Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Четири елемента от гумено-бетонна стоманена тръба (RuCFST), един елемент от бетонна стоманена тръба (CFST) и един празен елемент бяха тествани при условия на чисто огъване.Основните параметри са коефициент на срязване (λ) от 3 до 5 и коефициент на замяна на каучук (r) от 10% до 20%.Получават се крива на огъващ момент-деформация, крива на огъващ момент-деформация и крива на огъващ момент-кривина.Анализиран е начинът на разрушаване на бетон с гумено ядро.Резултатите показват, че типът повреда на членовете на RuCFST е повреда при огъване.Пукнатините в гумирания бетон се разпределят равномерно и пестеливо, а запълването на бетонната сърцевина с гума предотвратява развитието на пукнатини.Съотношението на срязване към обхват имаше малък ефект върху поведението на пробните образци.Степента на смяна на каучука има малък ефект върху способността да издържа на огъващ момент, но има известен ефект върху твърдостта на огъване на образеца.След запълване с гумен бетон, в сравнение с проби от празна стоманена тръба, способността за огъване и твърдостта на огъване се подобряват.
Поради добрите си сеизмични характеристики и висока носеща способност, традиционните стоманобетонни тръбни конструкции (CFST) са широко използвани в съвременната инженерна практика1,2,3.Като нов вид каучуков бетон, каучуковите частици се използват за частично заместване на естествените добавъчни материали.Конструкциите от стоманени тръби, пълни с гумен бетон (RuCFST) се формират чрез запълване на стоманени тръби с гумен бетон, за да се увеличи пластичността и енергийната ефективност на композитните конструкции4.Той не само се възползва от отличното представяне на членовете на CFST, но също така ефективно използва каучуковите отпадъци, което отговаря на нуждите за развитие на зелена кръгова икономика5,6.
През последните няколко години поведението на традиционните CFST членове при аксиално натоварване 7, 8, взаимодействие на аксиален товар-момент 9, 10, 11 и чисто огъване 12, 13, 14 беше интензивно проучено.Резултатите показват, че капацитетът на огъване, твърдостта, пластичността и капацитетът за разсейване на енергията на CFST колоните и гредите са подобрени чрез вътрешно запълване с бетон и показват добра пластичност на счупване.
Понастоящем някои изследователи са изследвали поведението и работата на RuCFST колони при комбинирани аксиални натоварвания.Liu и Liang15 извършиха няколко експеримента върху къси RuCFST колони и в сравнение с CFST колоните, носещият капацитет и твърдостта намаляват с увеличаване на степента на заместване на каучука и размера на гумените частици, докато пластичността се увеличава.Duarte4,16 тества няколко къси RuCFST колони и показа, че RuCFST колоните са по-пластични с увеличаване на съдържанието на каучук.Liang17 и Gao18 също съобщават за подобни резултати за свойствата на гладки и тънкостенни RuCFST тапи.Gu et al.19 и Jiang et al.20 изследваха носещата способност на елементите RuCFST при висока температура.Резултатите показват, че добавянето на каучук повишава пластичността на структурата.С повишаване на температурата носещата способност първоначално леко намалява.Patel21 анализира поведението на натиск и огъване на къси CFST греди и колони с кръгли краища при аксиално и едноосно натоварване.Изчислителното моделиране и параметричният анализ показват, че стратегиите за симулация, базирани на влакна, могат точно да изследват производителността на къси RCFST.Гъвкавостта се увеличава с аспектното съотношение, здравината на стоманата и бетона и намалява със съотношението дълбочина към дебелина.Като цяло късите RuCFST колони се държат подобно на CFST колоните и са по-пластични от CFST колоните.
Може да се види от горния преглед, че RuCFST колоните се подобряват след правилното използване на каучукови добавки в основния бетон на CFST колоните.Тъй като няма аксиално натоварване, огъването на мрежата се случва в единия край на гредата на колоната.Всъщност характеристиките на огъване на RuCFST са независими от характеристиките на аксиалното натоварване22.В практическото инженерство RuCFST структурите често са подложени на натоварвания от огъващ момент.Изследването на неговите чисти свойства на огъване помага да се определят деформациите и начините на повреда на RuCFST елементите при сеизмично въздействие23.За структурите RuCFST е необходимо да се изследват чистите свойства на огъване на RuCFST елементите.
В тази връзка бяха тествани шест проби за изследване на механичните свойства на чисто извити стоманени квадратни тръбни елементи.Останалата част от тази статия е организирана по следния начин.Първо бяха тествани шест екземпляра с квадратно сечение със или без гумен пълнеж.Наблюдавайте режима на отказ на всяка проба за резултатите от теста.Второ, беше анализирано представянето на RuCFST елементите при чисто огъване и беше обсъден ефектът от съотношението на срязване към обхват от 3-5 и коефициента на заместване на каучук от 10-20% върху структурните свойства на RuCFST.Накрая се сравняват разликите в товароносимостта и твърдостта на огъване между RuCFST елементите и традиционните CFST елементи.
Бяха завършени шест CFST екземпляра, четири запълнени с гумиран бетон, един запълнен с нормален бетон, а шестият беше празен.Обсъждат се ефектите на скоростта на промяна на каучука (r) и коефициента на срязване на обхвата (λ).Основните параметри на пробата са дадени в таблица 1. Буквата t означава дебелината на тръбата, B е дължината на страната на пробата, L е височината на пробата, Mue е измерената способност на огъване, Kie е началната коравина на огъване, Kse е коравина на огъване при експлоатация.сцена.
Образецът RuCFST беше произведен от четири стоманени плочи, заварени по двойки, за да образуват куха квадратна стоманена тръба, която след това беше напълнена с бетон.Стоманена плоча с дебелина 10 mm е заварена към всеки край на образеца.Механичните свойства на стоманата са показани в таблица 2. Съгласно китайския стандарт GB/T228-201024 якостта на опън (fu) и границата на провлачване (fy) на стоманена тръба се определят чрез стандартен метод за изпитване на опън.Резултатите от теста са съответно 260 MPa и 350 MPa.Модулът на еластичност (Es) е 176 GPa, а коефициентът на Поасон (ν) на стоманата е 0,3.
По време на изпитването кубичната якост на натиск (fcu) на еталонния бетон на 28-ия ден беше изчислена на 40 MPa.Съотношения 3, 4 и 5 бяха избрани въз основа на предишна препратка 25, тъй като това може да разкрие някакви проблеми с трансмисията.Две нива на замяна на каучук от 10% и 20% заместват пясъка в бетоновата смес.В това проучване е използван конвенционален каучуков прах за гуми от циментовия завод Tianyu (марка Tianyu в Китай).Размерът на частиците на каучука е 1-2 mm.Таблица 3 показва съотношението на гумен бетон и смеси.За всеки тип каучуков бетон бяха отлети три куба със страна 150 mm и втвърдени при условия на изпитване, предписани от стандартите.Пясъкът, използван в сместа, е силициев пясък, а едрият агрегат е карбонатна скала в град Шенянг, Североизточен Китай.28-дневната кубична якост на натиск (fcu), призматичната якост на натиск (fc') и модулът на еластичност (Ec) за различни коефициенти на замяна на каучук (10% и 20%) са показани в таблица 3. Приложете стандарта GB50081-201926.
Всички пробни образци се изпитват с хидравличен цилиндър със сила 600 kN.По време на натоварването две концентрирани сили се прилагат симетрично към стенда за изпитване на четири точки на огъване и след това се разпределят върху образеца.Деформацията се измерва с пет тензодатчика на всяка повърхност на пробата.Отклонението се наблюдава с помощта на три сензора за изместване, показани на фигури 1 и 2. 1 и 2.
Тестът използва система за предварително натоварване.Натоварете със скорост от 2kN/s, след това направете пауза при натоварване до 10kN, проверете дали инструментът и динамометричната клетка са в нормално работно състояние.В рамките на еластичната лента всяко увеличение на натоварването се прилага за по-малко от една десета от прогнозираното пиково натоварване.Когато стоманената тръба се износи, приложеното натоварване е по-малко от една петнадесета от прогнозираното пиково натоварване.Задръжте за около две минути след прилагане на всяко ниво на натоварване по време на фазата на натоварване.Когато пробата се приближи до повреда, скоростта на непрекъснато натоварване се забавя.Когато аксиалното натоварване достигне по-малко от 50% от крайното натоварване или се открие очевидна повреда върху образеца, натоварването се прекратява.
Разрушаването на всички тестови образци показа добра пластичност.Не бяха открити очевидни пукнатини на опън в зоната на опън на стоманената тръба на изпитваното парче.Типични видове повреди на стоманени тръби са показани на фиг.3. Като вземем проба SB1 като пример, в началния етап на натоварване, когато моментът на огъване е по-малък от 18 kN · m, пробата SB1 е в еластична фаза без очевидна деформация и скоростта на нарастване на измерения момент на огъване е по-голяма от скоростта на нарастване на кривината.Впоследствие стоманената тръба в зоната на опън се деформира и преминава в еластично-пластичен етап.Когато огъващият момент достигне около 26 kNm, зоната на компресия на стоманата със среден обхват започва да се разширява.Отокът се развива постепенно с увеличаване на натоварването.Кривата натоварване-деформация не намалява, докато товарът не достигне своята пикова точка.
След като експериментът приключи, проба SB1 (RuCFST) и проба SB5 (CFST) бяха изрязани, за да се наблюдава по-ясно режимът на разрушаване на основния бетон, както е показано на Фигура 4. Може да се види от Фигура 4, че пукнатините в пробата SB1 се разпределят равномерно и на рядко в основния бетон, като разстоянието между тях е от 10 до 15 cm.Разстоянието между пукнатините в образец SB5 е от 5 до 8 cm, пукнатините са неправилни и очевидни.В допълнение, пукнатините в проба SB5 се простират на около 90° от зоната на опън към зоната на натиск и се развиват до около 3/4 от височината на сечението.Основните бетонни пукнатини в проба SB1 са по-малки и по-редки, отколкото в проба SB5.Замяната на пясъка с гума може до известна степен да предотврати развитието на пукнатини в бетона.
На фиг.5 показва разпределението на деформацията по дължината на всеки образец.Плътната линия е кривата на отклонение на изпитваната част, а пунктираната линия е синусоидалната полувълна.От фиг.Фигура 5 показва, че кривата на отклонение на пръта е в добро съответствие със синусоидалната полувълнова крива при първоначално натоварване.С увеличаване на натоварването кривата на отклонение леко се отклонява от кривата на синусоидалната полувълна.Като правило, по време на натоварване, кривите на отклонение на всички проби във всяка точка на измерване са симетрична полусинусоидална крива.
Тъй като отклонението на RuCFST елементите при чисто огъване следва синусоидална полувълнова крива, уравнението на огъване може да се изрази като:
Когато максималното напрежение на влакното е 0,01, като се вземат предвид действителните условия на приложение, съответният момент на огъване се определя като максимален капацитет на момента на огъване на елемента27.Измереният капацитет на момента на огъване (Mue), определен по този начин, е показан в таблица 1. Съгласно измерения капацитет на момента на огъване (Mue) и формулата (3) за изчисляване на кривината (φ), кривата M-φ на фигура 6 може да бъде начертан.За M = 0,2Mue28 първоначалната коравина Kie се счита за съответната коравина при срязване при огъване.Когато M = 0,6Mue, твърдостта на огъване (Kse) на работния етап беше настроена на съответната секуща твърдост на огъване.
От кривата на кривината на огъващия момент може да се види, че огъващият момент и кривината нарастват значително линейно в еластичния етап.Скоростта на нарастване на огъващия момент е очевидно по-висока от тази на кривината.Когато моментът на огъване M е 0,2Mue, образецът достига етапа на еластична граница.С увеличаване на натоварването образецът се подлага на пластична деформация и преминава в еластопластичен стадий.При момент на огъване M, равен на 0,7-0,8 Mue, стоманената тръба ще се деформира последователно в зоната на напрежение и в зоната на компресия.В същото време кривата Mf на пробата започва да се проявява като инфлексна точка и расте нелинейно, което подобрява комбинирания ефект на стоманената тръба и гумено-бетонното ядро.Когато M е равно на Mue, образецът навлиза в етап на пластично втвърдяване, като деформацията и кривината на образеца бързо се увеличават, докато огъващият момент нараства бавно.
На фиг.7 показва кривите на огъващия момент (М) спрямо деформацията (ε) за всяка проба.Горната част на средния участък на пробата е под натиск, а долната част е под напрежение.Тензометри, маркирани с „1″ и „2″, са разположени в горната част на тестовото парче, тензометри, маркирани с „3″, са разположени в средата на образеца, а тензометри, маркирани с „4″ и „5″.” се намират под тестовия образец.Долната част на образеца е показана на фиг. 2. От фиг. 7 се вижда, че в началния етап на натоварване надлъжните деформации в зоната на опън и в зоната на натиск на елемента са много близки, а деформациите са приблизително линейни.В средната част има леко увеличение на надлъжната деформация, но величината на това увеличение е малка. Впоследствие гуменият бетон в зоната на опън се напука. Тъй като стоманената тръба в зоната на опън трябва само да издържи на силата и гуменият бетон и стоманената тръба в зоната на компресия поемат натоварването заедно, деформацията в зоната на опън на елемента е по-голяма от деформацията в С увеличаването на натоварването деформациите надвишават границата на провлачване на стоманата и стоманената тръба влиза еластопластичният етап. Скоростта на нарастване на деформацията на пробата беше значително по-висока от момента на огъване и пластичната зона започна да се развива до пълното напречно сечение.
M-um кривите за всяка проба са показани на фигура 8. На фиг.8, всички M-um криви следват същата тенденция като традиционните членове на CFST22,27.Във всеки случай кривите M-um показват еластичен отговор в началната фаза, последван от нееластично поведение с намаляваща коравина, докато постепенно се достигне максимално допустимият момент на огъване.Въпреки това, поради различни параметри на теста, кривите M-um са малко по-различни.Моментът на отклонение за съотношения на срязване към обхват от 3 до 5 е показан на фиг.8а.Допустимият капацитет на огъване на проба SB2 (коефициент на срязване λ = 4) е с 6,57% по-нисък от този на проба SB1 (λ = 5), а способността за огъващ момент на проба SB3 (λ = 3) е по-голяма от тази на проба SB2 (λ = 4) 3,76%.Най-общо казано, с увеличаване на съотношението на срязване към обхват, тенденцията на промяна в допустимия момент не е очевидна.Кривата M-um изглежда не е свързана със съотношението на срязване към обхват.Това е в съответствие с това, което Lu и Kennedy25 наблюдават за CFST греди със съотношения на срязване към обхват, вариращи от 1,03 до 5,05.Възможна причина за членовете на CFST е, че при различни съотношения на срязване на обхвата, механизмът за предаване на силата между бетонната сърцевина и стоманените тръби е почти същият, което не е толкова очевидно, колкото при стоманобетонните елементи25.
От фиг.8b показва, че носещата способност на проби SB4 (r = 10%) и SB1 (r = 20%) е малко по-висока или по-ниска от тази на традиционната проба CFST SB5 (r = 0) и е увеличена с 3,15 процента и намалена с 1,57 процента.Първоначалната коравина на огъване (Kie) на проби SB4 и SB1 обаче е значително по-висока от тази на проба SB5, които са съответно 19,03% и 18,11%.Коравината на огъване (Kse) на проби SB4 и SB1 в работна фаза е съответно с 8,16% и 7,53% по-висока от тази на проба SB5.Те показват, че скоростта на заместване на каучука има малък ефект върху способността за огъване, но има голям ефект върху твърдостта на огъване на образците RuCFST.Това може да се дължи на факта, че пластичността на каучуковия бетон в RuCFST пробите е по-висока от пластичността на естествения бетон в конвенционалните CFST проби.Като цяло напукването и пукнатините в естествения бетон започват да се разпространяват по-рано, отколкото в гумирания бетон29.От типичния режим на разрушаване на основния бетон (фиг. 4), пукнатините на проба SB5 (естествен бетон) са по-големи и по-плътни от тези на проба SB1 (каучуков бетон).Това може да допринесе за по-високото ограничение, осигурено от стоманените тръби за пробата от армиран бетон SB1 в сравнение с пробата от естествен бетон SB5.Проучването Durate16 също стига до подобни заключения.
От фиг.8c показва, че RuCFST елементът има по-добра способност за огъване и пластичност от кухия стоманен тръбен елемент.Якостта на огъване на проба SB1 от RuCFST (r=20%) е с 68,90% по-висока от тази на проба SB6 от празна стоманена тръба, а първоначалната коравина на огъване (Kie) и коравина на огъване на етапа на работа (Kse) на проба SB1 са съответно 40,52%., което е по-високо от пробата SB6, беше с 16,88% по-високо.Комбинираното действие на стоманената тръба и гумираната бетонна сърцевина увеличават капацитета на огъване и твърдостта на композитния елемент.RuCFST елементите показват образци с добра пластичност, когато са подложени на чисти натоварвания на огъване.
Получените моменти на огъване бяха сравнени с моментите на огъване, посочени в настоящите стандарти за проектиране, като японски правила AIJ (2008) 30, британски правила BS5400 (2005) 31, европейски правила EC4 (2005) 32 и китайски правила GB50936 (2014) 33. момент на огъване (Muc) към експерименталния огъващ момент (Mue) е даден в таблица 4 и представен на фиг.9. Изчислените стойности на AIJ (2008), BS5400 (2005) и GB50936 (2014) са съответно с 19%, 13,2% и 19,4% по-ниски от средните експериментални стойности.Моментът на огъване, изчислен от EC4 (2005), е 7% под средната тестова стойност, която е най-близката.
Механичните свойства на RuCFST елементи при чисто огъване са експериментално изследвани.Въз основа на изследването могат да се направят следните изводи.
Тестваните членове на RuCFST показаха поведение, подобно на традиционните CFST модели.С изключение на образците от празна стоманена тръба, образците RuCFST и CFST имат добра пластичност поради пълнежа от гумен бетон и бетон.
Съотношението на срязване към обхват варира от 3 до 5 с малък ефект върху изпитвания момент и коравина на огъване.Скоростта на смяна на каучука практически не оказва влияние върху устойчивостта на образеца на огъващ момент, но има известен ефект върху твърдостта на огъване на образеца.Първоначалната коравина на огъване на образеца SB1 с коефициент на заместване на каучук от 10% е с 19,03% по-висока от тази на традиционния образец CFST SB5.Еврокод EC4 (2005) позволява точна оценка на крайната способност на огъване на RuCFST елементи.Добавянето на каучук към основния бетон подобрява крехкостта на бетона, придавайки на конфуцианските елементи добра издръжливост.
Dean, FH, Chen, Yu.F., Yu, Yu.J., Wang, LP и Yu, ZV Комбинирано действие на стоманени тръбни колони с правоъгълно сечение, запълнени с бетон при напречно срязване.структура.Бетон 22, 726–740.https://doi.org/10.1002/suco.202000283 (2021).
Khan, LH, Ren, QX и Li, W. Изпитване на запълнена с бетон стоманена тръба (CFST) с наклонени, конични и къси STS колони.Й. Строителство.Стоманен резервоар 66, 1186–1195.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2010.03.014 (2010).
Meng, EC, Yu, YL, Zhang, XG & Su, YS Сеизмично изпитване и проучвания на индекса на ефективността на стени от рециклирани кухи блокове, запълнени с тръбна рамка от рециклирана инертна стомана.структура.Бетон 22, 1327–1342 https://doi.org/10.1002/suco.202000254 (2021).
Duarte, APK и др.Експеримент и дизайн на къси стоманени тръби, запълнени с гумен бетон.проект.структура.112, 274-286.https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.01.018 (2016).
Jah, S., Goyal, MK, Gupta, B., & Gupta, AK Нов анализ на риска от COVID 19 в Индия, като се вземат предвид климатичните и социално-икономически фактори.технологии.прогноза.общество.отворен.167, 120679 (2021).
Kumar, N., Punia, V., Gupta, B. & Goyal, MK Нова система за оценка на риска и устойчивост на изменението на климата на критична инфраструктура.технологии.прогноза.общество.отворен.165, 120532 (2021).
Liang, Q и Fragomeni, S. Нелинеен анализ на къси кръгли колони от запълнени с бетон стоманени тръби при аксиално натоварване.Й. Строителство.Стоманена резолюция 65, 2186–2196.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2009.06.015 (2009).
Ellobedi, E., Young, B. и Lam, D. Поведение на конвенционални и високоякостни запълнени с бетон кръгли колони, направени от плътни стоманени тръби.Й. Строителство.Стоманен резервоар 62, 706–715.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2005.11.002 (2006).
Huang, Y. и др.Експериментално изследване на характеристиките на ексцентричен натиск на високоякостни студеноформовани стоманобетонни правоъгълни тръбни колони.J. Huaqiao University (2019).
Yang, YF и Khan, LH Поведение на колони от къси стоманени тръби, пълни с бетон (CFST) при ексцентрична локална компресия.Тънкостенна конструкция.49, 379-395.https://doi.org/10.1016/j.tws.2010.09.024 (2011).
Chen, JB, Chan, TM, Su, RKL и Castro, JM Експериментална оценка на цикличните характеристики на стоманена тръбна гредова колона, запълнена с бетон с осмоъгълно напречно сечение.проект.структура.180, 544–560.https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.10.078 (2019).
Gunawardena, YKR, Aslani, F., Ui, B., Kang, WH и Hicks, S. Преглед на якостните характеристики на запълнени с бетон кръгли стоманени тръби при монотонно чисто огъване.Й. Строителство.Стоманен резервоар 158, 460–474.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.04.010 (2019).
Zanuy, C. Модел на опън на струна и твърдост на огъване на кръгли CFST при огъване.вътрешна J. Стоманена конструкция.19, 147-156.https://doi.org/10.1007/s13296-018-0096-9 (2019).
Лиу, Ю.H. и Li, L. Механични свойства на къси колони от гумено-бетонни квадратни стоманени тръби при аксиално натоварване.J. Североизток.Университет (2011).
Duarte, APK и др.Експериментални изследвания на гумен бетон с къси стоманени тръби при циклично натоварване [J] Състав.структура.136, 394-404.https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.10.015 (2016).
Liang, J., Chen, H., Huaying, WW и Chongfeng, HE Експериментално изследване на характеристиките на аксиално компресиране на кръгли стоманени тръби, пълни с гумен бетон.Бетон (2016).
Gao, K. и Zhou, J. Тест за аксиално натиск на квадратни тънкостенни стоманени тръбни колони.Вестник по технологии на университета Хубей.(2017).
Gu L, Jiang T, Liang J, Zhang G и Wang E. Експериментално изследване на къси правоъгълни стоманобетонни колони след излагане на висока температура.Бетон 362, 42–45 (2019).
Jiang, T., Liang, J., Zhang, G. и Wang, E. Експериментално изследване на кръгли стоманени тръбни колони, напълнени с гума-бетон, под аксиална компресия след излагане на висока температура.Бетон (2019).
Patel VI Изчисляване на едноосно натоварени къси стоманени тръбни греди-колони с кръгъл край, запълнени с бетон.проект.структура.205, 110098. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.110098 (2020).
Lu, H., Han, LH и Zhao, SL Анализ на поведението на огъване на кръгли тънкостенни стоманени тръби, напълнени с бетон.Тънкостенна конструкция.47, 346–358.https://doi.org/10.1016/j.tws.2008.07.004 (2009).
Abende R., Ahmad HS и Hunaiti Yu.M.Експериментално изследване на свойствата на стоманени тръби, запълнени с бетон, съдържащ гумен прах.Й. Строителство.Стоманен резервоар 122, 251–260.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.03.022 (2016).
GB/T 228. Метод за изпитване на опън при нормална температура за метални материали (China Architecture and Building Press, 2010).
Време на публикуване: 5 януари 2023 г