荷载的预加载,随后进行水平荷载的预加载,以便得到更加准确的结果。

3.总结

综上所述,薄钢—混凝土—钢双壁空心管在建筑工程领域中占有举足轻重的地位,应加强重视,通过低周疲劳性能试验分析出组合构建的破坏准则与损伤规律,避免该类结构的各项性能随着水平位移的增大而降低,影响建筑工程的整体质量。低周疲劳性能试验结果表明,薄钢—混凝土—钢双壁空心管的强度与刚度退化较慢,适合在地震区域推广。

参考文献

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基金项目:混凝土浇筑过程中薄壁空心管抗悬浮技术研究项目,项目编号:KY2015YB405

论文作者:吴骏青

论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第3期

论文发表时间:2018/6/27

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