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Experimentelle Studie zur axialen Kompression für Verbundhohlsäulen aus Stahlfasern, hoch
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Experimentelle Studie zur axialen Kompression für Verbundhohlsäulen aus Stahlfasern, hoch

Aug 08, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12409 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Um die axiale Kompressionsleistung für Verbundhohlsäulen aus Stahlfasern, hochfestem Leichtbeton und Winkelstahl zu untersuchen, wurden die Axialdruckversuche an fünf Verbundhohlsäulen aus Stahlfasern, hochfestem Leichtbeton und Winkelstahl durchgeführt Stahl mit den Variationsparametern Hohlraumanteil (0 %, 15 %, 16 %, 32 % und 36 %) und der Form der Öffnung (rundes Loch und quadratisches Loch). Die Versagensphänomene und Versagensformen der Proben wurden beobachtet, ihre Spannungs-Dehnungs-Kurven gemessen und die Formel für die axiale Tragfähigkeit ermittelt, die für Verbundhohlsäulen aus Stahlfasern, hochfestem Leichtbeton und Winkelstahl geeignet ist. Aus den Testergebnissen können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: Die axiale Kompressionsleistung für Verbundhohlsäulen aus Winkelstahl wird stark vom Hohlraumverhältnis und der Öffnungsform beeinflusst. Die axiale Kompressionsleistung für Verbundhohlsäulen aus Stahlfasern, hochfestem Leichtbeton und Winkelstahl kommt bei niedrigem Hohlraumverhältnis fast der von Verbundmassivsäulen nahe; Je höher der Hohlraumanteil, desto mehr Risse treten an der Oberfläche des Betons auf, es treten einige Querrisse auf, die Spitzenlast nimmt um etwa 5–38 % ab und der Verformungsduktilitätskoeffizient steigt allmählich an; Der Verformungskoeffizient der Hohlsäule mit rundem Loch ist niedriger als der der Hohlsäule mit quadratischem Loch. Basierend auf dem Test wird die Finite-Elemente-Software ABAQUS zur Simulation der SCAH-Säule verwendet. Die Richtigkeit des Modells wird durch den Vergleich zwischen den numerischen Simulationsergebnissen und den Testergebnissen überprüft. Gleichzeitig werden das Spannungsnephogramm von Beton und Stahl in verschiedenen Stadien und das Spannungsnephogramm im Beton-Zustandszustand simuliert. Basierend auf den Ergebnissen der Finite-Elemente-Simulation wird das Mander-Modell zur Berechnung der axialen Drucktragfähigkeit einer Verbundhohlsäule aus Winkelstahl verwendet. Es kann eine hohe Berechnungsgenauigkeit und eine Popularisierung erreicht werden.

Mit der Entwicklung von Hochhäusern und weitgespannten Gebäuden wird das strukturelle Gewicht von Gebäuden immer größer. Die Forschung zeigt, dass die Reduzierung des Eigengewichts von Gebäuden die Auswirkungen starker Erdbeben auf Gebäude, die Materialmenge und die Projektkosten erheblich reduzieren kann, um so nachhaltige ökologische, ökonomische und ökologische, soziale Vorteile zu erzielen1,2. Einerseits soll der Hochleistungsbeton dazu dienen, das Eigengewicht des Gebäudes zu minimieren. Durch den Ersatz des Normalbetons durch hochfesten Leichtbeton der gleichen Festigkeitsklasse3,4,5 kann die Struktur effektiv verkleinert werden. Allerdings nimmt die Sprödigkeit von Beton mit der allmählichen Erhöhung des Festigkeitsgrads von hochfestem Leichtbeton deutlich zu6. Es zeigt sich, dass die Rissbeständigkeit, der Energieverbrauch der Duktilität und die Sprödigkeit wirksam verbessert werden können, indem dem Leichtbeton Stahlfasern zugesetzt werden7. Andererseits geht es darum, die Strukturform zu optimieren und den Balkensäulenquerschnitt zu verändern. Es wurde festgestellt, dass die Hohlsäule mit Löchern im Säulenabschnitt das Eigengewicht der Struktur wirksam reduzieren kann8,9. Die Hohlsäule wird aufgrund ihres geringen Eigengewichts, ihrer hohen Biegefestigkeit und Torsionssteifigkeit häufig in Gebäudestrukturen und Pfeilern eingesetzt.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler aus dem In- und Ausland eine Reihe von Untersuchungen zur axialen Kompressionsleistung von Hohlsäulen über die Änderungen des Hohlraumverhältnisses und der Querschnittsform durchgeführt. Bezüglich der Änderung des Hohlraumverhältnisses untersuchten Han et al.10,11 die axiale Kompressionsleistung von Hohlsäulen aus Stahlbeton und stellten fest, dass die Tragfähigkeit, Duktilität und Verformungsfähigkeit von Hohlsäulen aus Stahlbeton schlecht waren. Al-Gasham et al.12 untersuchten die axiale Kompressionsleistung von Hohlsäulen aus selbstverdichtendem Beton mit einem Hohlraumverhältnis von 0,0 %, 2,3 %, 9,0 % und 20,3 % und stellten fest, dass die Endlast, Steifigkeit und Zähigkeit von selbstverdichtendem Beton ausschlaggebend sind Hohlsäulen waren niedriger als die von Massivsäulen, während die Duktilität höher war als die von Massivsäulen. In Bezug auf die Änderung der Querschnittsform von Stahlbetonstützen konzentrierten sich Liang et al.13,14 auf die Erforschung und Untersuchung der Rückhaltewirkung von massiven Stahlbetonstützen mit kreisförmigen und quadratischen Querschnitten sowie von hohlen Stahlbetonstützen mit Außenkreis- und Innenkreisabschnitten , äußere quadratische und innere quadratische Abschnitte unter axialer Druckbelastung. Es wurde festgestellt, dass die Rückhaltewirkung der Bewehrung in Vollsäulen und Hohlsäulen auf die Betonverformung in hohem Maße unterschiedlich war, und die Rückhaltewirkung der Bewehrung in Hohlsäulen aus Beton im Außenkreis und Innenkreis, im Außenquadrat und im Innenquadrat war ebenfalls unterschiedlich. und der Unterschied wurde durch die Änderung der Betonausdehnung und der Begrenzungsdruckverteilung im Querschnitt verursacht. Zusammenfassend können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden, dass das Eigengewicht der Struktur verringert und die Duktilität der Struktur durch die Erhöhung des Hohlraumanteils effektiv erhöht werden kann, während die Tragfähigkeit verringert wird und die Rückhaltewirkung der Struktur verringert wird Die Bewehrung auf Beton ist aufgrund unterschiedlicher Öffnungsmethoden unterschiedlich.

Darüber hinaus konnte durch die Forschung festgestellt werden, dass die Verbundsäule aus Winkelstahlbeton im Vergleich zu Stahlbetonsäulen mit verschiedenen Querschnittstypen die Vorteile einer hohen Tragfähigkeit, einer guten Duktilität und einer praktischen Konstruktion aufweist15, was die axiale Kompression verbessern kann Leistung von Hohlsäulen aus Stahlbeton. Hwang et al.16 untersuchten die axiale Kompressionsleistung der eingebauten Winkelstahl-Verbundsäule und stellten fest, dass die axiale Tragfähigkeit und Verformungsfähigkeit der Testsäule gut waren und im Kernbereich ausreichende seitliche Beschränkungen für den Beton gebildet wurden der Winkelstahl und die geschweißten Bügel. Kim et al.17 untersuchten die Tragfähigkeit von eingebautem Winkelstahl und hochfester Betonsäule und stellten fest, dass die eingebaute Winkelstahl- und hochfeste Betonsäule immer noch ausgestattet war, wenn der Beitrag und die Rückhalteeffizienz von Stahl hoch waren mit großer Tragfähigkeit nach dem Abziehen der Schutzschicht, da die Festigkeit des Betons im Kernbereich nach dem Nachgeben des Winkelstahls unverändert blieb. Auf dieser Grundlage zielt das Papier darauf ab, eine höhere Tragfähigkeit, Verformungsleistung und eine bessere Duktilität der Verbundhohlsäule aus Stahlfasern, hochfestem Leichtbeton und Winkelstahl zu erreichen, um das Eigengewicht der Struktur zu reduzieren und zu verbessern Verbesserung der Leistung von Hohlstützen aus Stahlbeton durch Ersetzen des gewöhnlichen Betons durch Stahlfaser- und hochfesten Leichtbeton sowie durch Ersetzen der Längsbewehrung und des Bügels durch Winkelstahl bzw. Lattenblech.

P·O 42,5 Zement. Die Anwendbarkeit ist in Tabelle 1 ersichtlich.

Flugasche der Klasse I, Glühverlust beträgt 0,6 %, Wassergehalt 0,52 %, Wasserbedarfsverhältnis 95 %.

Mikrosilikapulver, Glühverlust beträgt 3,7 %, SiO2-Gehalt beträgt 97,1 %, Wassergehalt beträgt 0,5 %, Wasserbedarfsverhältnis beträgt 120 %.

Flusssand, die Partikelklassierung ist mittlerer Sand der Zone II und der Feinheitsmodul beträgt 2,7.

Schotter-Schiefer-Ceramsit, Partikelgröße 5–10 mm, Schüttdichte 1015 kg/m3, Zylinderdruckfestigkeit 17,7 MPa und 1-Stunden-Wasseraufnahme 8,1 %, wie in Abb. 1 dargestellt.

Grobes Aggregat.

Winkelstahl und Flachstahl der Güteklasse Q235. Die Materialeigenschaften des Stahls werden gemäß der Norm ASTM E-8 geprüft. Die Leistungsparameter sind in Tabelle 2 ersichtlich.

Endhaken-Stahlfaser, Länge 13 mm, Zugfestigkeit 1070 MPa und Elastizitätsmodul 2 × 105 MPa, wie in Abb. 2 dargestellt.

Stahlfaser.

Hocheffizientes Wasserreduktionsmittel Naphthalin B2, Wasserreduktionsrate beträgt 19 %.

Es wurde festgestellt, dass hochfester Leichtbeton gute strukturelle Vorteile bietet18, weshalb er in praktischen Projekten häufig verwendet wird, während es einige relevante Studien zur Anwendung von Stahlbetonstützen gibt19. Daher wird für den Test in der Arbeit der hochfeste Leichtbeton mit der Festigkeitsklasse LC60 verwendet, und das Mischungsverhältnis ist in Tabelle 3 dargestellt. Die axiale Drucktragfähigkeit der Probe wird durch die Zugabe der Stahlfasern geringfügig beeinflusst in hochfesten Leichtbeton mit einer dreidimensionalen Zufallsverteilung20, wodurch die Gesamtleistung der Prüfsäule wirksam verbessert und der Abplatzgrad der Betonschutzschicht verringert werden kann. Unter Berücksichtigung der Verarbeitbarkeit von Beton werden in dem Papier dem hochfesten Leichtbeton Stahlfasern in einer Menge von 39 kg/m3 zugesetzt.

Die Forschungsergebnisse von Ji et al.21 zeigen, dass das Hohlraumverhältnis einen großen Einfluss auf die mechanische Leistung von Hohlsäulen hat. In der praktischen Anwendung kann die Kontrolle des Hohlraumanteils innerhalb von 36 % die Sicherheit der Mitglieder gewährleisten. Die Forschungsergebnisse von Al-Gasham et al.22 zeigen, dass der Hohlraumanteil von selbstverdichtenden Betonhohlsäulen mit Außenquadrat und Innenkreis von 0 auf 25,8 % ansteigt, die Festigkeit und Steifigkeit der Testsäulen abnimmt, während die Duktilität leicht zunimmt. Die Forschungsergebnisse von Al-Ajarmeh et al.23,24,25 zeigen, dass die Festigkeit und Duktilität von Hohlsäulen aus GFK-Stahlbeton höher sind als die von Hohlsäulen aus Stahlbeton. Bei entsprechender Parameterauslegung ist die Tragfähigkeit von Hohlsäulen aus GFK-Stahlbeton höher als die von Vollsäulen aus GFK-Stahlbeton. In Anbetracht der Tatsache, dass das kleinere Hohlraumverhältnis einen geringfügigen Einfluss auf die Gewichtsreduzierung von Hohlsäulen hat, die Konstruktionsschwierigkeiten steigen und die Tragfähigkeit und Duktilität von Hohlsäulen bei einem größeren Hohlraumverhältnis stark reduziert werden, wird das Hohlraumverhältnis in diesem Test mit 0 angenommen , 15 %, 16 %, 32 % und 36 %.

Es wurden fünf SCAH-Säulenproben hergestellt. Die Querschnittsabmessungen der Säule betragen 250 × 250 mm, der Hohldurchmesser des runden Lochs beträgt 110 mm bzw. 160 mm, die Hohlseitenlänge des quadratischen Lochs beträgt 100 mm bzw. 150 mm und die Dicke der Schutzschicht beträgt 20 mm. Der Winkelstahl besteht aus Q235-Stahl mit einer Seitenlänge von 30 mm und einer Dicke von 4 mm; Die Latte besteht aus Q235-Flachstahl mit einer Dicke von 6 mm, einem Abstand von 150 mm und einer Höhe von 750 mm. Der Querschnitt ist in Abb. 3 dargestellt, und die spezifischen Parameter sind in Tabelle 4 aufgeführt. (In der Probennummer steht S für Stahlfaser, C für Beton, A für Winkelstahlbetonsäule und die folgende Zahl ist die Zahl) .

Querschnitt der Testsäule (Sketch up 2019 https://www.sketchup.com/).

Für den Belastungstest wird eine 5000-kN-Hydraulikprüfmaschine verwendet. Gemäß dem Concrete Structure Test Method Standard (GB/T50152-201226) wird im Test die Methode der Kraftsteuerung zur schrittweisen Belastung verwendet. Zu Beginn des Ladens beträgt die Last jeder Ebene 1/10 der geschätzten Pu (Pu stellt die Spitzenlast dar) und die Last wird 2 Minuten lang aufrechterhalten; Wenn die Last den geschätzten Wert von 0,8 Pu erreicht, beträgt die Last jeder Stufe 1/20 des geschätzten Pu und die Last wird 2 Minuten lang gehalten; Wenn der Lastabfallbereich nahe bei 0,6 Pu liegt, wird er kontinuierlich und langsam belastet, bis die Probe endgültig beschädigt ist und die Belastung gestoppt wird. Abbildung 4 zeigt die Anordnung von Belastungseinrichtung, Wegmesser und Beton-DMS auf der Oberfläche des Prüflings, und Abbildung 5 zeigt die Anordnung von Winkelstahl und Lattenplatten-DMS.

Ladegerät (Sketch up 2019 https://www.sketchup.com/).

Aufbau der Dehnungsmessstreifen aus Stahl (Rivet 2018 http://www.chinarevit.com/).

Im Anfangsstadium der Belastung befindet sich die Probe im elastischen Stadium, der Beton wird in Längsrichtung komprimiert, ohne dass an seiner Außenfläche ein Riss erkennbar ist. Wenn die Last etwa 0,3 Pu–0,6 Pu der Spitzenlast erreicht, beginnen am Ende des Zylinders einige schmale und kurze vertikale Risse zu erscheinen; Mit der allmählichen Erhöhung der Belastungsfestigkeit nimmt auch die Anzahl der Längsrisse zu, während sich die Risse langsam bis zur Mitte der Probe ausdehnen und die Breite und Tiefe der Risse unter der Beschränkung und Behinderung durch die Lattenplatte allmählich zunimmt; Die Belastung erreicht etwa 0,6 Pu − 0,8 Pu der Spitzenlast, und an der Oberfläche der Säule treten nacheinander Knistergeräusche und Hautsprengungen auf; Nachdem die Last die Spitzenlast erreicht hat, entstehen die durchgehenden Längsspaltrisse und Querrisse schnell mit einer für das bloße Auge sichtbaren Geschwindigkeit auf der Stützenoberfläche; die Beladung wird fortgesetzt. Bei einer Belastungsreduzierung auf 0,6 Pu der Spitzenlast knickt der Winkelstahl aller Proben deutlich ein, einige Lattenplatten wölben sich nach außen und der Beton wird unterschiedlich stark zerkleinert und geschädigt. An der Ecke des Säulenbodens werden einige Betone zerkleinert und abgeschält, und die Beladung wird gestoppt. Der typische Versagensmodus der Proben ist in Abb. 6 dargestellt. Aus der Abbildung lässt sich Folgendes ableiten: (1) Es wurde festgestellt, dass der Beton von Proben mit runden Löchern auf 1/3 oder 2/3 der Säule ernsthaft beschädigt ist Bei einer großen Querrissbreite und der Trennung von Winkelstahl und Beton durch den Vergleich der Versagensphänomene von Rundloch- und Vierkantlochproben kommt es aufgrund der Brückenwirkung der inneren Stahlfasern zu keinem Ablösen, und das Versagensphänomen tritt innerhalb des Rundlochs auf nicht offensichtlich; Die Probe mit dem quadratischen Loch weist deutlich geneigte Längsspaltrisse am Boden der Säule auf, ein Teil des Betons am Boden ist zerkleinert und abgeblättert, und die Beschädigungsspuren am Boden und an der Ecke im Inneren des quadratischen Lochs sind offensichtlich. Der Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass sich an der Innenwand des kreisförmigen Lochs ein Bogeneffekt bildet, der die Gesamtbeanspruchung der Wand des kreisförmigen Lochs gleichmäßiger macht und den Beton stützt. Die Spannungskonzentration an den Kanten und Ecken der Quadratlochsäule ist offensichtlich, was durch die ungleichmäßige Spannung an der Innenwand der Quadratlochsäule verursacht wird.

Typische Fehlermodi von Proben (Adobe Photoshop 2020 https://www.adobe.com/products/photoshop.html).

Mit der Erhöhung des Hohlraumverhältniskoeffizienten der Hohlsäule wird der Schadensgrad der Außenfläche der Hohlsäule mit kreisförmigem Loch abgeschwächt und der beschädigte Abschnitt sinkt von 2/3 auf 1/3. Dies liegt daran, dass die Wandstärke mit zunehmendem Hohlraumverhältnis allmählich abnimmt. Im späteren Belastungsstadium ist die Spannungsverteilung des Abschnitts ungleichmäßig und die Querdehnung in der Mitte der vier Seiten der Hohlsäule wird allmählich größer als die Eckdehnung. Die Querausdehnung des Betons wird mit zunehmender Belastung immer deutlicher, die Ungleichmäßigkeit der gesamten Kraft der Hohlsäule wird verstärkt, was zur Zerstörung des Abschnitts in der Nähe des Belastungsendes führt; Die Öffnungsform ist eine hohle Säule mit quadratischen Löchern, und das Schadensphänomen entspricht im Wesentlichen dem Schadensgrad.

Die Belastung am Ende der Hohlsäule ist sehr gering, sodass der Schaden am Ende des Betons relativ schwerwiegend ist. Laut dem durch Finite-Elemente simulierten Spannungsnephogramm ist die Spannung am Ende des Betons konzentrierter, es ist zu erkennen, dass die Anzahl und Breite der Risse am Ende der Probe zunimmt und sich weiter bis zur Mitte des Betons erstreckt Probe. Allerdings ist die Endbefestigung der massiven Betonsäule gut und die Proben werden hauptsächlich in der Mitte zerstört.

Die Last-Verformungs-Kurve der Probe ist in Abb. 7 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass im Anfangsstadium der Lasteinwirkung eine lineare Beziehung zwischen ihnen besteht und die Verformung der Probe mit zunehmender Last zunimmt . Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Probe im elastischen Stadium. Mit der kontinuierlichen Zunahme der Last beginnt die Steigung der Lastverformungskurve der Probe abzunehmen, und die Zunahmerate der Verformung ist allmählich größer als die der Last. In diesem Moment kommt es in Beton und Stahl zu unterschiedlich starken plastischen Verformungen, bis die Spitzenlast erreicht ist. Im Vergleich zu 5 (a) und 5 (b) in der obigen Abbildung ist zu erkennen, dass die Ausbeute und die Spitzenlast der Probe zusammen mit der Erhöhung des Hohlraumanteils deutlich reduziert werden; Bei den Proben mit kleinem Hohlraumverhältnis (wie SCAH-2 und SCAH-4) ähnelt die Hohlsäule mit rundem Loch und quadratischem Loch der Vollsäule im ansteigenden Abschnitt der Kurve und der Spitzenlast der Hohlsäule mit quadratischem Loch liegt näher an der massiven Säule; Im absteigenden Abschnitt der Kurve ähneln die Proben von Hohlsäulen mit quadratischen Löchern denen von Vollsäulen. Der abfallende Abschnitt der Kurve ist sanft und die Tragfähigkeit nimmt langsam ab, und die günstige Duktilität zeigt sich. Die Duktilität von Hohlsäulen mit quadratischen Löchern ist etwas besser als die von Vollsäulen; Der abfallende Abschnitt der Kurve der Rundlochprobe ist steil, die Tragfähigkeit nimmt schnell ab und es zeigt sich eine schlechte Duktilität. Bei Proben mit großem Hohlraumanteil (wie SCAH-3 und SCAH-5) werden die Ausbeute und die Spitzenlast der Proben erheblich reduziert. Die Spitzenlast der Proben mit runden Löchern ist höher als die der Proben mit quadratischen Löchern, und die endgültige Verformungsleistung der Proben mit quadratischen Löchern ist deutlich besser als die der Proben mit runden Löchern. Der Vergleich der Kurven zeigt, dass die Widerstandsfähigkeit gegen plastische Verformung von Hohlsäulen mit quadratischen Löchern besser ist als die von Hohlsäulen mit kreisförmigen Löchern; Unter der Bedingung eines kleinen Hohlraumanteils ist sogar die Streckgrenze der hohlen Betonsäule SCAH-4 höher als die der massiven Betonsäule SCAH-1, was darauf hindeutet, dass der kleine Hohlraumanteil keine allzu großen negativen Auswirkungen auf die axiale Drucktragfähigkeit hat aus Hohlsäule. Die Testergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Axiallast-Längsverformungskurven aller Proben (Ursprung 2019b https://www.originlab.com/).

Die Last-Winkelstahl-Längsdehnungskurve (P-ε) der Probe ist in Abb. 8 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Winkelstahl jeder Probe im ansteigenden Lastabschnitt die Streckgrenze (Streckgrenze) erreicht hat ε Y beträgt 2,037 × 10–3). Bevor der Längswinkelstahl die Streckgrenze erreicht, nimmt die Dehnung des Längswinkelstahls mit zunehmendem Hohlraumverhältnis bei gleicher Belastung allmählich zu. Aufgrund des offensichtlichen Eckeffekts der Innenwand der Hohlsäule mit quadratischem Loch wird die Längssteifigkeit der Hohlsäule aus hochfestem Leichtbeton geschwächt, so dass die Längswinkelstahldehnung der Hohlsäule mit quadratischem Loch größer ist als das der Rundloch-Hohlsäule mit dem gleichen Hohlraumanteil.

Typische axiale Last-Dehnungs-Kurven (Ursprung 2019b https://www.originlab.com/).

Die Last-Beton-Quer- und Längsdehnungskurven der Probe (die linke Seite der Koordinate ist die Längsdehnung des Betons und die rechte Seite ist die Querdehnung des Betons) sind in Abb. 9 dargestellt. Es ist zu sehen Aus der Abbildung geht hervor, dass die Querdehnungsentwicklung einer massiven Säule ausreichender ist als die einer Hohlsäule und die Form der Öffnung kaum einen Einfluss auf die Dehnungsentwicklung der Probe hat. Vor Erreichen der Spitzenlast ist die Querdehnungsentwicklung von Hohlsäulen bei unterschiedlichen Hohlraumverhältnissen grundsätzlich gleich, während die Längsdehnung recht unterschiedlich ist; Bei gleicher Axiallast ist die Längsdehnung der Hohlsäule deutlich größer als die Querdehnung; Unter der Bedingung des gleichen Hohlraumverhältnisses unterscheidet sich die Längsgrenzdehnung einer Hohlsäule mit quadratischem Loch deutlich von der einer Vollsäule, während die Längsgrenzdehnung einer Hohlsäule mit kreisförmigem Loch etwas niedriger ist als die einer Vollsäule, was darauf hindeutet Die hohle Säule mit kreisförmigem Loch wird im Material besser ausgenutzt.

Druckspannungs-Oberflächen-Dehnungskurven von Beton (Ursprung 2019b https://www.originlab.com/).

Das Verhältnis von Grenzverformung und Streckverformung wird als Deformationsduktilitätskoeffizient definiert, die Verformung, die 0,85 pu im absteigenden Abschnitt der Last-Verformungskurve entspricht, wird als Grenzverformung genommen und die Streckverformung der Probe wird durch bestimmt Wie in Abb. 10 dargestellt, ist aus Tabelle 5 ersichtlich, dass der Duktilitätskoeffizient mit der Erhöhung des Hohlraumanteils allmählich zunimmt. Bei gleichem Hohlraumverhältnis ist der Duktilitätskoeffizient einer Hohlsäule mit quadratischem Loch etwas höher als der einer Hohlsäule mit rundem Loch. Im Großen und Ganzen ist die Sprödigkeit der Probe relativ groß und sie ist anfällig für sprödes Versagen; Durch den Vergleich der Duktilität von Vollsäulen und Hohlsäulen lässt sich erkennen, dass der Duktilitätskoeffizient von Hohlsäulen mit quadratischem Loch höher ist als der von Vollsäulen. Dies liegt daran, dass sich der Beton einer Hohlsäule unter der Wirkung des axialen Drucks bis zum Innenspalt ausdehnt, sodass die Längsverformung der Hohlsäule bei gleicher Belastung größer ist als die der Vollsäule. Es ist ersichtlich, dass ein geeignetes Hohlraumverhältnis von Vorteil ist, um die Widerstandsfähigkeit der Hohlsäule gegenüber plastischer Verformung zu verbessern.

Äquivalente elastoplastische Energiemethode (Visio 2019 https://www.microsoftstore.com.cn/software/office/visio-standard-2021).

Der hochfeste Leichtbeton wird aus dem vollständigen Spannungs-Dehnungs-Kurventest (wie in Abb. 11 dargestellt) an der prismatischen Probe von 150 × 150 × 300 mm erhalten und mit einem konkreten plastischen Schadensmodell simuliert.

Spannungs-Dehnungs-Kurve (Ursprung 2019b https://www.originlab.com/).

Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung von Stahl übernimmt das in ABAQUS bereitgestellte ideale elastisch-plastische Modell (Abb. 12) und erfüllt das von Mises-Fließkriterium, wie in den Gleichungen gezeigt. (1) und (2).

Ideales elastoplastisches Modell (Microsoft PowerPoint 2019 https://www.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/powerpoint).

In der Formel: \(\sigma_{s}\), \(\varepsilon_{s}\) und \(E_{s}\) stellen die Spannung, die Dehnung bzw. den Elastizitätsmodul von Stahl dar; \(f_{y}\) stellt die Streckgrenze von Stahl dar; \(\varepsilon_{y}\) stellt die der Streckgrenze entsprechende Streckgrenze dar.

Das Finite-Elemente-Analysemodell der SCAH-Säule wird mithilfe der ABAQUS-Software erstellt. Hochfester Leichtbeton, Stahlgrundplatte und Winkelstahlskelett werden durch das auf acht Knoten reduzierte integrale dreidimensionale Volumenelement C3D8R simuliert. Winkelstahl und Lattenplatte werden als Winkelstahlskelett kombiniert. Das Winkelstahlskelett wird in den Beton eingebaut, Beton und Stahlgrundplatte werden gebunden und verbunden. Die Oberseite des Stahlkissenblocks ist als Mittelpunkt gekoppelt. Die axiale Verschiebungslaststeuerung wird für die Finite-Elemente-Simulation verwendet, und die vertikale Verschiebung wird am Kopplungspunkt der Oberseite des Stahlkissenblocks angewendet. Der Betonboden wird vollständig befestigt, wie in Abb. 13 dargestellt.

Belastungen und Randbedingungen (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Durch die Analyse der Maschenempfindlichkeit in der frühen Phase der Finite-Elemente-Simulation kann festgestellt werden, dass bei einer Betonmaschenweite von 12,5 mm die Berechnungsgenauigkeit der Finite-Elemente-Simulation weniger beeinträchtigt wird, wenn die Maschenweite weiter verringert wird die Berechnungszeit erhöht sich weiter. Gleichzeitig kann durch die Annahme eines Betongitters von 12,5 die Verwendung des C3D8R-Elements zur Simulation des Sanduhrmodus von Beton vermieden werden, wodurch sichergestellt wird, dass die Probe mit dem größten Hohlraumverhältnis entlang der Dickenrichtung in mindestens 4 Elemente unterteilt wird. Die Maschenweite von Winkelstahlkäfig und Stahlgrundplatte beträgt 25 mm. Vor der Gittererzeugung sollten die unregelmäßigen Teile in strukturierte Gitter unterteilt werden. Die Maschenaufteilung von Beton, Grundplatte und Winkelstahlgerüst ist in den Abbildungen zu erkennen. 14 und 15.

Rasteraufteilung von Beton und Grundplatte (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Maschenteilung eines Winkelstahlkäfigs (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Die Spannungsverteilung des Beton- und Winkelstahlskeletts der oben genannten fünf SCAH-Säulen während des gesamten Belastungsprozesses wird analysiert. Um die Analyse zu erleichtern, wird die Last-Längsverformungskurve der Probe in drei Stufen unterteilt (siehe Abb. 16): elastischer Abschnitt (OA), in dem die lineare Beziehung zwischen der Last und der Längsverformung der Probe besteht; Elastisch-plastischer Abschnitt (AB), in dem die plastische Verformung im Beton und Stahl auftritt, das Lastwachstum der Probe im Stadium geringer ist als das der Längsverformung, die Kurve ist leicht konvex, die Steigung nimmt allmählich ab und ist am Ende Die Tragfähigkeit des Probekörpers ist am Punkt B erreicht. Absteigender Abschnitt (BC), wo die Kurve nach Erreichen des Scheitelpunkts in den absteigenden Abschnitt übergeht.

Typische Last-Längsverformungskurve (Microsoft PowerPoint 2019 https://www.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/powerpoint).

Die Finite-Elemente-Simulation wird an fünf Proben gemäß der oben genannten Methode durchgeführt und die Korrektheit des Finite-Elemente-Modells anhand der Last-Längsverformungskurve überprüft. Aus Abb. 17 ist ersichtlich, dass die Testergebnisse der Proben gut mit den Ergebnissen der Finite-Elemente-Simulation übereinstimmen und der Fehler der Spitzenlast etwa 10 % beträgt.

Verifizierung des Finite-Elemente-Modells (Origin 2019b https://www.originlab.com/).

Die Längsspannung (S33) stellt die Spannung in der z-Achse dar. Der positive Wert ist die Zugspannung und der negative Wert die Druckspannung. Aus Abb. 18 ist ersichtlich, dass sich der Beton am Punkt A im elastischen Stadium befindet, die Betondruckspannung an der Lattenplatte ist geringer als die zwischen den Lattenplatten, bei der die Betondruckspannung an der Lattenplatte etwa − beträgt Die Betondruckspannung zwischen den Lattenplatten beträgt ca. 6 bis − 13 MPa, die Betondruckspannung zwischen den Lattenplatten beträgt etwa − 13 bis − 20 MPa und die Betondruckspannung ist offensichtlich geringer als ihre axiale Druckfestigkeit.

Wolkendiagramm der Längsspannung von Beton am Punkt A (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Aus Abb. 19 ist ersichtlich, dass der Beton mit zunehmender Last zwischen Punkt A und Punkt B das plastische Stadium überschreitet, wo sich die Plastizität zu entwickeln beginnt und er sich im elastisch-plastischen Stadium befindet. Die maximale Druckspannung im Betonkernbereich ist für die Probe mit kleinem Hohlraumanteil am Punkt B deutlich erhöht, wo die axiale Druckfestigkeit −60 MPa mit einem Anstieg von etwa 25 % erreicht; Bei den Proben mit großem Hohlraumanteil steigt die maximale Druckspannung im Betonkernbereich im Vergleich zu Punkt A leicht an und die Betondruckspannung steigt auf − 26 bis − 36 MPa. Die maximale Druckspannung der SCAH-1-Säule ist in der Nähe des Kernbetons des mittleren Abschnitts der Probe verteilt, die maximale Druckspannung der SCAH-2-Säule ist in der Nähe der Innenwand des Betons auf der Höhe des dritten Punktes verteilt Probe (mit Ausnahme des Mittelteils) und die maximale Druckspannung der SCAH-4-Säule wird in der Nähe der Ecke des quadratischen Betonlochs auf der Höhe des vierten Punktes der Probe verteilt.

Wolkendiagramm der Längsspannung von Beton am Punkt B (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Aus Abb. 20 ist ersichtlich, dass es zwischen Punkt B und Punkt C einen absteigenden Abschnitt gibt. Die Druckspannung an der Außenfläche des Betons der Probe ist gering (etwa – 6 bis – 13 MPa) und sogar eine geringe Zugspannung Spannung (0–8 MPa) tritt zusammen mit der Zunahme der vertikalen Verformung auf. Die maximale Druckspannung der SCAH-1-Säule verteilt sich in der Nähe des Kernbetons im mittleren Abschnitt der Probe, und die Druckspannung des Kernbetons ist am größten (ca. – 50 MPa). Die Druckspannungsverteilung von Beton in der Nähe des kreisförmigen Lochs im Mittelteil der Hohlsäule mit kreisförmigem Loch ist relativ gleichmäßig und liegt bei etwa −20 bis −30 MPa. Die Betondruckspannung an der Ecke des quadratischen Lochs ist größer als in der Nähe der Mitte der Seite des quadratischen Lochs. Insbesondere ist die Betonspannungskonzentration an der Ecke des Abschnitts in der SCAH-4-Probe mit einem Wert von etwa − 50 MPa offensichtlich.

Wolkendiagramm der Längsspannung von Beton am Punkt C (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Von Mises-Stress ist die vierte Stärketheorie (wie Gleichung (3)). Nach dem Prinzip der Energieerhaltung wird beurteilt, ob das Material nachgibt. Ebenso wird die Spannung des Winkelstahlskeletts in drei Stufen unterteilt (wie in den Abb. 21, 22, 23 dargestellt): In der elastischen Stufe (OA) ist die Mises-Spannung des Winkelstahls deutlich größer als die der Lattenplatte, und die Mises-Spannung von Winkelstahl beträgt weniger als 300 MPa, erreicht aber nicht die Streckgrenze; Gleichzeitig ist die Spannung des Winkelstahls zwischen den beiden Latten deutlich größer als die an der Latte, und die Mises-Spannung in der Nähe der Latte in der Nähe des Winkelstahls ist deutlich größer als die in der Nähe der Lattenmitte.

Mises-Wolkendiagramm eines Winkelstahlskeletts am Punkt a (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Mises-Wolkendiagramm eines Winkelstahlrahmens am Punkt B. (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Mises-Wolkendiagramm eines Winkelstahlrahmens am Punkt C (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Mit zunehmender Last geht die Probe in das elastisch-plastische Stadium (AB) über und die Streckgrenze (328 MPa) wird über die gesamte Länge des Winkelstahls erreicht, während die Lattenspannung etwa 160–300 MPa beträgt das Nichterreichen der Streckgrenze. Zu diesem Zeitpunkt ist die Mises-Spannung der mittleren Latte der Probe deutlich größer als die der Endlatte, und die Mises-Spannung der Latte an der Verbindung mit dem Winkelstahl ist deutlich größer als die in der Nähe des Lattenmittelpunkts .

Mit der Entwicklung der Belastung gelangt die Probe in den absteigenden Abschnitt (BC), die radiale Verformung des Betons nimmt schnell zu, die Zugspannung der Lattenplatte nimmt zu und schließlich erreicht sie die Streckgrenze. Die meisten Exemplare geben bis zur zweiten und fünften Latte nach.

Aus Abb. 24 ist ersichtlich, dass der Beton im Kernbereich von Probekörpern mit kleinem Hohlraumanteil (SCAH-2, SCAH-4) als triaxiale Beschränkung angesehen werden kann, der Beton im Kernbereich von Probekörpern mit großem Hohlraumanteil (SCAH-3, SCAH-5) kann als biaxiale Einschränkung angesehen werden.

Simulationsergebnisse des Betonbeschränkungszustands des Probenquerschnitts (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Das Mander-Modell 28 wurde für Bügel entwickelt, die gewöhnliche quadratische Betonstützen halten. Berücksichtigt werden die seitliche Rückhaltewirkung von Bügeln auf Kernbeton und der „Bogeneffekt“ der wirksamen Rückhaltefläche und der rechteckigen Rückhaltefläche. Unter Berücksichtigung der Frage, ob die Tragfähigkeitsberechnung von hochfestem Leichtbeton mit Winkelstahlbeschränkung anwendbar ist, wird das Modell unten verifiziert:

Für die Probe mit kleinem Hohlraumverhältnis ist die Druckfestigkeitsformel von triaxial begrenztem Beton in Formel (4) dargestellt:

Für die Probe mit großem Hohlraumverhältnis ist die Druckfestigkeitsformel von biaxial begrenztem Beton in Formel (5) dargestellt:

Hinweis: Die Testprobe mit einem Hohlraumanteil von weniger als 16 % gilt als kleiner Hohlraumanteil, andernfalls handelt es sich um einen Probekörper mit großem Hohlraumanteil.

In der Formel: \(f^{\prime}_{cc}\) stellt die Druckfestigkeit von eingeschlossenem Beton dar; \(f^{\prime}_{c0}\) stellt die Spitzenspannung von nicht eingespanntem Beton dar, in dieser Arbeit wird \(f^{\prime}_{c0} = 0,85f_{c}\)29 angenommen; \(f^{\prime}_{l}\) – seitliche Zwangsspannung.

In der Formel: \(k_{e}\) stellt den effektiven Beschränkungskoeffizienten dar; \(f_{l}\) stellt den begrenzenden Druck auf die Lattenplatte dar, bezogen auf die maximale Beschränkungsspannung des Betons im Kernbereich, wenn die Die Lattenplatte ergibt sich;\(b_{c}\) stellt den Abstand zwischen den Mittellinien der Latten dar; \(s\) und \(s^{\prime}\) stellen den Abstand zwischen Winkelstahl und Latte dar; Aus dem Kräftegleichgewicht (wie in Abb. 25 dargestellt) errechnet sich der Begrenzungsdruck \(f_{l}\) auf die Lattenplatte. Der Begrenzungsdruck \(f_{l}\) auf die Lattenplatte einer Hohlsäule mit rundem Loch ist wie in Formel (8) dargestellt, und der Begrenzungsdruck \(f_{l}\) auf die Lattenplatte einer Hohlsäule mit Das quadratische Loch ist wie in Formel (9) dargestellt.

Schematische Darstellung der Zwangsspannungsberechnung (Microsoft PowerPoint 2019 https://www.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/powerpoint).

In der Formel stellen \(f_{yb}\) und \(A_{sb}\) die Streckgrenze der Dachlatte bzw. die Fläche einer einzelnen Dachlatte dar; \(D\) und \(a\) stellen den Durchmesser dar des runden Lochs und der Seitenlänge des quadratischen Lochs. Die Querschnittsfläche \(A_{c}\) des Kernbetons einer Hohlsäule mit rundem Loch ist in Formel (10) dargestellt, und die Querschnittsfläche \(A_{c}\) des Kernbetons einer Hohlsäule mit quadratischem Loch ist in Formel (11) dargestellt.

Basierend auf dem Superpositionsprinzip kann die axiale Drucktragfähigkeit einer Verbundhohlsäule aus Stahlfasern, hochfestem Leichtbeton und Winkelstahl nach Formel (12) berechnet werden:

In der Formel: \(f^{\prime}_{cc}\) stellt die Druckfestigkeit von eingeschlossenem Beton dar; \(f^{\prime}_{c0}\) und \(A_{cor}\) stellen die Spitzenspannung von unbeschränktem Beton bzw. die Querschnittsfläche der Betondeckung dar; \(f_{s}\) und \(A_{s}\) stellen die Streckgrenze bzw. die Gesamtquerschnittsfläche von Winkelstahl dar.

Da die Prüfergebnisse durch Fehler in der Prüfbelastung beeinträchtigt werden können, ist es erforderlich, den Reduktionsfaktor von 1,2 zu erhöhen. Gemäß Tabelle 6 kann festgestellt werden, dass der Wert \(P_{u}\)/\(N_{u}\) zwischen 1,00 und 1,28 liegt, mit einem Durchschnittswert von 1,156, einer Standardabweichung von 0,406 und einem Variationskoeffizienten von 0,351, wenn das Superpositionsprinzip des Mander-Modells zur Berechnung verwendet wird und der Einfluss des Winkelstahlskeletts auf die Betonfestigkeit berücksichtigt wird. Es ist sicherer, mit der Methode zu rechnen, wenn der berechnete Wert kleiner als der Testwert ist.

In der Arbeit wird der Einfluss unterschiedlicher Hohlraumverhältnisse und Öffnungsmethoden auf die axialen Druckeigenschaften von Verbundhohlstützen aus Stahlfasern, hochfestem Leichtbeton und Winkelstahl untersucht. Durch die Kombination von Leichtbeton mit Hohlsäule wird das Eigengewicht der Probe erheblich reduziert und die Finite-Elemente-Simulation durchgeführt. Die Tragfähigkeit von SCAH wird mit drei Methoden berechnet und daraus lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Die Enden von SCAH-2–SCAH-5 sind stark beschädigt, die Risse erstrecken sich von den Enden bis zur Mitte der Probe und die Breite nimmt zu. Das Säulenende von SCAH-1 ist gut eingegrenzt und das Versagen der Probe konzentriert sich hauptsächlich auf die Mitte.

Die Spitzenlast einer Verbundhohlsäule aus Stahlfasern, hochfestem Leichtbeton und Winkelstahl nimmt deutlich ab und die Duktilität nimmt mit zunehmendem Hohlraumverhältnis zu; Bei gleichem Hohlraumverhältnis ist der Verformungsduktilitätskoeffizient einer Hohlsäule mit rundem Loch etwas niedriger als der einer Hohlsäule mit quadratischem Loch; Die Spitzenlast eines runden Lochs ist bei großem Hohlraumverhältnis höher als die eines quadratischen Lochs. Im Vergleich zur Vollsäule hat die Hohlsäule mit quadratischem Loch bei einem Hohlraumanteil von 16 % keinen großen Einfluss auf die Tragfähigkeit und Duktilität, und die Duktilität ist besser als die der Vollsäule.

Die durch Finite-Elemente-Simulation erhaltenen Tragfähigkeits- und Last-Längsverformungskurven stimmen gut mit den experimentellen Werten überein. Im elastischen Stadium beträgt die Druckspannung des Betons weniger als − 20 MPa und der Winkelstahl und die Lattenplatte erreichen nicht die Streckgrenze; Im elastisch-plastischen Stadium steigt die maximale Druckspannung des Betonkernbereichs des Probekörpers mit kleinem Hohlraumanteil deutlich an (bis zu − 60 MPa), während die Druckspannung des Betons des Probekörpers mit großem Hohlraumanteil leicht ansteigt ( ca. – 30 MPa) und die Streckgrenze wird in der gesamten Länge des Winkelstahls erreicht, die Latte erreicht jedoch immer noch nicht die Streckgrenze; Im absteigenden Abschnitt (BC) ist die Druckspannung der Betonoberfläche der Probe gering (ca. − 6 bis − 13 MPa) und es tritt sogar eine geringe Zugspannung (0–8 MPa) auf. Die radiale Verformung des Betons nimmt schnell zu und einige Latten erreichen die Streckgrenze.

Der Einfluss des Winkelstahlskeletts auf die Betonfestigkeit wird im Mander-Modell berücksichtigt und anschließend die Überlagerungsberechnung durchgeführt. Es ist sicherer, mit der Methode zu rechnen, da der berechnete Wert kleiner als der Testwert ist und die Berechnungsgenauigkeit hoch ist.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind aufgrund der Vertraulichkeit des Fonds nicht öffentlich zugänglich, können aber auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.

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Diese Arbeit wurde hauptsächlich von der National Natural Science Foundation of China (51968058) und teilweise vom Youth Science and Technology Talents Support Program (NJYT-18-A06) der Autonomen Region Innere Mongolei unterstützt. Es wurde vom Natural Science Foundation Project der Autonomen Region Innere Mongolei (2021MS05012) und dem Open Fund Project des Institute of Architectural Science der Inner Mongolia University of Science and Technology (JYSJJ-2021M16) unterstützt.

Fakultät für Bauingenieurwesen, Universität für Wissenschaft und Technologie der Inneren Mongolei, Baotou, 014010, Innere Mongolei, China

Zehui Xiang, Dan Qiao und Jiangang Niu

Fakultät für Bauingenieurwesen, Technische Universität Peking, Peking, 100029, China

Weiheng Liu

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DQ hat den Text des Hauptmanuskripts geschrieben. ZX und WL leiteten die Formel des Artikels ab. JN bereitete Abb. vor. 2, 3 und 4. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Jiangang Niu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xiang, Z., Qiao, D., Niu, J. et al. Experimentelle Studie zur axialen Kompression für Verbundhohlstützen aus Stahlfasern, hochfestem Leichtbeton und Winkelstahl. Sci Rep 12, 12409 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16581-w

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Eingegangen: 20. April 2022

Angenommen: 12. Juli 2022

Veröffentlicht: 20. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16581-w

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