圆钢管轻骨料混凝土轴压短柱的受力性能分析

（2P）圆钢管轻骨料混凝土轴压短柱的受力性能分析宋彬彬目前国内对钢管混凝土的轴压短柱性能研究已经形成了较为成熟的模式，而对于轻型骨料的混凝土短柱性能研究则起步较晚，其研究也存在一定的局限性。研究成果中有的进行了钢管轻骨料混凝土轴压短柱和钢管混凝土相似性能的比对，结果显示在一定条件下破坏性差异较小；而某些研究则在钢管轻骨料混凝土轴压短柱试验的基础上进行了拓展，利用极限平衡法对其极限承载性能进行了推导；还有学者针对轻骨料混凝土轴压短柱试验中采用合成法进行了全过程的细化分析；另外一些研究人员则在系统的钢管轻骨料混凝土轴压短柱试验的基础上将极限平衡与合成法的研究方式进行了分析，但是这些方式不能很好的揭示钢管与轻骨料之间的相互作用。随着研究的拓展，此类研究将变得更加细化，从而可将钢管与骨料等不同系统在承载中所产生的性能差异以及整体性能尽可能的揭示出来，以此指导施工实践。借助现有的研究成果，本文将简要地对其应力计算与不同受力阶段所体现的性能进行分析。一、用共同受力下的轴心受压圆钢管轻骨料混凝土轴压短柱，可以建立一个钢管与轻骨料所共同构成的同心圆柱体来进行分析，此时所建立的钢管与骨料结合体在变形较小的情况下，同心圆柱端面应力使得混凝土和钢管出现相同的纵向应力，据此可建立二者的同心圆柱计算模型及定义其单位长度的钢管混凝土短柱的纵向应变力学模式，并以此为基础进行分析，构成了一个弹性力学轴对称的广义平面。此时引入 数，即可获得一个相对通解的函数公式，而将各种条件进行理想化后，可以得到轴压短柱弹性阶段的组合应力中 就是组合弹性模量，此时对于圆钢轻骨料混凝土的弹性应力可利用下面的公式进行分析：公式中：性能将从弹性应力状态变为弹塑性相结合的改变模式，核心轻骨料的泊松比随着增加，钢管与核心轻骨料之间的应力从原有的拉应力变为相互的压应力。钢管与骨料相接触的钢管内部会出现屈服的情况，并以某一个点开始拓展，形成一个环形的塑性变形区域。但是由于钢管壁较薄，因此钢管内外会同时屈服，对于钢管的应力分析不需要考虑内外径问题，则利用 则即可,其公式如下：综合对相应材料的受力分析与组合材料应力的研究，可以形成一个弹塑性应力曲线方程，其理论公式可以表达为：二、不同阶段的性能和影响因素分析借助于试验与仿真分析，试验中可以获得相应的应力与应变曲线，据此可研究钢管轻骨料混凝土在不同应变阶段的受力情况与影响因素。具体情况如下：管轻骨料混凝土短柱在加载的初级阶段，处于弹性工作模式，应力组合与应变曲线是线性变化。随着轻骨料的强度加强，比例极限荷载与极限荷载都会增加，不同于素轻骨料材料的情况。如果核心混凝土为普通材料，其比例极限是极限荷载的 60%上下，如图 1 中 示；当核心混凝土的强度增加，其比例极限荷载则会提高到极限荷载的 80%左右，如图 1 中 c 所示；继续提高其强度则比例也随之提高，如图1 中 d 所示。图 1：不同因素下短柱的应力证明弹性阶段钢管与核心骨料主要体现的是纵向承载的情况，在通常情况下，荷载的增加会导致轻骨料泊松比增加，其核心骨料的环向与径向受力会出现转变，钢管的环向受力则逐渐改变为拉应力，但绝对值都不会很大，此时钢管的环向拉力与轴向受力构成一个双向应力场，纵向峰值要小于屈服应力；但骨料强度增加而钢材屈服强度低，则钢管的核心轻骨料混凝土没有进入弹塑性钢管就屈服了，此时钢管在环向受压与轴向受压的双重应力场中，钢管纵向峰值应力高于屈服应力。着荷载的增加，核心轻骨料的环向应变增加速度变大，钢管变为屈服状态，测试件的刚度降低，组合应力与应变曲线随之改变，呈现出非线性的情况。在其他条件固定的情况，核心轻骨料的强度增加出现了与素骨料基本一致的情况：钢管轻骨料混凝土轴压短柱材料工作性能降低，如图 1示；随着含钢率的增加其材料的屈服强度增加，钢管轻骨料混凝土轴压短柱工作性能则有所增加，如图 1 中 a 与 过内力对比发现，在弹塑性变形的过程中，随着核心骨料的环向应变增加，导致钢管屈服从纵向承压变为纵向承压与环向受拉力并存的受力环境，纵向应力线性减小而环向拉应力增加，并有大于纵向压力的趋势；因为钢管对骨料有束缚效应，轻骨料的纵向抗压性能提高，延性也随之增加。而试验表明，含钢率与轻骨料强度和钢材料的屈服强度对轻骨料纵向应力和径向应力、钢管纵向与环向应力也有一定的影响，在相同情况下含钢率增加则核心骨料的弹塑性性能增加，径向压力增加抗压能力提高，钢管纵向应力下降速度降低，相应的钢管环向应力也会得到缓解；随着轻骨料的强度增加，核心骨料混凝土弹塑性性能降低，径向压应力增加速率加快，其抗压强度也有所提高，钢管纵向应力下降速率提高，相应的钢管环向应力增加速率提高，径向应力速率不变，抗压强度提高，而钢管纵向应力下降的速度与相应环向应力的速率基本稳定。试件产生破坏，应力分析表明，在破坏阶段，钢管的纵向应力进一步下降而纵向应力降低的速度随之放缓，基本保持在一个水平。同时钢管的环向应力增加到某个阶段后，环向应力也会出现增加速率放缓且基本保持不变的情况，在数值上要大于纵向压应力。核心轻质骨料混凝土达到强度极限后，当轻骨料混凝土的形态逐渐发生改变的时候，其内部的钢管对于轻骨料的约束效果已经不能为材料的整体提供抗压性能，此时材料整体都会发生破败，核心轻骨料混凝土在三个轴向同时出现的压力荷载的影响下会出现强度破坏，此时纵向的压应力会逐渐降低，直至显示为一个常值。如果含钢率呈现增加，核心骨料混凝土所承受的径向压应力就会增加，破坏后其剩余的承载能力也处在一个相对较高的水平，极端情况下也可能没有破坏的情况而继续强化，钢管保持纵向应力如果越小，相应钢管的环向应力也就增加；随着轻骨料混凝土强度的增加，钢材的屈服强度增加，核心轻骨料混凝土的径向压力越大、破坏后剩余的强度也随之增加，钢管保持纵向应力的能力就越高，保持的环向应力也越大。三、结束语综合上述分析可以看出，钢管轻骨料混凝土轴压短柱在承载荷载的过程中，钢管与轻骨料混凝土的应力改变是相互制约的，即钢管与轻骨料之间存在相互约束，其轴心抗压强度会增加，延性也会得到改善，钢管为轻骨料混凝土提高径向约束的同时也改善了纵向应力的情况。此时含钢率、材料屈服性能、轻骨料强度等因素都会对钢管混凝土的性能产生影响。在条件不变的情况下，材料的含钢率与材料的屈服强度越大，钢管轻骨料混凝土轴压短柱套箍作用就呈现出加强的趋势，体现出的承载能力也就越大，性能趋好；而轻骨料的强度增加，材料体现的套箍作用则被削弱，延性下降而承载能力提升，因此在实际的应用中应注意这个影响关系，以提高材料的适应性。（作者单位：湖南理工学院）