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0210掺合料对不锈钢管混凝土柱承载性能的影响

作者:bet36体育网站已浏览: 180次 日期:2020-03-10

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为提高巷道底角大直径钻孔不锈钢管混凝土联排桩基的稳定性,研究了混凝土中掺入掺合料超细粉煤灰、硅粉和钢纤维对不锈钢管混凝土柱承载性能的影响。采用正交试验方法,对评价指标进行极差分析、方差分析和综合分析,并选出了掺合料的最优组合。结果表明:超细粉煤灰、硅粉和钢纤维三者组合能提高核心混凝土强度,当超细粉煤灰、硅粉和钢纤维掺量分别为20%、10%和1%时,核心混凝土强度最高。通过对不锈钢管混凝土柱进行数值模拟,验证了掺入掺合料后的不锈钢管混凝土柱承载性能有较大提高。

近年来,我国在开采深部煤炭时面临着巨大压力,矿井灾害发生频繁,特别是冲击地压,对安全高效开采造成了巨大威胁。为了防止冲击地压灾害的发生,必须解决深部煤层开采高水平构造应力频繁诱发底板冲击事故和巷道大变形问题,研发巷道底角大直径钻孔钢管混凝土联排桩基技术可以较好解决这一问题。为了使联排桩基的稳定性更高,钢管混凝土结构的强度也需要加强,因此,研究如何提高核心混凝土强度十分必要,其中对不锈钢管混凝土中的核心混凝土配合比进行优化尤为重要。

在提高混凝土强度方面国内学者一般采用提高混凝土强度等级的方法,但混凝土强度等级的提高需要减少水灰比,致使混凝土自身流动性减小,水泥用量增加,不利于环境保护和可持续发展战略的实施,因此,本文从加入掺合料方面提高混凝土强度,进而提高不锈钢管混凝土柱的承载力。学者们在单掺料方面已经做了大量研究,研究了在20℃水中养护条件下,粉煤灰混凝土相对于普通混凝土在强度方面的变化。结果显示,养护7天时,粉煤灰混凝土强度偏低,28天时,强度增加不大,90天时,强度远超过普通水泥配制的混凝土。浙江至德钢业有限公司研究了在混凝土中掺入硅粉,其强度显著增强,但脆性也随之增加,而在混凝土掺入聚丙烯纤维,脆性有所改善,强度却几乎没有增强,二者结合在一起能提高彼此的性能。证实了在持续荷载作用下掺入钢纤维后的混凝土梁对抑制结构变形和阻止裂缝开裂具有良好效果。

虽然国内外学者在单掺一种掺合料方面已经研究很多,但对于超细粉煤灰、硅粉和钢纤维复掺的研究较少。本文从核心混凝土着手,先配制基准混凝土,在此基础上依据正交表掺入超细粉煤灰、硅粉和钢纤维,然后对混凝土坍落度和强度进行极差分析、方差分析和综合分析,并找出3种掺合料的最优组合,最后用模拟不锈钢管混凝土柱,比较掺合料掺入前后其承载力的大小。为了直观看出不锈钢管混凝土的应力变化,将模型坐标系改为柱坐标系,求出极限承载力,通过模型位移加载试算,使钢管和核心混凝土都达到极限状态,此时柱所承受的力即为极限承载力。从冯米泽斯应力云图(可以看出,掺合料前后核心混凝土的应力值已分别达到58MPa,钢管也已达到345MPa,说明不锈钢管和混凝土均已达到屈服,此时柱已经破坏。

由图可知,横坐标代表位移,纵坐标代表力,荷载-位移曲线大致有3个阶段:在钢管混凝土柱初期受到应力时,由于钢管和混凝土都处于弹性工作阶段,两者单独受力,混凝土对钢管壁产生挤压几乎为零,因此,荷载-位移曲线呈直线上升;当钢管混凝土柱受到的应力达到一定值时,进入弹塑性阶段,构件开始发生变形,又由于混凝土裂缝不断发展且向外挤压钢管内壁,这时钢管对混凝土有一定约束作用,荷载-位移曲线的斜率发生变化,曲线偏离直线呈弯曲形状,在位移加载到1.5mm左右时,钢管混凝土柱荷载-位移曲线开始进入平缓段,加入掺料前的极限承载力约2626kN,加入掺料后的极限承载力约3283kN,提高了657kN,因此可以认为在混凝土中掺入掺合料能提高不锈钢管混凝土柱的承载力。胶凝材料总量保持不变时,随着超细粉煤灰掺入量增加,坍落度不断增加,7天强度不断降低,28天强度呈先增加后减小趋势;随着硅粉和钢纤维掺入量增加,坍落度降低,强度却不断增强,硅粉比钢纤维增强作用更加明显。掺合料超细粉煤灰、硅粉和钢纤维三者组合对混凝土强度的改善有显著效果,最佳组合为超细粉煤灰、硅粉和钢纤维掺入量分别为20%,10%和1%。基于数值模拟的计算结果,相较于加入掺料前,加入掺料后的不锈钢管混凝土柱极限承载力显著提高,提高了657kN,掺合料的加入有利于提高钢管混凝土柱的承载能力。

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