Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Предыдущий» и «Далее» для перемещения по трем слайдам одновременно или используйте кнопки ползунка в конце для перемещения по трем слайдам одновременно.
Четыре элемента из резинобетонной стальной трубы (RuCFST), один элемент из стальной бетонной трубы (CFST) и один пустой элемент были испытаны в условиях чистого изгиба.Основными параметрами являются коэффициент сдвига (λ) от 3 до 5 и коэффициент замены резины (r) от 10% до 20%.Получены кривая изгибающий момент-деформация, кривая изгибающий момент-прогиб и кривая изгибающий момент-кривизна.Проанализирован режим разрушения бетона с резиновым ядром.Результаты показывают, что типом разрушения элементов RuCFST является разрушение при изгибе.Трещины в резиновом бетоне распределяются равномерно и экономно, а заполнение основного бетона резиной предотвращает развитие трещин.Отношение сдвига к пролету мало повлияло на поведение испытуемых образцов.Скорость замены резины мало влияет на способность выдерживать изгибающий момент, но оказывает определенное влияние на изгибную жесткость образца.После заливки резинобетоном по сравнению с образцами из пустой стальной трубы улучшаются изгибная способность и жесткость при изгибе.
Традиционные железобетонные трубчатые конструкции (КТСТ) благодаря своим хорошим сейсмостойкости и высокой несущей способности широко используются в современной инженерной практике1,2,3.В качестве нового типа резинового бетона резиновые частицы используются для частичной замены натуральных заполнителей.Конструкции из стальных труб, наполненных резиной и бетоном (RuCFST), образуются путем заполнения стальных труб резиновым бетоном для повышения пластичности и энергоэффективности композитных конструкций4.Он не только использует превосходные результаты деятельности членов CFST, но и эффективно использует резиновые отходы, что отвечает потребностям развития зеленой экономики замкнутого цикла5,6.
В последние несколько лет интенсивно изучалось поведение традиционных элементов CFST при осевой нагрузке7,8, взаимодействии осевой нагрузки и момента9,10,11 и чистом изгибе12,13,14.Результаты показывают, что изгибающая способность, жесткость, пластичность и способность рассеивания энергии колонн и балок из CFST улучшаются за счет внутреннего заполнения бетоном и демонстрируют хорошую пластичность при разрушении.
В настоящее время некоторые исследователи изучают поведение и характеристики колонн RuCFST при комбинированных осевых нагрузках.Лю и Лян15 провели несколько экспериментов на коротких колоннах RuCFST, и по сравнению с колоннами CFST несущая способность и жесткость уменьшались с увеличением степени замещения каучука и размера частиц каучука, в то время как пластичность увеличивалась.Дуарте4,16 протестировал несколько коротких колонок RuCFST и показал, что колонки RuCFST становятся более пластичными с увеличением содержания каучука.Liang17 и Gao18 также сообщили об аналогичных результатах по свойствам гладких и тонкостенных пробок RuCFST.Гу и др.19 и Цзян и др.20 исследовали несущую способность элементов RuCFST при высокой температуре.Результаты показали, что добавление каучука увеличивает пластичность конструкции.При повышении температуры несущая способность вначале несколько снижается.Патель21 проанализировал поведение коротких балок и колонн из CFST с закругленными концами при сжатии и изгибе при осевой и одноосной нагрузке.Компьютерное моделирование и параметрический анализ показывают, что стратегии моделирования на основе волокон могут точно оценить производительность коротких RCFST.Гибкость увеличивается с увеличением соотношения сторон, прочности стали и бетона и уменьшается с увеличением соотношения глубины и толщины.В целом короткие колонны RuCFST ведут себя аналогично колоннам CFST и более пластичны, чем колонны CFST.
Из приведенного выше обзора видно, что колонны RuCFST улучшаются после правильного использования резиновых добавок в бетоне основания колонн CFST.Поскольку осевая нагрузка отсутствует, чистый изгиб происходит на одном конце балки колонны.Фактически, характеристики изгиба RuCFST не зависят от характеристик осевой нагрузки22.В практическом проектировании конструкции RuCFST часто подвергаются нагрузкам изгибающего момента.Исследование его свойств на чистый изгиб помогает определить формы деформации и режимы разрушения элементов RuCFST при сейсмическом воздействии23.Для конструкций RuCFST необходимо изучить свойства чистого изгиба элементов RuCFST.
В связи с этим для изучения механических свойств чисто изогнутых элементов стальных квадратных труб было испытано шесть образцов.Остальная часть этой статьи организована следующим образом.Сначала были испытаны шесть образцов квадратного сечения с резиновым наполнением или без него.Для получения результатов испытаний наблюдайте за режимом отказа каждого образца.Во-вторых, были проанализированы характеристики элементов RuCFST при чистом изгибе и обсуждено влияние соотношения сдвига к пролету 3-5 и коэффициента замены резины 10-20% на структурные свойства RuCFST.Наконец, сравниваются различия в несущей способности и жесткости на изгиб между элементами RuCFST и традиционными элементами CFST.
Было изготовлено шесть образцов CFST: четыре заполнены прорезиненным бетоном, один заполнен обычным бетоном, а шестой был пуст.Обсуждается влияние скорости замены резины (r) и коэффициента сдвига пролета (λ).Основные параметры образца приведены в таблице 1. Буква t обозначает толщину трубы, B — длина стороны образца, L — высота образца, Mue — измеренная изгибная способность, Kie — начальная изгибная жесткость, Kse – изгибная жесткость в эксплуатации.сцена.
Образец RuCFST был изготовлен из четырех стальных пластин, сваренных попарно в полую квадратную стальную трубу, которую затем залили бетоном.К каждому концу образца приваривают стальную пластину толщиной 10 мм.Механические свойства стали показаны в Таблице 2. Согласно китайскому стандарту GB/T228-201024, предел прочности (fu) и предел текучести (fy) стальной трубы определяются стандартным методом испытаний на растяжение.Результаты испытаний составляют 260 МПа и 350 МПа соответственно.Модуль упругости (Es) составляет 176 ГПа, а коэффициент Пуассона (ν) стали — 0,3.
В ходе испытаний кубическая прочность на сжатие (fcu) эталонного бетона на 28-й день была рассчитана на уровне 40 МПа.Передаточные числа 3, 4 и 5 были выбраны на основе предыдущей ссылки 25, поскольку это может выявить любые проблемы с коробкой передач.Две степени замены резины: 10% и 20% заменяют песок в бетонной смеси.В этом исследовании использовался обычный резиновый порошок для шин производства Tianyu Cement Plant (торговая марка Tianyu в Китае).Размер частиц каучука 1-2 мм.В таблице 3 показано соотношение резинобетона и смесей.Для каждого типа резинобетона отливали по три куба со стороной 150 мм и выдерживали в условиях испытаний, предусмотренных стандартами.Песок, используемый в смеси, представляет собой кремнистый песок, а крупный заполнитель — карбонатную породу в городе Шэньян, Северо-Восточный Китай.28-дневная кубическая прочность на сжатие (fcu), призматическая прочность на сжатие (fc') и модуль упругости (Ec) для различных коэффициентов замены резины (10% и 20%) показаны в таблице 3. Внедрите стандарт GB50081-201926.
Все образцы для испытаний испытывают гидроцилиндром усилием 600 кН.Во время нагрузки две сосредоточенные силы прикладываются симметрично к испытательному стенду на четырехточечный изгиб, а затем распределяются по образцу.Деформация измеряется пятью тензодатчиками на каждой поверхности образца.Отклонение наблюдается с помощью трех датчиков перемещения, показанных на рисунках 1 и 2. 1 и 2.
В тесте использовалась система предварительной нагрузки.Нагружайте со скоростью 2 кН/с, затем сделайте паузу при нагрузке до 10 кН, проверьте, находятся ли инструмент и тензодатчик в нормальном рабочем состоянии.Внутри эластичной ленты каждое приращение нагрузки составляет менее одной десятой прогнозируемой пиковой нагрузки.Когда стальная труба изнашивается, приложенная нагрузка составляет менее одной пятнадцатой прогнозируемой пиковой нагрузки.Удерживайте около двух минут после применения каждого уровня нагрузки во время фазы загрузки.По мере приближения образца к разрушению скорость непрерывной нагрузки замедляется.При достижении осевой нагрузки менее 50 % предельной нагрузки или обнаружении на образце явных повреждений нагружение прекращают.
Разрушение всех образцов показало хорошую пластичность.В растянутой зоне стальной трубы испытательного образца не было обнаружено явных трещин растяжения.Типичные виды повреждений стальных труб показаны на рис.3. На примере образца СБ1 на начальном этапе нагружения при изгибающем моменте менее 18 кН·м образец СБ1 находится в упругой стадии без явной деформации, а скорость нарастания измеренного изгибающего момента превышает скорость увеличения кривизны.В дальнейшем стальная труба в растянутой зоне деформируется и переходит в упругопластическую стадию.Когда изгибающий момент достигает около 26 кНм, зона сжатия среднепролетной стали начинает расширяться.Отек развивается постепенно по мере увеличения нагрузки.Кривая отклонения нагрузки не уменьшается до тех пор, пока нагрузка не достигнет своей пиковой точки.
После завершения эксперимента образцы SB1 (RuCFST) и образцы SB5 (CFST) были разрезаны для более четкого наблюдения за режимом разрушения бетона основания, как показано на рис. 4. Из рисунка 4 видно, что трещины в образце СБ1 распределяются в бетоне основания равномерно и негусто, расстояние между ними составляет от 10 до 15 см.Расстояние между трещинами в образце СБ5 от 5 до 8 см, трещины неравномерные, заметные.Кроме того, трещины в образце СБ5 простираются примерно на 90° от зоны растяжения к зоне сжатия и развиваются примерно до 3/4 высоты сечения.Основные трещины в бетоне образца SB1 меньше и реже, чем в образце SB5.Замена песка резиной может в определенной степени предотвратить развитие трещин в бетоне.
На рис.5 показано распределение прогиба по длине каждого образца.Сплошная линия представляет собой кривую отклонения испытуемого образца, а пунктирная линия представляет собой синусоидальную полуволну.Из рис.На рис. 5 видно, что кривая прогиба стержня хорошо согласуется с синусоидальной полуволновой кривой при начальном нагружении.По мере увеличения нагрузки кривая прогиба незначительно отклоняется от синусоидальной полуволновой кривой.Как правило, при нагружении кривые прогиба всех образцов в каждой точке измерения представляют собой симметричную полусинусоидальную кривую.
Поскольку прогиб элементов RuCFST при чистом изгибе следует синусоидальной полуволновой кривой, уравнение изгиба можно выразить как:
Когда максимальная деформация волокна равна 0,01, с учетом реальных условий применения соответствующий изгибающий момент определяется как предельная допустимая нагрузка элемента по изгибающему моменту27.Определенная таким образом измеренная способность к изгибающему моменту (Mue) показана в Таблице 1. Согласно измеренной способности к изгибающему моменту (Mue) и формуле (3) для расчета кривизны (φ), кривая M-φ на рисунке 6 может быть: задумано.Для M = 0,2Mue28 начальная жесткость Kie рассматривается как соответствующая жесткость при сдвиге и изгибе.При M = 0,6Mue жесткость на изгиб (Kse) рабочей ступени устанавливалась равной соответствующей секущей жесткости на изгиб.
Из кривой кривизны изгибающего момента видно, что изгибающий момент и кривизна значительно линейно возрастают на упругой стадии.Скорость роста изгибающего момента явно выше, чем кривизны.Когда изгибающий момент М составляет 0,2Mue, образец достигает стадии предела упругости.По мере увеличения нагрузки образец претерпевает пластическую деформацию и переходит в упругопластическую стадию.При изгибающем моменте М, равном 0,7-0,8 Муэ, стальная труба будет деформироваться то в зоне растяжения, то в зоне сжатия попеременно.При этом кривая Mf образца начинает проявлять себя как точка перегиба и растет нелинейно, что усиливает совместное воздействие стальной трубы и резинобетонного ядра.При М, равном Муэ, образец вступает в стадию пластического упрочнения, при этом прогиб и кривизна образца быстро увеличиваются, а изгибающий момент увеличивается медленно.
На рис.7 показаны кривые зависимости изгибающего момента (М) от деформации (ε) для каждого образца.Верхняя часть среднепролетного сечения образца находится под сжатием, а нижняя – под напряжением.Тензорезисторы с маркировкой «1» и «2» располагаются в верхней части образца, тензорезисторы с маркировкой «3» располагаются в середине образца, а тензорезисторы с маркировкой «4» и «5».» расположены под тестовым образцом.Нижняя часть образца представлена на рис. 2. Из рис. 7 видно, что на начальном этапе нагружения продольные деформации в зоне растяжения и в зоне сжатия элемента очень близки, а деформации приблизительно линейны.В средней части наблюдается небольшое увеличение продольной деформации, но величина этого увеличения невелика. Впоследствии резинобетон в зоне растяжения растрескивается. Потому что стальной трубе в зоне растяжения необходимо только выдерживать силу, а резинобетон и стальная труба в зоне сжатия несут нагрузку вместе, деформация в зоне растяжения элемента больше, чем деформация в. По мере увеличения нагрузки деформации превышают предел текучести стали, и стальная труба входит в упругопластическая стадия. Скорость нарастания деформации образца существенно превышала изгибающий момент, и пластическая зона начинала развиваться на полное поперечное сечение.
Кривые M-um для каждого образца показаны на рис. 8. На рис.8, все кривые M-um следуют той же тенденции, что и у традиционных членов CFST22,27.В каждом случае кривые M-um показывают упругий отклик на начальном этапе, за которым следует неупругое поведение с уменьшением жесткости, пока постепенно не будет достигнут максимально допустимый изгибающий момент.Однако из-за разных параметров испытаний кривые M-um немного отличаются.Прогибающий момент для соотношений сдвига к пролету от 3 до 5 показан на рис.8а.Допустимая изгибающая способность образца СБ2 (коэффициент сдвига λ = 4) на 6,57 % ниже, чем у образца СБ1 (λ = 5), а способность к изгибающему моменту образца СБ3 (λ = 3) больше, чем у образца СБ2. (λ = 4) 3,76%.Вообще говоря, с увеличением отношения сдвига к пролету тенденция изменения допустимого момента не очевидна.Кривая M-um, по-видимому, не связана с соотношением сдвига к пролету.Это согласуется с тем, что Лу и Кеннеди25 наблюдали для балок CFST с отношением сдвига к пролету от 1,03 до 5,05.Возможная причина для элементов CFST заключается в том, что при разных коэффициентах сдвига пролетов механизм передачи усилий между бетонным сердечником и стальными трубами практически одинаков, что не так очевидно, как для железобетонных элементов25.
Из рис.8б видно, что несущая способность образцов СБ4 (r = 10 %) и СБ1 (r = 20 %) несколько выше или ниже, чем у традиционного образца ЦФСТ СБ5 (r = 0), увеличивается на 3,15 процента и снижается на 1,57 процента.Однако начальная жесткость на изгиб (Kie) образцов СБ4 и СБ1 существенно выше, чем у образца СБ5, которые составляют 19,03% и 18,11% соответственно.Жесткость на изгиб (Ксэ) образцов СБ4 и СБ1 в фазе эксплуатации на 8,16 % и 7,53 % выше, чем у образца СБ5 соответственно.Они показывают, что скорость замены резины мало влияет на способность к изгибу, но оказывает большое влияние на изгибную жесткость образцов RuCFST.Это может быть связано с тем, что пластичность резинобетона в образцах RuCFST выше, чем пластичность природного бетона в обычных образцах CFST.В целом растрескивание и растрескивание в природном бетоне начинают распространяться раньше, чем в прорезиненном бетоне29.Судя по типичному виду разрушения бетона основания (рис. 4), трещины образца SB5 (природный бетон) крупнее и плотнее, чем у образца SB1 (резинобетон).Это может способствовать более высокому ограничению, обеспечиваемому стальными трубами для образца из железобетона SB1 по сравнению с образцом из натурального бетона SB5.Исследование Durate16 также пришло к аналогичным выводам.
Из рис.8c показано, что элемент RuCFST имеет лучшую способность к изгибу и пластичность, чем элемент из полой стальной трубы.Прочность на изгиб образца СБ1 из РуЦФСТ (r=20 %) на 68,90 % выше, чем у образца СБ6 из пустой стальной трубы, а исходная жесткость на изгиб (Киэ) и жесткость на изгиб на этапе эксплуатации (Ксэ) образца СБ1 составляют 40,52% соответственно., что выше образца СБ6, было выше на 16,88%.Совместное действие стальной трубы и прорезиненного бетонного сердечника увеличивает устойчивость к изгибу и жесткость композитного элемента.Элементы RuCFST демонстрируют хорошие образцы пластичности при воздействии чистых изгибающих нагрузок.
Полученные изгибающие моменты сравнивались с изгибающими моментами, указанными в действующих стандартах проектирования, таких как японские правила AIJ (2008) 30, британские правила BS5400 (2005) 31, европейские правила EC4 (2005) 32 и китайские правила GB50936 (2014) 33. Изгибающий момент (Muc) к экспериментальному изгибающему моменту (Mue) приведена в таблице 4 и представлена на рис.9. Расчётные значения AIJ (2008 г.), BS5400 (2005 г.) и GB50936 (2014 г.) на 19 %, 13,2 % и 19,4 % ниже средних экспериментальных значений соответственно.Изгибающий момент, рассчитанный EC4 (2005), на 7% ниже среднего значения испытания, которое является наиболее близким.
Экспериментально исследованы механические свойства элементов RuCFST при чистом изгибе.На основе исследования можно сделать следующие выводы.
Протестированные члены RuCFST продемонстрировали поведение, аналогичное традиционным моделям CFST.За исключением образцов пустой стальной трубы, образцы RuCFST и CFST обладают хорошей пластичностью за счет заполнения резинобетона и бетона.
Отношение сдвига к пролету варьировалось от 3 до 5 с незначительным влиянием на испытываемый момент и жесткость на изгиб.Скорость замены резины практически не влияет на сопротивление образца изгибающему моменту, но оказывает определенное влияние на изгибную жесткость образца.Начальная изгибная жесткость образца СБ1 при коэффициенте замены резины 10 % на 19,03 % выше, чем у традиционного образца ЦФСТ СБ5.Еврокод EC4 (2005) позволяет точно оценить предельную способность к изгибу элементов RuCFST.Добавление каучука в базовый бетон повышает хрупкость бетона, придавая конфуцианским элементам хорошую прочность.
Дин Ф.Х., Чен Ю.Ф., Ю Ю.Дж., Ван Л.П. и Ю З.В. Комбинированное действие стальных трубчатых колонн прямоугольного сечения, заполненных бетоном при поперечном сдвиге.состав.Бетон 22, 726–740.https://doi.org/10.1002/suco.202000283 (2021 г.).
Хан Л.Х., Рен К.К. и Ли В. Испытание стальных труб с бетонным наполнением (CFST) с помощью наклонных, конических и коротких колонн STS.Дж. Строительство.Стальной танк 66, 1186–1195 гг.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2010.03.014 (2010).
Мэн, Э.К., Ю, Ю.Л., Чжан, К.Г. и Су, Ю.С. Сейсмические испытания и исследования показателей эффективности переработанных стен из полых блоков, заполненных стальным трубчатым каркасом из переработанного заполнителя.состав.Бетон 22, 1327–1342 https://doi.org/10.1002/suco.202000254 (2021).
Дуарте, А.К. и др.Эксперимент и проектирование коротких стальных труб, заполненных резинобетоном.проект.состав.112, 274–286.https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.01.018 (2016).
Джа С., Гоял М.К., Гупта Б. и Гупта А.К. Новый анализ риска COVID 19 в Индии с учетом климата и социально-экономических факторов.технологии.прогноз.общество.открыть.167, 120679 (2021).
Кумар Н., Пуния В., Гупта Б. и Гоял М.К. Новая система оценки рисков и устойчивость критически важной инфраструктуры к изменению климата.технологии.прогноз.общество.открыть.165, 120532 (2021).
Лян К. и Фрагомени С. Нелинейный анализ коротких круглых колонн из бетононаполненных стальных труб под действием осевой нагрузки.Дж. Строительство.Сталь Резолюция 65, 2186–2196.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2009.06.015 (2009).
Эллобеди Э., Янг Б. и Лам Д. Поведение обычных и высокопрочных бетононаполненных круглых колонн-колонн, изготовленных из плотных стальных труб.Дж. Строительство.Стальной бак 62, 706–715.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2005.11.002 (2006).
Хуанг Ю. и др.Экспериментальное исследование характеристик внецентренного сжатия высокопрочных холоднодеформированных железобетонных прямоугольных трубчатых колонн.Университет Дж. Хуацяо (2019).
Ян, Ю.Ф. и Хан, Л.Х. Поведение колонн из коротких бетононаполненных стальных труб (CFST) при эксцентричном местном сжатии.Тонкостенная конструкция.49, 379–395.https://doi.org/10.1016/j.tws.2010.09.024 (2011).
Чен Дж.Б., Чан Т.М., Су РКЛ и Кастро Дж.М. Экспериментальная оценка циклических характеристик стальной трубчатой балки-колонны, заполненной бетоном восьмиугольного поперечного сечения.проект.состав.180, 544–560.https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.10.078 (2019).
Гунавардена, Ю.КР., Аслани, Ф., Уи, Б., Канг, В.Х. и Хикс, С. Обзор прочностных характеристик бетононаполненных круглых стальных труб при монотонном чистом изгибе.Дж. Строительство.Стальной бак 158, 460–474.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.04.010 (2019).
Зануй, К. Модель натяжения струны и изгибная жесткость круглого CFST при изгибе.внутренний J. Стальная конструкция.19, 147–156.https://doi.org/10.1007/s13296-018-0096-9 (2019).
Лю, Ю.Х. и Ли, Л. Механические свойства коротких колонн из резинобетонных квадратных стальных труб под действием осевой нагрузки.Дж. Северо-Восток.Университет (2011).
Дуарте, А.К. и др.Экспериментальные исследования резинобетона с короткими стальными трубами при циклическом нагружении [J] Состав.состав.136, 394–404.https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.10.015 (2016).
Лян Дж., Чен Х., Хуайинг В.В. и Чунфэн Х.Э. Экспериментальное исследование характеристик осевого сжатия круглых стальных труб, заполненных резинобетоном.Бетон (2016).
Гао К. и Чжоу Дж. Испытание на осевое сжатие колонн из квадратных тонкостенных стальных труб.Технологический журнал Университета Хубэй.(2017).
Гу Л, Цзян Т, Лян Дж, Чжан Г и Ван Э. Экспериментальное исследование коротких прямоугольных железобетонных колонн после воздействия высокой температуры.Бетон 362, 42–45 (2019).
Цзян Т., Лян Дж., Чжан Г. и Ван Э. Экспериментальное исследование круглых стальных трубчатых колонн, заполненных резинобетоном, при осевом сжатии после воздействия высокой температуры.Бетон (2019).
Патель В.И. Расчет одноосно нагруженных коротких стальных трубчатых балок-колонн с круглым концом, заполненным бетоном.проект.состав.205, 110098. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.110098 (2020).
Лу Х., Хань Л.Х. и Чжао С.Л. Анализ поведения при изгибе круглых тонкостенных стальных труб, заполненных бетоном.Тонкостенная конструкция.47, 346–358.https://doi.org/10.1016/j.tws.2008.07.004 (2009).
Абенде Р., Ахмад Х.С. и Хунаити Ю.М.Экспериментальное исследование свойств стальных труб, заполненных бетоном, содержащим резиновый порошок.Дж. Строительство.Стальной бак 122, 251–260.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.03.022 (2016).
GB/T 228. Метод испытания металлических материалов на растяжение при нормальной температуре (Китайское архитектурное и строительное издательство, 2010).
Время публикации: 05 января 2023 г.