Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
Чотири елементи гумобетонної сталевої труби (RuCFST), один елемент сталевої бетонної труби (CFST) і один порожній елемент були випробувані в умовах чистого згинання.Основними параметрами є коефіцієнт зсуву (λ) від 3 до 5 і коефіцієнт заміни гуми (r) від 10% до 20%.Отримано криву згинальний момент-деформація, криву згинального моменту-прогину та криву згинального моменту-кривини.Проаналізовано режим руйнування бетону з гумовим сердечником.Результати показують, що типом руйнування елементів RuCFST є руйнування на вигин.Тріщини в гумобетону розподіляються рівномірно і помірно, а заповнення бетону ядра гумою запобігає розвитку тріщин.Співвідношення зсуву до прольоту мало вплив на поведінку зразків для випробувань.Швидкість заміни гуми мало впливає на здатність витримувати згинальний момент, але певним чином впливає на жорсткість зразка на вигин.Після заповнення гумобетоном, порівняно зі зразками з порожньої сталевої труби, здатність до вигину та жорсткість при вигині покращуються.
Завдяки хорошим сейсмічним характеристикам і високій несучій здатності традиційні залізобетонні трубчасті конструкції (ЗБТК) широко використовуються в сучасній інженерній практиці1,2,3.Як новий тип гумового бетону, частки каучуку використовуються для часткової заміни природних заповнювачів.Конструкції із сталевих труб, наповнених гумобетоном (RuCFST), утворюються шляхом заповнення сталевих труб гумобетоном для підвищення пластичності та енергоефективності композитних конструкцій4.Він не лише використовує переваги чудової продуктивності членів CFST, але й ефективно використовує гумові відходи, що відповідає потребам розвитку зеленої економіки замкнутого циклу5,6.
В останні кілька років поведінка традиційних елементів CFST під впливом осьового навантаження7,8, взаємодії осьового навантаження з моментом9,10,11 та чистого згинання12,13,14 інтенсивно вивчалася.Результати показують, що здатність до вигину, жорсткість, пластичність і здатність до розсіювання енергії колон і балок CFST покращуються завдяки внутрішньому заповненню бетоном і демонструють хорошу пластичність при руйнуванні.
В даний час деякі дослідники вивчали поведінку та продуктивність колон RuCFST при комбінованих осьових навантаженнях.Liu і Liang15 провели кілька експериментів на коротких колонах RuCFST, і порівняно з колонами CFST несуча здатність і жорсткість зменшилися зі збільшенням ступеня заміщення каучуку та розміру частинок каучуку, тоді як пластичність зросла.Duarte4,16 випробував кілька коротких колон RuCFST і показав, що колони RuCFST були більш пластичними зі збільшенням вмісту каучуку.Liang17 і Gao18 також повідомили про подібні результати щодо властивостей гладких і тонкостінних заглушок RuCFST.Gu та ін.19 та Jiang та ін.20 досліджували несучу здатність елементів RuCFST при високій температурі.Результати показали, що додавання каучуку підвищило пластичність конструкції.З підвищенням температури несуча здатність спочатку трохи знижується.Patel21 проаналізував поведінку коротких CFST балок і колон із круглими кінцями при осьовому та одновісному навантаженні при стиску та вигині.Обчислювальне моделювання та параметричний аналіз демонструють, що стратегії моделювання на основі оптоволокна можуть точно вивчити продуктивність коротких RCFST.Гнучкість збільшується зі співвідношенням сторін, міцністю сталі та бетону та зменшується із співвідношенням глибини до товщини.Загалом короткі колони RuCFST поводяться подібно до колон CFST і є більш пластичними, ніж колони CFST.
З наведеного вище огляду видно, що колони RuCFST покращуються після належного використання гумових добавок у базовому бетоні колон CFST.Оскільки осьове навантаження відсутнє, вигин сітки відбувається на одному кінці балки колони.Фактично, характеристики вигину RuCFST не залежать від характеристик осьового навантаження22.У практичному проектуванні конструкції RuCFST часто піддаються навантаженню згинального моменту.Дослідження властивостей чистого вигину допомагає визначити деформацію та руйнування елементів RuCFST під сейсмічним впливом23.Для конструкцій RuCFST необхідно вивчати чисті властивості елементів RuCFST на згин.
У зв'язку з цим було випробувано шість зразків для вивчення механічних властивостей чисто криволінійних сталевих квадратних трубних елементів.Решта цієї статті організована таким чином.Спочатку випробували шість зразків квадратного перерізу з гумовим наповненням або без нього.Для результатів випробувань спостерігайте за станом відмови кожного зразка.По-друге, було проаналізовано продуктивність елементів RuCFST при чистому згині та обговорено вплив коефіцієнта зсуву до розміру прольоту 3-5 і коефіцієнта заміни гуми 10-20% на структурні властивості RuCFST.Нарешті, порівнюються відмінності в несучій здатності та жорсткості на вигин між елементами RuCFST і традиційними елементами CFST.
Шість зразків CFST були завершені, чотири заповнені прогумованим бетоном, один заповнений нормальним бетоном, а шостий був порожнім.Обговорюється вплив швидкості зміни гуми (r) і коефіцієнта зсуву (λ).Основні параметри зразка наведені в таблиці 1. Буква t позначає товщину труби, B – довжина сторони зразка, L – висота зразка, Mue – виміряна згинальна здатність, Kie – початкова жорсткість на вигин, Kse - жорсткість на згин при експлуатації.сцена.
Зразок RuCFST був виготовлений із чотирьох сталевих пластин, зварених попарно, щоб утворити порожнисту квадратну сталеву трубу, яку потім заповнили бетоном.До кожного кінця зразка приварюють сталеву пластину товщиною 10 мм.Механічні властивості сталі наведено в таблиці 2. Відповідно до китайського стандарту GB/T228-201024 межа міцності (fu) і межа текучості (fy) сталевої труби визначаються стандартним методом випробування на розтяг.Результати випробувань складають 260 МПа та 350 МПа відповідно.Модуль пружності (Es) становить 176 ГПа, а коефіцієнт Пуассона (ν) сталі становить 0,3.
Під час випробування кубічна міцність на стиск (fcu) еталонного бетону на 28 день була розрахована на 40 МПа.Коефіцієнти 3, 4 і 5 були обрані на основі попереднього посилання 25, оскільки це може виявити будь-які проблеми з перемиканням передач.Дві норми заміни гуми 10% і 20% замінюють пісок у бетонній суміші.У цьому дослідженні використовувався звичайний гумовий порошок для шин від цементного заводу Tianyu (бренд Tianyu в Китаї).Розмір частинок каучуку 1-2 мм.У таблиці 3 наведено співвідношення гумобетону і суміші.Для кожного типу гумобетону було відлито три куби зі стороною 150 мм і витримано в умовах випробувань, передбачених стандартами.Пісок, який використовується в суміші, — це кремнеземний пісок, а грубий заповнювач — карбонатна порода в місті Шеньян, північно-східний Китай.28-денна кубічна міцність на стиск (fcu), призматична міцність на стиск (fc') і модуль пружності (Ec) для різних коефіцієнтів заміни каучуку (10% і 20%) наведено в таблиці 3. Впровадити стандарт GB50081-201926.
Усі дослідні зразки випробовують гідроциліндром із зусиллям 600 кН.Під час навантаження дві зосереджені сили прикладаються симетрично до випробувального стенду з чотирьох точок вигину, а потім розподіляються на зразок.Деформація вимірюється п'ятьма тензодатчиками на кожній поверхні зразка.Відхилення спостерігають за допомогою трьох датчиків переміщення, показаних на малюнках 1 і 2. 1 і 2.
У тесті використовувалася система попереднього натягу.Навантажуйте зі швидкістю 2 кН/с, потім зупиніться при навантаженні до 10 кН, перевірте, чи інструмент і тензодатчик знаходяться в нормальному робочому стані.У межах еластичної стрічки кожне збільшення навантаження стосується менше однієї десятої прогнозованого пікового навантаження.Коли сталева труба зношується, прикладене навантаження становить менше однієї п’ятнадцятої від прогнозованого пікового навантаження.Тримайте приблизно дві хвилини після застосування кожного рівня навантаження під час фази завантаження.Коли зразок наближається до руйнування, швидкість безперервного навантаження сповільнюється.Коли осьове навантаження досягає менше ніж 50% граничного навантаження або на зразку виявляються явні пошкодження, навантаження припиняється.
Руйнування всіх досліджуваних зразків показало хорошу пластичність.У зоні розтягування сталевої труби випробного зразка не виявлено явних тріщин при розтягуванні.Типові види пошкоджень сталевих труб показані на рис.3. Для прикладу зразка SB1 на початковій стадії навантаження, коли згинальний момент менше 18 кН·м, зразок SB1 знаходиться в пружній стадії без явних деформацій, а швидкість збільшення виміряного згинального моменту перевищує швидкість збільшення кривизни.У подальшому сталева труба в зоні розтягу деформується і переходить у пружнопластичну стадію.Коли згинальний момент досягає близько 26 кНм, зона стиснення сталі середнього прольоту починає розширюватися.Набряк розвивається поступово в міру збільшення навантаження.Крива навантаження-деформації не зменшується, поки навантаження не досягне свого піку.
Після завершення експерименту зразок SB1 (RuCFST) і зразок SB5 (CFST) були вирізані для більш чіткого спостереження за руйнуванням основного бетону, як показано на рис. 4. На малюнку 4 видно, що тріщини в зразку SB1 розподіляються в бетонній основі рівномірно і рідко, відстань між ними становить від 10 до 15 см.Відстань між тріщинами в зразку SB5 становить від 5 до 8 см, тріщини нерегулярні та явні.Крім того, тріщини в зразку SB5 простягаються приблизно на 90° від зони розтягу до зони стиснення і розвиваються приблизно до 3/4 висоти перетину.Основні тріщини в бетоні у зразку SB1 менші та рідше, ніж у зразку SB5.Заміна піску гумою може певною мірою запобігти утворенню тріщин у бетоні.
На рис.5 показано розподіл прогину по довжині кожного зразка.Суцільна лінія — це крива відхилення випробного зразка, а пунктирна лінія — синусоїдальна півхвиля.З рис.На малюнку 5 показано, що крива прогину стрижня добре узгоджується з синусоїдальною півхвильовою кривою при початковому навантаженні.При збільшенні навантаження крива прогину дещо відхиляється від синусоїдальної напівхвилі.Як правило, при навантаженні криві прогину всіх зразків у кожній точці вимірювання є симетричною напівсинусоїдальною кривою.
Оскільки відхилення елементів RuCFST при чистому згині слідує за синусоїдальною напівхвильовою кривою, рівняння згину можна виразити так:
Коли максимальна деформація волокна становить 0,01, враховуючи фактичні умови застосування, відповідний згинальний момент визначається як гранична здатність згинального моменту елемента27.Виміряна потужність згинального моменту (Mue), визначена таким чином, показана в таблиці 1. Відповідно до виміряної потужності згинального моменту (Mue) і формули (3) для розрахунку кривизни (φ), крива M-φ на малюнку 6 може бути накреслений.Для M = 0,2Mue28 початкова жорсткість Kie вважається відповідною жорсткістю на зсув при вигині.Коли M = 0,6Mue, жорсткість на вигин (Kse) робочого етапу була встановлена на відповідну січну жорсткість на вигин.
З кривої кривизни згинального моменту видно, що згинальний момент і кривизна значно лінійно збільшуються на пружній стадії.Швидкість зростання згинального моменту явно вище, ніж кривизни.Коли згинальний момент M становить 0,2Mue, зразок досягає межі пружності.Зі збільшенням навантаження зразок піддається пластичній деформації і переходить у пружнопластичну стадію.При згинальному моменті М, рівному 0,7-0,8 Мю, сталева труба буде деформуватися в зоні розтягування і в зоні стиснення по черзі.У той же час крива Mf зразка починає проявлятися як точка перегину і зростає нелінійно, що посилює спільний ефект сталевої труби та гумобетонного сердечника.Коли M дорівнює Mue, зразок переходить у стадію пластичного зміцнення, при цьому прогин і кривизна зразка швидко зростають, тоді як згинальний момент зростає повільно.
На рис.7 показані криві залежності згинального моменту (М) від деформації (ε) для кожного зразка.Верхня частина середнього прольоту зразка знаходиться під стисненням, а нижня – під розтягом.Тензодатчики з позначками «1» і «2» розташовані у верхній частині випробного зразка, тензодатчики з позначкою «3» розташовані в середині зразка, а тензодатчики з позначками «4» і «5».» розташовані під тестовим зразком.Нижня частина зразка представлена на рис. 2. З рис. 7 видно, що на початковому етапі навантаження поздовжні деформації в зоні розтягу і в зоні стиску елемента дуже близькі, а деформації приблизно лінійні.У середній частині спостерігається невелике збільшення поздовжньої деформації, але величина цього збільшення невелика. Згодом гумовий бетон у зоні розтягування тріснув. Оскільки сталевій трубі в зоні розтягування потрібно лише витримувати силу, а резинобетон і сталева труба в зоні стиснення несуть навантаження разом, деформація в зоні розтягу елемента більша, ніж деформація в У міру збільшення навантаження деформації перевищують межу текучості сталі, і сталева труба входить пружнопластична стадія. Швидкість зростання деформації зразка значно перевищувала згинальний момент, і пластична зона почала розвиватися на повний переріз.
Криві M-um для кожного зразка показано на рисунку 8. На рис.8, усі криві M-um слідують тій же тенденції, що й традиційні члени CFST22,27.У кожному випадку криві M-um показують пружну реакцію на початковій фазі, а потім непружну поведінку зі зменшенням жорсткості, доки поступово не буде досягнуто максимально допустимий згинальний момент.Однак через різні параметри тесту криві M-um дещо відрізняються.Прогинальний момент для відношень зсуву до розмаху від 3 до 5 показаний на рис.8а.Допустима згинальна здатність зразка SB2 (коефіцієнт зсуву λ = 4) на 6,57 % менша, ніж у зразка SB1 (λ = 5), а здатність до згинального моменту зразка SB3 (λ = 3) більша, ніж у зразка SB2. (λ = 4) 3,76%.Взагалі кажучи, зі збільшенням коефіцієнта зсуву до розмаху тенденція зміни допустимого моменту не є очевидною.Схоже, що крива M-um не пов’язана з відношенням зсуву до розмаху.Це узгоджується з тим, що спостерігали Лу та Кеннеді25 для балок CFST із співвідношенням зсуву до прольоту в діапазоні від 1,03 до 5,05.Можлива причина для елементів CFST полягає в тому, що при різних коефіцієнтах зсуву прольоту механізм передачі сили між бетонним сердечником і сталевими трубами є майже однаковим, що не так очевидно, як для залізобетонних елементів25.
З рис.8b видно, що несуча здатність зразків SB4 (r = 10%) і SB1 (r = 20%) трохи вища або нижча, ніж у традиційного зразка CFST SB5 (r = 0), і збільшена на 3,15% і зменшена на 1,57 відсотка.Проте початкова жорсткість на вигин (Kie) зразків SB4 і SB1 значно вища, ніж у зразка SB5, які становлять 19,03% і 18,11% відповідно.Жорсткість на вигин (Kse) зразків SB4 і SB1 в робочому стані на 8,16% і 7,53% вище, ніж у зразка SB5 відповідно.Вони показують, що швидкість заміни каучуку мало впливає на здатність до вигину, але має великий вплив на жорсткість при вигині зразків RuCFST.Це може бути пов'язано з тим, що пластичність гумобетону в зразках RuCFST вища, ніж пластичність натурального бетону в звичайних зразках CFST.Загалом розтріскування та розтріскування в натуральному бетоні починають поширюватися раніше, ніж у прогумобетону29.З типового режиму руйнування базового бетону (рис. 4) тріщини зразка SB5 (натуральний бетон) більші та щільніші, ніж тріщини зразка SB1 (гумобетон).Це може сприяти вищому обмеженню, що забезпечується сталевими трубами для зразка залізобетону SB1 порівняно зі зразком натурального бетону SB5.Дослідження Durate16 також дійшло подібних висновків.
З рис.8c показано, що елемент RuCFST має кращу здатність до вигину та пластичність, ніж елемент із порожнистої сталевої труби.Міцність на згин зразка SB1 з RuCFST (r=20%) на 68,90% вище, ніж у зразка SB6 з порожньої сталевої труби, а початкова жорсткість на згин (Kie) і жорсткість на згин на етапі експлуатації (Kse) зразка SB1 становлять 40,52% відповідно., що вище зразка SB6, було на 16,88% вище.Спільна дія сталевої труби та прогумованого бетонного сердечника збільшує міцність на вигин і жорсткість композитного елемента.Елементи RuCFST демонструють зразки з хорошою пластичністю, якщо піддаватися чистим навантаженням на вигин.
Отримані згинальні моменти порівнювали з згинальними моментами, зазначеними в поточних стандартах проектування, таких як японські правила AIJ (2008) 30, британські правила BS5400 (2005) 31, європейські правила EC4 (2005) 32 і китайські правила GB50936 (2014) 33. згинальний момент (Muc) до експериментального згинального моменту (Mue) наведено в табл. 4 і представлено на рис.9. Розрахункові значення AIJ (2008), BS5400 (2005) і GB50936 (2014) на 19%, 13,2% і 19,4% нижче середніх експериментальних значень відповідно.Згинальний момент, розрахований EC4 (2005), на 7% нижчий від середнього випробувального значення, яке є найближчим.
Експериментально досліджено механічні властивості елементів RuCFST при чистому згині.На основі проведених досліджень можна зробити наступні висновки.
Тестовані члени RuCFST продемонстрували поведінку, подібну до традиційних моделей CFST.За винятком зразків із порожніх сталевих труб, зразки RuCFST і CFST мають добру пластичність завдяки заповненню гумобетоном і бетоном.
Співвідношення зсуву до діапазону коливалося від 3 до 5 з незначним впливом на випробуваний момент і жорсткість на вигин.Швидкість заміни гуми практично не впливає на стійкість зразка до згинального моменту, але певним чином впливає на жорсткість зразка на вигин.Початкова жорсткість на вигин зразка SB1 із коефіцієнтом заміни гуми 10% на 19,03% вища, ніж у традиційного зразка CFST SB5.Єврокод EC4 (2005) дозволяє точно оцінити граничну здатність до вигину елементів RuCFST.Додавання каучуку до основного бетону покращує крихкість бетону, надаючи конфуціанським елементам хорошу міцність.
Дін, Ф. Х., Чен, Ю. Ф., Ю, Ю. Дж., Ван, Л. П. і Ю, З. В. Комбінована дія сталевих трубчастих колон прямокутного перерізу, заповнених бетоном, у поперечному зсуві.структура.Бетон 22, 726–740.https://doi.org/10.1002/suco.202000283 (2021).
Khan, LH, Ren, QX, і Li, W. Випробування сталевих труб, заповнених бетоном (CFST) з похилими, конічними та короткими колонами STS.Ж. Будівництво.Сталевий резервуар 66, 1186–1195.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2010.03.014 (2010).
Мен, Є. К., Ю. Ю. Л., Чжан X. Г. та Су. Ю. С. Сейсмічні випробування та дослідження індексу ефективності перероблених порожнистих блоків стін, заповнених сталевим трубчастим каркасом із переробленого заповнювача.структура.Бетон 22, 1327–1342 https://doi.org/10.1002/suco.202000254 (2021).
Дуарте, АПК та ін.Експеримент і проектування коротких сталевих труб, заповнених гумобетоном.демонструвати.структура.112, 274-286.https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.01.018 (2016).
Джа С., Гоял М. К., Гупта Б. і Гупта А. К. Новий аналіз ризику COVID 19 в Індії з урахуванням кліматичних і соціально-економічних факторів.технології.прогноз.суспільства.ВІДЧИНЕНО.167, 120679 (2021).
Кумар Н., Пунія В., Гупта Б. та Гоял М. К. Нова система оцінки ризиків і стійкість критичної інфраструктури до зміни клімату.технології.прогноз.суспільства.ВІДЧИНЕНО.165, 120532 (2021).
Liang, Q і Fragomeni, S. Нелінійний аналіз коротких круглих колон заповнених бетоном сталевих труб під осьовим навантаженням.Ж. Будівництво.Сталева резолюція 65, 2186–2196.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2009.06.015 (2009).
Еллобеді, Е., Янг, Б. і Лем, Д. Поведінка звичайних і високоміцних заповнених бетоном круглих опорних колон, виготовлених із щільних сталевих труб.Ж. Будівництво.Сталевий бак 62, 706–715.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2005.11.002 (2006).
Huang, Y. та ін.Експериментальне дослідження характеристик позацентрового стиску високоміцних холоднодеформованих залізобетонних прямокутних трубчастих колон.Університет Дж. Хуацяо (2019).
Янг, Ю. Ф. та Хан, Л. Х. Поведінка колон з коротких заповнених бетоном сталевих труб (CFST) під ексцентричним місцевим стисненням.Тонкостінна конструкція.49, 379-395.https://doi.org/10.1016/j.tws.2010.09.024 (2011).
Chen, JB, Chan, TM, Su, RKL і Castro, JM. Експериментальна оцінка циклічних характеристик сталевої трубчастої балки-колони, заповненої бетоном з восьмикутним поперечним перерізом.демонструвати.структура.180, 544–560.https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.10.078 (2019).
Gunawardena, YKR, Aslani, F., Ui, B., Kang, WH та Hicks, S. Огляд характеристик міцності заповнених бетоном круглих сталевих труб при монотонному чистому вигині.Ж. Будівництво.Сталевий бак 158, 460–474.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.04.010 (2019).
Zanuy, C. Модель натягу струни та жорсткість при згині круглого CFST при згині.внутрішня J. Сталева конструкція.19, 147-156.https://doi.org/10.1007/s13296-018-0096-9 (2019).
Лю, Ю.H. і Li, L. Механічні властивості коротких колон гумобетонних квадратних сталевих труб під осьовим навантаженням.Ж. Північно-східний.університету (2011).
Дуарте, АПК та ін.Експериментальні дослідження гумобетону з короткими сталевими трубами при циклічному навантаженні [J] Склад.структура.136, 394-404.https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.10.015 (2016).
Liang, J., Chen, H., Huaying, WW та Chongfeng, HE Експериментальне дослідження характеристик осьового стиснення круглих сталевих труб, заповнених гумобетоном.Бетон (2016).
Гао, К. та Чжоу, Дж. Випробування на осьовий стиск квадратних тонкостінних сталевих трубних колон.Технологічний журнал Хубейського університету.(2017).
Gu L, Jiang T, Liang J, Zhang G та Wang E. Експериментальне дослідження коротких прямокутних залізобетонних колон після впливу високої температури.Бетон 362, 42–45 (2019).
Jiang, T., Liang, J., Zhang, G. and Wang, E. Експериментальне дослідження круглих сталевих трубчастих колон із гумобетонним заповненням під осьовим стисненням після впливу високої температури.Бетон (2019).
Патель В. І. Розрахунок одновісно навантажених коротких сталевих трубчастих балок-колон з круглим торцем, залитих бетоном.демонструвати.структура.205, 110098. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.110098 (2020).
Lu, H., Han, LH і Zhao, SL Аналіз поведінки на вигин круглих тонкостінних сталевих труб, заповнених бетоном.Тонкостінна конструкція.47, 346–358.https://doi.org/10.1016/j.tws.2008.07.004 (2009).
Абенде Р., Ахмад Х.С. та Хунаїті Ю.М.Експериментальне дослідження властивостей сталевих труб, заповнених бетоном, що містить гумовий порошок.Ж. Будівництво.Сталевий резервуар 122, 251–260.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.03.022 (2016).
GB/T 228. Метод випробування на розтягнення при нормальній температурі для металевих матеріалів (China Architecture and Building Press, 2010).
Час публікації: 05 січня 2023 р