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4 つのゴムコンクリート鋼管 (RuCFST) 要素、1 つのコンクリート鋼管 (CFST) 要素、および 1 つの空の要素を純粋な曲げ条件でテストしました。主なパラメータは、せん断比 (λ) が 3 ～ 5、ゴム交換率 (r) が 10% ～ 20% です。曲げモーメント−ひずみ曲線、曲げモーメント−たわみ曲線、曲げモーメント−曲率曲線が得られる。ゴムコアを用いたコンクリートの破壊モードを解析した。結果は、RuCFST 部材の破損の種類が曲げ破損であることを示しています。ゴムコンクリートの亀裂は均一かつ控えめに分布しており、コアコンクリートにゴムを充填することで亀裂の発生を防ぎます。せん断対スパン比は試験片の挙動にほとんど影響を与えませんでした。ゴムの交換率は曲げモーメントに耐える能力にはほとんど影響しませんが、試験片の曲げ剛性には一定の影響を与えます。ゴムコンクリート充填後は、空の鋼管からのサンプルと比較して、曲げ能力および曲げ剛性が向上します。
従来の鉄筋コンクリート管構造（CFST）は、優れた耐震性能と高い支持力により、現代の工学実務で広く使用されています1、2、3。新しいタイプのゴムコンクリートとして、ゴム粒子を使用して天然骨材を部分的に置き換えます。ゴムコンクリート充填鋼管 (RuCFST) 構造は、鋼管にゴムコンクリートを充填することによって形成され、複合構造の延性とエネルギー効率を高めます4。CFST 部材の優れた性能を活用するだけでなく、ゴム廃棄物を効率的に利用し、グリーン循環経済の開発ニーズにも対応します5,6。
過去数年間、アキシアル荷重 7,8、アキシアル荷重とモーメントの相互作用 9,10,11、および純粋な曲げ 12,13,14 の下での従来の CFST 部材の挙動が集中的に研究されてきました。結果は、CFSTの柱と梁の曲げ能力、剛性、延性およびエネルギー散逸能力が内部コンクリート充填によって改善され、良好な破壊延性を示すことを示しています。
現在、一部の研究者は、複合アキシアル荷重下での RuCFST カラムの挙動と性能を研究しています。Liu と Liang15 は、短い RuCFST カラムでいくつかの実験を行ったところ、CFST カラムと比較して、ゴム置換度およびゴム粒子サイズが増加するにつれて支持力と剛性が低下する一方、延性は増加しました。Duarte4,16 は、いくつかの短い RuCFST カラムをテストし、RuCFST カラムはゴム含有量が増加すると延性が高まることを示しました。Liang17 と Gao18 も、滑らかで薄肉の RuCFST プラグの特性について同様の結果を報告しています。Gu ら 19 と Jiang ら 20 は、高温における RuCFST 要素の支持能力を研究しました。結果は、ゴムを追加すると構造の延性が増加することを示しました。温度が上昇すると、最初は支持力がわずかに減少します。Patel21 は、軸方向および一軸方向の荷重を受けた、端が丸い短い CFST 梁および柱の圧縮および曲げ挙動を分析しました。計算モデリングとパラメトリック解析は、ファイバーベースのシミュレーション戦略が短い RCFST のパフォーマンスを正確に検査できることを示しています。柔軟性はアスペクト比、鋼鉄とコンクリートの強度とともに増加し、深さと厚さの比とともに減少します。一般に、短い RuCFST カラムは CFST カラムと同様に動作し、CFST カラムよりも延性が高くなります。
上記のレビューから、CFST カラムのベースコンクリートにゴム添加剤を適切に使用すると、RuCFST カラムが改善されることがわかります。軸方向の荷重がないため、正味の曲げは柱梁の一端で発生します。実際、RuCFST の曲げ特性はアキシアル荷重特性とは無関係です 22。実際のエンジニアリングでは、RuCFST 構造は曲げモーメント荷重を受けることがよくあります。その純粋な曲げ特性の研究は、地震作用下での RuCFST 要素の変形および破壊モードを決定するのに役立ちます 23。RuCFST 構造の場合、RuCFST 要素の純粋な曲げ特性を研究する必要があります。
これに関して、純粋に湾曲した鋼製角パイプ要素の機械的特性を研究するために、6 つのサンプルがテストされました。この記事の残りの部分は次のように構成されています。まず、ゴム充填の有無にかかわらず、6 つの正方形の断面の試験片をテストしました。テスト結果については、各サンプルの故障モードを観察してください。次に、純粋な曲げにおける RuCFST 要素の性能が分析され、RuCFST の構造特性に対する 3 ～ 5 のせん断対スパン比と 10 ～ 20% のゴム交換率の影響が議論されました。最後に、RuCFST 要素と従来の CFST 要素の耐荷重能力と曲げ剛性の違いを比較します。
6 つの CFST 試験体が完成し、そのうち 4 つはゴム引きコンクリートで充填され、1 つは通常のコンクリートで充填され、6 つ目は空でした。ゴム変化率 (r) とスパンせん断比 (λ) の影響について議論します。サンプルの主なパラメータを表 1 に示します。文字 t はパイプの厚さを示し、B はサンプルの側面の長さ、L はサンプルの高さ、Mue は測定された曲げ能力、Kie は初期曲げ能力を示します。曲げ剛性、Kse は使用時の曲げ剛性です。シーン。
RuCFST 試験体は、4 枚の鋼板をペアで溶接して中空の四角鋼管を形成し、コンクリートで充填して作製されました。厚さ 10 mm の鋼板が試験片の両端に溶接されます。鋼の機械的性質を表 2 に示します。中国規格 GB/T228-201024 によれば、鋼管の引張強さ (fu) と降伏強さ (fy) は標準引張試験方法によって測定されます。試験結果はそれぞれ260MPa、350MPaでした。鋼の弾性率 (Es) は 176 GPa、ポアソン比 (ν) は 0.3 です。
試験中、28 日目の基準コンクリートの立方圧縮強度 (fcu) は 40 MPa と計算されました。比率 3、4、および 5 は、シフト トランスミッションに関する問題が明らかになる可能性があるため、以前の参考文献 25 に基づいて選択されました。10% と 20% の 2 つのゴム交換率が、コンクリート混合物中の砂を置き換えます。この研究では、天宇セメント工場（中国の天宇ブランド）からの従来のタイヤゴム粉末を使用しました。ゴムの粒径は1～2mmです。ゴムコンクリートと配合物の配合割合を表3に示します。ゴムコンクリートの種類ごとに、一辺 150 mm の立方体を 3 個鋳造し、規格で定められた試験条件下で硬化させました。混合に使用される砂は珪質砂であり、粗骨材は中国東北部の瀋陽市の炭酸塩岩です。さまざまなゴム交換率 (10% および 20%) における 28 日間の立方体圧縮強度 (fcu)、角柱圧縮強度 (fc')、および弾性率 (Ec) を表 3 に示します。 GB50081-201926 規格を実装します。
すべての試験片は、600 kN の力の油圧シリンダーを使用してテストされます。荷重中、2 つの集中した力が 4 点曲げ試験スタンドに対称的に加えられ、試験片全体に分散されます。変形は、各サンプル表面の 5 つのひずみゲージによって測定されます。図 1 と図 2 に示す 3 つの変位センサを使用して偏差を観測します。 1 と 2。
テストではプリロードシステムを使用しました。2kN/sの速度で荷重を加え、最大10kNの荷重で一時停止し、ツールとロードセルが正常に動作するかどうかを確認します。弾性バンド内では、各荷重増分は、予測されるピーク荷重の 10 分の 1 未満に適用されます。鋼管が摩耗すると、かかる荷重は予測ピーク荷重の 15 分の 1 未満になります。負荷段階で各負荷レベルを適用した後、約 2 分間保持します。サンプルが破損に近づくと、連続負荷速度が遅くなります。アキシアル荷重が極限荷重の 50% 未満に達するか、試験片に明らかな損傷が見つかった場合、荷重は終了します。
すべての試験片を破壊したところ、良好な延性が示されました。試験片の鋼管の引張部には明らかな引張亀裂は認められなかった。鋼管の代表的な損傷の種類を図に示します。3. サンプル SB1 を例にとると、曲げモーメントが 18 kN m 未満の荷重の初期段階では、サンプル SB1 は明らかな変形のない弾性段階にあり、測定された曲げモーメントの増加率は曲率の増加率。その後、引張ゾーンの鋼管は変形可能になり、弾塑性段階に進みます。曲げモーメントが約 26 kNm に達すると、中スパン鋼の圧縮領域が拡大し始めます。負荷が増加すると浮腫が徐々に発生します。荷重 - たわみ曲線は、荷重がピーク点に達するまで減少しません。
実験終了後、図 4 に示すように、基礎コンクリートの破壊モードをより明確に観察するために、サンプル SB1 (RuCFST) とサンプル SB5 (CFST) を切断しました。図 4 から、サンプルにひび割れが発生していることがわかります。 SB1 は基礎コンクリート中に均一かつまばらに分布しており、それらの間の距離は 10 ～ 15 cm です。サンプル SB5 の亀裂間の距離は 5 ～ 8 cm で、亀裂は不規則で明白です。さらに、サンプル SB5 の亀裂は引張ゾーンから圧縮ゾーンまで約 90 度伸びており、断面高さの約 3/4 まで発達しています。サンプル SB1 の主なコンクリートひび割れは、サンプル SB5 よりも小さく、頻度も少ないです。砂をゴムに置き換えると、コンクリートの亀裂の発生をある程度防ぐことができます。
図上。図５は、各試験片の長さに沿ったたわみの分布を示している。実線は試験片のたわみ曲線、点線は正弦半波です。図から。図 5 は、ロッドのたわみ曲線が初期荷重時の正弦半波曲線とよく一致していることを示しています。荷重が増加すると、たわみ曲線は正弦半波曲線からわずかに逸脱します。原則として、荷重中、各測定点におけるすべてのサンプルのたわみ曲線は対称な半正弦曲線になります。
純粋な曲げにおける RuCFST 要素のたわみは正弦半波曲線に従うため、曲げ方程式は次のように表すことができます。
実際の適用条件を考慮して、最大繊維ひずみが 0.01 の場合、対応する曲げモーメントが要素の最大曲げモーメント容量として決定されます27。求めた曲げモーメント耐力測定値（Mue）を表1に示します。曲げモーメント耐力測定値（Mue）と曲率（φ）の計算式（3）より、図6のM-φ曲線を求めることができます。プロットした。M = 0.2Mue28 の場合、初期剛性 Kie は対応するせん断曲げ剛性と見なされます。M = 0.6Mue の場合、作業ステージの曲げ剛性 (Kse) は、対応する割線曲げ剛性に設定されました。
曲げモーメント曲率曲線から、弾性段階では曲げモーメントと曲率が大幅に直線的に増加することがわかります。曲げモーメントの増加率は、曲率の増加率よりも明らかに高いです。曲げモーメント M が 0.2Mue のとき、試験片は弾性限界段階に達します。荷重が増加すると、サンプルは塑性変形を受け、弾塑性段階に入ります。曲げモーメント M が 0.7 ～ 0.8 Mue の場合、鋼管は引張領域と圧縮領域で交互に変形します。同時に、サンプルの Mf 曲線は変曲点として現れ始め、非線形に成長します。これにより、鋼管とゴムコンクリートコアの複合効果が強化されます。M が Mue に等しい場合、試験片は塑性硬化段階に入り、試験片のたわみと曲率が急速に増加しますが、曲げモーメントはゆっくりと増加します。
図上。図７は、各サンプルの曲げモーメント（Ｍ）対ひずみ（ε）の曲線を示す。サンプルの中間スパンセクションの上部は圧縮を受けており、下部は張力を受けています。「1」と「2」とマークされたひずみゲージは試験片の上部に位置し、「3」とマークされたひずみゲージは試験片の中央に位置し、「4」と「5」とマークされたひずみゲージは試験片の中央に位置します。」はテストサンプルの下にあります。サンプルの下部を図 2 に示します。図 7 から、荷重の初期段階では、要素の引張ゾーンと圧縮ゾーンの長手方向の変形が非常に接近していることがわかります。変形はほぼ直線的です。中間部では縦方向変形が若干増加しているが、その増加幅は小さい。その後、引張部のゴムコンクリートに亀裂が発生した。引張部の鋼管は力に耐えるだけでよく、圧縮ゾーンのゴムコンクリートと鋼管は一緒に荷重を負担し、要素の引張ゾーンの変形は要素の変形より大きくなります。荷重が増加すると、変形は鋼の降伏強度を超え、鋼管が入ります。サンプルのひずみの増加率は曲げモーメントよりも大幅に高く、塑性ゾーンが断面全体に発達し始めました。
各サンプルの M-um 曲線を図 8 に示します。図 8 に示すように、すべての M-um 曲線は、従来の CFST メンバーと同じ傾向に従います 22、27。いずれの場合も、M-um 曲線は初期段階で弾性応答を示し、その後、最大許容曲げモーメントに徐々に到達するまで、剛性が低下する非弾性挙動が続きます。ただし、テストパラメータが異なるため、M-um 曲線はわずかに異なります。せん断対スパン比が 3 から 5 の場合のたわみモーメントを図に示します。8a.サンプル SB2 (せん断係数 λ = 4) の許容曲げ能力はサンプル SB1 (λ = 5) の許容曲げ能力より 6.57% 低く、サンプル SB3 (λ = 3) の曲げモーメント能力はサンプル SB2 のそれよりも大きくなっています。 (λ = 4) 3.76%。一般に、せん断対スパン比が増加するにつれて、許容モーメントの変化の傾向は明らかではありません。M-um 曲線はせん断対スパン比とは関係していないようです。これは、Lu と Kennedy25 が 1.03 ～ 5.05 の範囲のせん断対スパン比を持つ CFST ビームで観察したことと一致しています。CFST 部材の場合、スパンせん断比が異なっても、コンクリートコアと鋼管の間の力伝達機構がほぼ同じであり、鉄筋コンクリート部材ほど明らかではないことが考えられる25。
図から。図 8b は、サンプル SB4 (r = 10%) および SB1 (r = 20%) の支持力が従来のサンプル CFST SB5 (r = 0) の支持力よりわずかに高いか低く、3.15 パーセント増加し、1 パーセント減少していることを示しています。 1.57パーセント。しかし、サンプル SB4 および SB1 の初期曲げ剛性 (Kie) は、サンプル SB5 の初期曲げ剛性 (Kie) よりも大幅に高く、それぞれ 19.03% および 18.11% です。動作段階におけるサンプル SB4 および SB1 の曲げ剛性 (Kse) は、サンプル SB5 よりもそれぞれ 8.16% および 7.53% 高くなります。彼らは、ゴムの置換率は曲げ能力にはほとんど影響を及ぼさないが、RuCFST 試験片の曲げ剛性には大きな影響を与えることを示しています。これは、RuCFST サンプルのゴムコンクリートの可塑性が、従来の CFST サンプルの天然コンクリートの可塑性よりも高いという事実によるものと考えられます。一般に、天然コンクリートのひび割れやひび割れは、ゴム引きコンクリートよりも早く伝播し始めます29。基礎コンクリートの典型的な破壊モード (図 4) から、サンプル SB5 (天然コンクリート) のひび割れはサンプル SB1 (ゴムコンクリート) のひび割れよりも大きく、密度が高くなります。これは、SB5 天然コンクリートサンプルと比較して、SB1 鉄筋コンクリートサンプルの鋼管によって提供されるより高い拘束に寄与している可能性があります。Durate16 研究でも同様の結論に達しました。
図から。図８ｃは、ＲｕＣＦＳＴ要素が中空鋼管要素よりも優れた曲げ能力および延性を有することを示している。RuCFST のサンプル SB1 (r=20%) の曲げ強度は、空鋼管のサンプル SB6 の曲げ強度より 68.90% 高く、サンプル SB1 の初期曲げ剛性 (Kie) および動作段階の曲げ剛性 (Kse) ははそれぞれ40.52%です。はサンプルSB6よりも16.88%高かった。鋼管とゴム引きコンクリートコアの組み合わせ作用により、複合要素の曲げ能力と剛性が向上します。RuCFST 要素は、純粋な曲げ荷重を受けた場合に良好な延性試験片を示します。
得られた曲げモーメントを、日本の規則 AIJ (2008) 30、英国規則 BS5400 (2005) 31、欧州規則 EC4 (2005) 32、中国規則 GB50936 (2014) 33 などの現在の設計基準で規定されている曲げモーメントと比較しました。実験曲げモーメント (Mue) に対する (Muc) を表 4 に示し、図に示します。9. AIJ (2008)、BS5400 (2005)、GB50936 (2014) の計算値は、平均実験値よりそれぞれ 19%、13.2%、19.4% 低くなります。EC4 (2005) によって計算された曲げモーメントは、平均試験値より 7% 低く、最も近い値です。
純粋な曲げの下での RuCFST 要素の機械的特性を実験的に研究しました。研究に基づいて、次の結論を導き出すことができます。
RuCFST のテストされたメンバーは、従来の CFST パターンと同様の動作を示しました。空の鋼管試験片を除いて、RuCFST および CFST 試験片はゴムコンクリートとコンクリートの充填により良好な延性を持っています。
せん断対スパン比は 3 ～ 5 の範囲で変化しましたが、テストされたモーメントと曲げ剛性にはほとんど影響がありませんでした。ゴムの交換速度は、曲げモーメントに対するサンプルの抵抗にはほとんど影響しませんが、サンプルの曲げ剛性には一定の影響を与えます。ゴム置換率10%の試験片SB1の初期曲げ剛性は、従来の試験片CFST SB5に比べて19.03%増加しました。Eurocode EC4 (2005) により、RuCFST 要素の究極の曲げ能力を正確に評価できます。ベースコンクリートにゴムを添加すると、コンクリートの脆さが改善され、儒教の要素に優れた靭性が与えられます。
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投稿時刻: 2023 年 1 月 5 日