鋼繊維複合中空柱の軸方向圧縮に関する実験的研究 - 石家荘市イルラーゴデイチーニ有限公司

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12409 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

鋼繊維，高強度軽量骨材コンクリートおよびアングル鋼の複合中空柱の軸圧縮性能を研究するために，鋼繊維，高強度軽量骨材コンクリートおよびアングル鋼の複合中空柱5本について軸圧縮試験を実施した。中空率（0%、15%、16%、32%、36%）と開口部の形状（丸穴、角穴）を変化パラメータとした鋼材。供試体の破壊現象や破壊形態を観察し、その応力-ひずみ曲線を測定し、鋼繊維複合中空柱、高強度軽量骨材コンクリート、山形鋼に適した軸支持力式を確立した。試験結果から次の結論が得られる:山形鋼複合中空柱の軸圧縮性能は中空率と開口部形状に大きく影響される。鋼繊維、高強度軽量骨材コンクリート、アングル鋼の複合中空柱の軸方向圧縮性能は、中空率が低い場合には複合中実柱の軸圧縮性能にほぼ近くなります。空隙率が高くなるほど、コンクリート表面の亀裂が多くなり、横亀裂が発生し、ピーク荷重は約 5 ～ 38% 減少し、変形延性係数は徐々に増加します。丸穴中空柱の変形延性係数は角穴中空柱に比べて低くなります。テストに基づいて、有限要素ソフトウェア ABAQUS を使用して SCAH カラムをシミュレートします。モデルの正確性は、数値シミュレーション結果とテスト結果の比較を通じて検証されます。同時に,異なる段階におけるコンクリートと鋼の応力ネフォグラムとコンクリート拘束状態での応力ネフォグラムをシミュレーションした。有限要素シミュレーション結果によると,マンダーモデルを使用して山形鋼の複合中空柱の軸方向圧縮支持力を計算した。高い計算精度が得られ、普及に適しています。

建物の高層化・長スパン化に伴い、建物の構造重量はますます大型化しています。研究では、建物の自重を軽減することで、強地震による建物への影響、資材の量、プロジェクトコストを大幅に削減し、持続可能な環境経済的利益と環境社会的利益を得ることができることが示されています1,2。一方で、建物の自重を最小限に抑えるために高性能コンクリートを使用する必要があります。普通コンクリートを同じ強度等級の高強度軽量骨材コンクリートに置き換えることで、構造物を効果的に軽減できる可能性があります3,4,5。しかし、高強度軽量骨材コンクリートの強度等級が徐々に高くなるにつれて、コンクリートの脆性は著しく増加する6。軽量骨材コンクリートに鋼繊維を添加することにより、耐ひび割れ性、延性エネルギー消費量、脆性が効果的に改善されることが分かる7。一方、構造形式の最適化と梁柱断面の変更です。柱部に穴を設けた中空柱は構造物の自重を効果的に軽減できることがわかっている8,9。中空柱は、自重が小さく、耐曲げ剛性とねじり剛性が大きいため、建築構造物や橋脚に広く使用されています。

近年、中空比や断面形状の変化による中空柱の軸圧縮性能に関する一連の研究が国内外の学者によって行われている。間隙率の変化に関して、Han ら 10,11 は鉄筋コンクリート中空柱の軸圧縮性能を研究し、鉄筋コンクリート中空柱の支持力、延性、変形能力が低いことを発見しました。 Al-Gasham ら 12 は、中空率 0.0%、2.3%、9.0%、20.3% の自己締固めコンクリート中空柱の軸圧縮性能を研究し、自己締固めコンクリートの終局荷重、剛性、靱性が次のとおりであることを発見しました。中空柱は中実柱よりも低いが、延性は中実柱よりも高かった。鉄筋コンクリート柱の断面形状の変化に関して、Liang ら 13,14 は、円形および四角形断面の鉄筋コンクリート中実柱、外円形および内円形断面の鉄筋コンクリート中空柱の拘束効果の調査研究に焦点を当てています。、軸方向の圧縮荷重がかかる外側の正方形セクションと内側の正方形セクション。コンクリート変形に対する中実柱と中空柱の鉄筋の抑制効果は大きく異なり、外円と内円、外四角と内四角のコンクリート中空柱の鉄筋の抑制効果も異なることが判明した。この違いはコンクリートの膨張と断面上の拘束圧力分布の変化によって生じた。以上をまとめると、空隙率の増加により構造物の自重を軽減し、延性を効果的に高めることができる一方で、支持力は低下し、構造物の拘束効果が得られるという結論が得られる。コンクリートの補強は開口方法の違いにより異なります。

さらに、調査により、アングル鋼コンクリートの複合柱は、さまざまな断面タイプの鉄筋コンクリート柱と比較して、高い支持力、良好な延性、および便利な建設という利点を備えており、軸方向の圧縮を改善できることがわかります15。鉄筋コンクリートの中空柱の性能。 Hwang ら 16 は、内蔵山形鋼複合柱の軸方向圧縮性能を研究し、試験柱の軸方向支持力と変形能力が良好であり、コア領域のコンクリートに十分な横拘束が形成されていることを発見しました。山形鋼と溶接されたあばら。 Kim et al.17 は、内蔵アングル鋼と高強度コンクリート柱の支持力を研究し、鋼材の寄与と拘束効率が高い場合でも、内蔵アングル鋼と高強度コンクリート柱が装備されていることが判明しました。アングル鋼の降伏後もコア部のコンクリート強度が変化しないため、保護層剥離後も大きな支持力を発揮します。これに基づいて、構造物の自重を軽減し、強度を向上させることを目的として、鋼繊維、高強度軽量骨材コンクリート、山形鋼の複合中空柱のより高い極限支持力、変形性能、およびより優れた延性を達成することを目的としている。一般コンクリートを鋼繊維と高強度軽量コンクリートに置き換え、縦筋とあばら筋をそれぞれ山形鋼と当て板に置き換えることにより、鉄筋コンクリート中空柱の性能を向上させます。

P・O 42.5セメント。適用可能性は表 1 に示されています。

飛灰１級、強熱減量０．６％、含水率０．５２％、水需要率９５％。

微小シリカ粉末、強熱減量3.7%、SiO2含有量97.1%、水分含有量0.5%、水分要求率120%。

川砂、粒子グレードはゾーン II 中砂、細さ弾性率は 2.7。

図1に示すように、砕石頁岩セラムサイト、粒子サイズは5〜10 mm、かさ密度は1015 kg/m3、シリンダー圧力強度は17.7 MPa、1時間の吸水率は8.1％です。

粗骨材。

Q235グレードの山形鋼と平鋼。鋼の材料特性は ASTM E-8 規格に従ってテストされます。性能パラメータを表 2 に示します。

図2に示すように、エンドフックタイプの鋼繊維で、長さは13 mm、引張強度は1070 MPa、弾性率は2×105 MPaです。

スチールファイバー。

ナフタレンB2の高効率減水剤で、減水率は19％です。

高強度軽量骨材コンクリートには優れた構造上の利点があることがわかっており 18、実際のプロジェクトで広く使用されていますが、鋼鉄筋コンクリート柱の適用に関する関連研究はいくつかあります 19。したがって、論文では強度等級 LC60 の高強度軽量骨材コンクリートを試験に使用し、その配合比を表 3 に示します。試験体の軸方向圧縮耐力は、鋼繊維の添加によりわずかに影響を受けます。これにより、試験柱の全体的な性能が効果的に向上し、コンクリート保護層の剥離度が低減されます。紙製の高強度軽量コンクリートには、コンクリートの加工性を考慮し、鋼繊維を39kg/m3配合しています。

Jiらの研究結果21は、中空率が中空柱の機械的性能に大きく影響することを示しています。実用上は中空率を36%以内に抑えることで部材の安全性を確保できます。 Al-Gasham らの研究結果 22 は、外側の正方形と内側の円形の自己圧縮コンクリート中空柱の空隙率が 0 から 25.8% に増加し、試験柱の強度と剛性が低下する一方、延性がわずかに増加することを示しています。 Al-Ajarmeh らの研究結果 23,24,25 では、GFRP 鉄筋コンクリート中空柱の強度と延性が鉄筋コンクリート中空柱よりも高いことが示されています。適切なパラメータ設計を採用すると、GFRP 鉄筋コンクリート中空柱の支持力は GFRP 鉄筋コンクリート中実柱よりも高くなります。中空率が小さいと中空柱の軽量化にはほとんど効果がなく、施工難易度が高くなり、中空率が大きくなると中空柱の支持力や延性が大幅に低下することを考慮し、本試験では中空率を0としています。、15％、16％、32％、36％。

5 つの SCAH カラム標本が作成されました。カラムの断面寸法は250×250mm、丸穴の中空径はそれぞれ110mm、160mm、角穴の中空辺の長さはそれぞれ100mm、150mm、保護層の厚さは20mm。山形鋼は辺の長さ30mm、厚さ4mmのQ235鋼を採用しています。バテンは、厚さ 6 mm、間隔 150 mm、高さ 750 mm の Q235 平鋼で作られています。断面を図3に、具体的なパラメータを表4に示します。（サンプル番号中、Sは鋼繊維、Cはコンクリート、Aは山形鋼コンクリート柱を示し、以下に数字が入ります）。

テスト柱の断面図 (Sketch up 2019 https://www.sketchup.com/)。

荷重試験には5000kNの油圧試験機を使用します。コンクリート構造物試験方法規格（GB/T50152-201226）によれば、試験では段階的に荷重を加える力制御方法が使用されます。負荷の開始時、各レベルの負荷は推定 Pu の 1/10 (Pu はピーク負荷を表します) であり、負荷は 2 分間維持されます。荷重が推定 0.8 Pu に達すると、各レベルの荷重は推定 Pu の 1/20 になり、荷重は 2 分間保持されます。荷重降下部が0.6Puに近い場合は、試験片が損傷し荷重が停止するまでゆっくりと荷重を継続します。試験片表面における載荷装置、変位計、コンクリートひずみゲージの配置を図4に、山形鋼と当て板ひずみゲージの配置を図5に示します。

デバイスの読み込み (Sketch up 2019 https://www.sketchup.com/)。

鋼ひずみゲージのレイアウト (Rivet 2018 http://www.chinarevit.com/)。

荷重の初期段階では、試験体は弾性段階にあり、コンクリートはその外面に明らかな亀裂なしに長手方向に圧縮されています。荷重がピーク荷重の約 0.3Pu ～ 0.6Pu に達すると、シリンダーの端に狭くて短い垂直亀裂がいくつか発生し始めます。荷重強度が徐々に増加するにつれて、縦方向の亀裂の数も増加しますが、亀裂は試験片の中央までゆっくりと伸び、目板の拘束と障害により亀裂の幅と深さは徐々に増加します。荷重はピーク荷重の0.6Pu〜0.8Pu程度に達し、柱表面にパチパチ音とスキンブラスト現象が連続して現れます。荷重がピーク荷重に達すると、柱表面に縦割れ亀裂と横亀裂が肉眼で見える速度で急速に発生します。ロードは継続されます。荷重がピーク荷重の 0.6 Pu まで減少すると、すべての試験片の山形鋼が明らかに座屈し、一部の当て板が膨らみ、コンクリートがさまざまな程度で押しつぶされて損傷しました。柱底部の角部でコンクリートの一部が砕けて剥離し、積載が停止している。試験体の典型的な破壊モードを図 6 に示します。図から次のことがわかります。 (1) 丸穴試験体のコンクリートは柱の 1/3 または 2/3 で深刻な損傷を受けていることがわかります。横方向亀裂幅が大きく、山形鋼とコンクリートの剥離を丸穴試験体と角穴試験体の破壊現象比較により比較した結果、内部鋼繊維の架橋効果による剥離はなく、丸穴内部の破壊現象は良好である。明確ではない; 角穴試験体は、柱底部に明らかな斜めの縦割れがあり、底部のコンクリートの一部が潰れて剥離しており、角穴内部の底部と隅部の損傷跡が明らかです。この現象は、円形穴の内壁にアーチ効果が形成され、円形穴壁全体の応力がより均一になり、コンクリートが支持されるためです。角穴柱の内壁に不均一な応力がかかることにより、角穴柱の端部や角部に応力が集中していることが明らかです。

試験片の典型的な故障モード (Adobe Photoshop 2020 https://www.adobe.com/products/photoshop.html)。

中空円柱の中空率係数の増加に伴い、丸穴中空円柱外面の損傷度合いは弱まり、損傷部は2/3から1/3に減少する。これは、中空率の増加に伴い肉厚が徐々に減少するためである。荷重の後期段階では、断面の応力分布が不均一になり、中空柱の 4 つの側面の中央の横ひずみが隅ひずみよりも徐々に大きくなります。コンクリートの横方向の膨張は荷重の増加とともにますます顕著になり、中空柱全体の力の不均一性が増幅され、荷重端近くのセクションが破壊されます。開口形状は角穴のある中空円柱であり、損傷現象は損傷程度と基本的に同じです。

中空柱の端部の拘束は非常に小さいため、コンクリート端部の損傷は比較的深刻です。有限要素法でシミュレーションした応力ネフォグラムによると、コンクリート端部の応力はより集中しており、サンプル端部のひび割れの数と幅が増加し、ひび割れが中央部まで伸び続けていることがわかります。サンプル。しかし、固体コンクリート柱の端部拘束は良好であり、試験体は主に途中で破壊されます。

試験片の荷重−変形曲線を図7に示します。図より、荷重作用初期において両者は直線関係を示し、荷重の増加とともに試験片の変形が増加することがわかります。。この時点では、試験片は弾性段階にあります。荷重が継続的に増加すると、試験片の荷重変形曲線の傾きは減少し始め、変形の増加率は荷重の増加率よりも徐々に大きくなります。このとき、ピーク荷重に達するまで、コンクリートと鋼鉄ではさまざまな程度の塑性変形が発生します。上図の 5 (a) と 5 (b) を比較すると、空隙率の増加に伴い試験片の降伏とピーク荷重が大幅に減少していることがわかります。空隙率の小さい供試体（SCAH-2、SCAH-4など）の場合、丸穴や角穴のある中空柱は曲線の立ち上がり部分では中実柱と類似しており、中空柱のピーク荷重は高くなります。角穴があるものは中実柱に近いです。曲線の下降部分では、角穴のある中空柱の試験片は中実柱の試験片と似ています。曲線の下り部分は緩やかで支持力の減少も緩やかで良好な延性を示します。角穴のある中空柱の延性は、中実柱の延性よりわずかに優れています。丸穴試験片の曲線の立ち下がり部分は急峻であり、支持力が急激に低下し、延性が劣ります。空隙率が大きい試験片（SCAH-3やSCAH-5など）では、試験片の降伏とピーク荷重が大幅に減少します。丸穴のある試験片のピーク荷重は角穴のある試験片よりも高く、角穴のある試験片の極限変形性能は丸穴のある試験片よりも大幅に優れています。曲線を比較すると、四角穴のある中空柱の塑性変形に対する抵抗力は、円形の穴のある中空柱よりも優れていることがわかります。空隙率が小さい条件下では、SCAH-4 コンクリート中空柱の降伏荷重でも SCAH-1 コンクリート中実柱の降伏荷重よりも高く、空隙率が小さいことが軸圧縮耐力にあまり悪影響を及ぼさないことを示しています。中空柱の。試験結果を表5に示します。

すべての試験片の軸方向荷重-縦方向変形曲線 (origin 2019b https://www.originlab.com/)。

試験片の荷重−アングル鋼縦ひずみ（P-ε）曲線を図8に示します。図より、各試験片の山形鋼は荷重上昇部で降伏（降伏ひずみ）に達していることがわかります。 ε Y は 2.037 × 10–3)。長手山形鋼が降伏ひずみに達する前に、同じ荷重下で空隙率の増加に伴い、長手山形鋼のひずみは徐々に増加します。角穴中空柱の内壁の明らかなコーナー効果により、高強度軽量骨材コンクリート中空柱の縦方向の剛性が弱くなるため、角穴中空柱の縦方向のアングル鋼ひずみはより大きくなります。同じ中空率の丸穴中空柱と同等です。

典型的なアキシアル荷重-ひずみ曲線 (origin 2019b https://www.originlab.com/)。

供試体の荷重-コンクリートの横ひずみおよび縦ひずみ曲線（座標の左側はコンクリートの縦ひずみ、右側はコンクリートの横ひずみ）を図9に示します。図から、中実柱の横ひずみの発達は中空柱のそれよりも十分であり、開口部の形状は試験片のひずみの発達にほとんど影響を与えないことがわかります。ピーク荷重に達する前、空隙率が異なる中空柱の横方向のひずみの進行は基本的に同じですが、縦方向のひずみはまったく異なります。同じ軸方向荷重の下では、中空柱の縦方向のひずみは横方向のひずみよりも大幅に大きくなります。同じ空隙率の条件下では、角穴のある中空柱の長手方向の限界ひずみは中実柱のものとは大きく異なりますが、円形の穴のある中空柱の長手方向の限界ひずみは中実柱のものよりわずかに低く、次のことを示しています。丸穴中空柱は材料に有効に活用されます。

コンクリートの圧縮応力-表面ひずみ曲線 (origin 2019b https://www.originlab.com/)。

終局変形と降伏変形の比を変形延性係数として定義し、荷重-変形曲線の下降部分の0.85puに相当する変形を終局変形とし、試験片の降伏変形は次式により求められます。等エネルギー法 27 を用いた場合、図 10 に示すように、表 5 からわかるように、空隙率の増加に伴って延性係数が徐々に増加します。同じ空隙率の下では、角穴のある中空柱の延性係数は、丸穴のある中空柱の延性係数よりわずかに高くなります。全体として、試験片の脆性は比較的大きく、脆性破壊が発生しやすいです。中実柱と中空柱の延性を比較すると、角穴中空柱の方が中実柱よりも延性係数が高いことがわかります。これは、中空柱のコンクリートは軸方向の圧力により内部隙間まで膨張するため、同じ応力下では中実柱に比べ長手方向の変形が大きくなるからです。適切な空隙率は、中空カラムの塑性変形に対する抵抗力を向上させるのに有益であることがわかります。

同等の弾塑性エネルギー法 (Visio 2019 https://www.microsoftstore.com.cn/software/office/visio-standard-2021)。

高強度軽量コンクリートは、150 × 150 × 300 mm の角錐体試験片の全応力-ひずみ曲線試験（図 11 に示す）から得られ、コンクリート塑性損傷モデルでシミュレーションされます。

応力 - ひずみ曲線 (origin 2019b https://www.originlab.com/)。

鋼の応力とひずみの関係は、ABAQUS で提供される理想的な弾塑性モデル (図 12) を採用しており、式 1、2 に示すように、フォンミーゼスの降伏基準を満たしています。 (1)と(2)。

理想的な弾塑性モデル (Microsoft PowerPoint 2019 https://www.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/powerpoint)。

式中: \(\sigma_{s}\)、\(\varepsilon_{s}\)、\(E_{s}\) はそれぞれ鋼の応力、ひずみ、弾性係数を表します。 \(f_{y}\) は鋼の降伏強さを表します。 \(\varepsilon_{y}\) は、降伏強度に対応する降伏ひずみを表します。

SCAHカラムの有限要素解析モデルはABAQUSソフトウェアを使用して確立されました。高強度軽量コンクリート、鋼製ベースプレート、山形鋼の躯体を8節点縮小一体型3次元ソリッド要素C3D8Rでシミュレーションします。山形鋼と当て板を組み合わせて山形鋼の骨組とします。アングル鋼の躯体をコンクリートの中に組み込み、コンクリートと鋼製ベースプレートを結合して接続します。スチール製クッションブロックの上面を中心点として結合します。有限要素シミュレーションには軸方向変位荷重制御が使用され、鋼製クッションブロックの上面の結合点に垂直変位が適用されます。図 13 に示すように、コンクリート底部は完全に固定されます。

荷重と境界条件 (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/)。

有限要素シミュレーションの初期段階でのメッシュ感度の分析により、具体的なメッシュサイズが 12.5 mm の場合、メッシュサイズが小さくなり続けると、有限要素シミュレーションの計算精度への影響は少なくなることがわかります。計算時間はさらに増加します。同時に、コンクリートグリッドを 12.5 にすると、コンクリートの砂時計モードをシミュレートするために C3D8R 要素を使用する必要がなくなり、最大の空隙率を持つ試験片が厚さ方向に沿って少なくとも 4 つの要素に確実に分割されます。アングル鋼製保持器と鋼製ベースプレートのメッシュサイズは 25 mm です。グリッドを生成する前に、不規則な部分を構造化されたグリッドに分割する必要があります。コンクリート、ベースプレート、山形鋼の骨組のメッシュ分割を図に示します。 14と15。

コンクリートとベースプレートのグリッド分割 (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/)。

アングル鋼製保持器のメッシュ分割 (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/)。

上記の5本のSCAH柱のコンクリートと山形鋼の骨組の応力過程全体における応力分布を解析した。解析を容易にするために、試験片の荷重-縦方向変形曲線は 3 つの段階に分割されます (図 16 を参照)。弾性セクション (OA) では、荷重と試験片の縦方向変形の間に線形関係が存在します。弾塑性断面（AB）。コンクリートや鋼材に塑性変形が起こり、その段階での試験片の荷重増加は縦方向の変形よりも小さく、曲線はわずかに凸で、傾きは徐々に減少し、最終的には試験片の支持力は点 B に達します。下りセクション (BC) : ピーク点に達した後、カーブが下りセクションに入ります。

一般的な荷重縦方向変形曲線 (Microsoft PowerPoint 2019 https://www.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/powerpoint)。

上記の方法に従って5つの試験片に対して有限要素シミュレーションを実行し、荷重-縦変形曲線を通じて有限要素モデルの正確性を検証します。図 17 から、試験片の試験結果は有限要素シミュレーション結果とよく一致しており、ピーク荷重の誤差は約 10% であることがわかります。

有限要素モデルの検証 (origin 2019b https://www.originlab.com/)。

縦方向応力 (S33) は、z 軸方向の応力を表します。正の値は引張応力、負の値は圧縮応力です。図 18 から、コンクリートは点 A で弾性段階にあり、当て板でのコンクリート圧縮応力は当て板間のコンクリート圧縮応力よりも小さく、当て板でのコンクリート圧縮応力は約 - であることがわかります。 6 ～ − 13 MPa の場合、目板間のコンクリート圧縮応力は約 − 13 〜 − 20 MPa であり、コンクリートの圧縮応力は軸圧縮強さよりも明らかに小さいです。

点 A におけるコンクリートの縦方向応力の雲図 (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/)。

図 19 より，点 A と点 B の間で荷重の増加に伴ってコンクリートが塑性段階を超え，塑性が発現し始め弾塑性段階にあることがわかる。コンクリートコア領域の最大圧縮応力は、点Bでの空隙率が小さい試験体で大幅に増加し、軸圧縮強さは約25％増加して-60 MPaに達します。空隙率が大きい供試体では、コンクリートコア部の最大圧縮応力がA点に比べて若干増加し、コンクリートの圧縮応力が−26〜−36MPaまで増加する。 SCAH-1 柱の最大圧縮応力は試験体中央部のコアコンクリート付近に分布し、SCAH-2 柱の最大圧縮応力は試験体 3 点目の高さのコンクリート内壁付近に分布します。 SCAH-4 柱の最大圧縮応力は、試験片の 4 番目の点の高さのコンクリート角穴の角付近に分布します。

点 B におけるコンクリートの縦方向応力の雲図 (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/)。

図 20 より，B 点と C 点の間には下降区間があることがわかる。供試体コンクリート外面の圧縮応力は小さく（−6 〜−13 MPa 程度），引張応力も小さい。垂直変形の増加に伴い応力（0～8MPa）が発生します。 SCAH-1柱の最大圧縮応力は試験体中央部のコアコンクリート付近に分布しており、コアコンクリートの圧縮応力が最も大きい（約−50MPa）。円穴付き中空柱の中間部の円穴付近のコンクリートの圧縮応力分布は、−20〜−30MPa程度の値で比較的均一です。角穴の角部におけるコンクリートの圧縮応力は、角穴の辺の中点付近のコンクリート圧縮応力よりも大きくなります。特に、SCAH-4 供試体の断面隅部におけるコンクリートの応力集中は、約−50 MPa の値で顕著である。

点 C におけるコンクリートの縦方向応力の雲図 (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/)。

フォンミーゼス応力は 4 番目の強度理論です (式 (3) など)。エネルギー保存則に従い、材料が降伏するかどうかを判断するために使用されます。同様に、山形鋼の骨格の応力は 3 つの段階に分けられます (図 21、22、23 に示すように): 弾性段階 (OA) では、山形鋼のミーゼス応力は目板のミーゼス応力よりも大幅に大きく、山形鋼のミーゼス応力は 300 MPa 未満ですが、降伏応力には達しません。同時に、2 つの当て板間の山形鋼の応力は当て板の応力よりも大幅に大きく、山形鋼付近の当て板付近のミーゼス応力は当て板の中心付近のミーゼス応力よりも大幅に大きくなります。

点 a におけるアングル鋼スケルトンのミーゼス雲図 (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/)。

点 B におけるアングル鋼フレームのミーゼス雲図 (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/)。

点 C におけるアングル鋼フレームのミーゼス雲図 (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/)。

荷重の増加に伴い試験片は弾塑性段階（AB）に入り、山形鋼の全長で降伏応力（328 MPa）に達しますが、バテン応力は160～300 MPa程度になります。降伏応力に達しないこと。このとき、供試体の中間当て金のミーゼス応力は端当て金のミーゼス応力よりも著しく大きく、山形鋼との接続部における当て金のミーゼス応力は当て金中心点付近よりも著しく大きい。。

試験体は載荷の進行とともに下降区間（BC）に入り、コンクリートの径方向変形が急激に増大し、目板の引張応力が増加し、最終的に降伏応力に達します。ほとんどの標本は 2 番目と 5 番目のバテンに屈します。

図 24 より，空隙率の小さい供試体（SCAH-2，SCAH-4）のコア部のコンクリートは三軸拘束とみなせるのに対し，空隙率の大きい供試体はコア部のコンクリートが三軸拘束とみなせることがわかる。 (SCAH-3、SCAH-5) は二軸拘束とみなすことができます。

供試体断面のコンクリート拘束状態のシミュレーション結果（ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/）。

マンダーモデル28は、一般的なコンクリート角柱を拘束するあばら筋用に確立されています。コアコンクリートに対するスターラップの横拘束効果と、有効拘束領域と長方形拘束の「アーチ効果」を考慮します。アングル鋼拘束高強度軽量骨材コンクリートの支持力計算が適用できるかどうかを考慮して、モデルを以下のように検証します。

空隙率が小さい試験体の場合、三軸拘束コンクリートの圧縮強度式は式(4)に示されます。

空隙率が大きい試験体の場合、二軸拘束コンクリートの圧縮強度式は式(5)に示されます。

注：中空率が16％未満の試験片を中空率の小さい試験片とし、それ以外の試験片を中空率の大きい試験片とみなします。

式中、 \(f^{\prime}_{cc}\) は拘束コンクリートの圧縮強度を表します。 \(f^{\prime}_{c0}\) は非拘束コンクリートのピーク応力を表します。この論文では \(f^{\prime}_{c0} = 0.85f_{c}\)29 とします。 \(f^{\prime}_{l}\) - 横拘束応力。

式中: \(k_{e}\) は有効拘束係数を表し、\(f_{l}\) はバッテンプレート上の拘束圧力を表します。バテンプレートの降伏;\(b_{c}\) はバテンの中心線間の距離を表します。 \(s\) と \(s^{\prime}\) はそれぞれ山形鋼と目板の間隔を表します。力の釣り合い（図 25 に示す）に従って、バッテンプレート上の拘束圧力 \(f_{l}\) が計算されます。丸穴付き中空柱の当て板上の拘束圧力 \(f_{l}\) は式 (8) のようになり、丸穴付き中空柱の当て板上の拘束圧力 \(f_{l}\) は式 (8) のようになります。角穴は式(9)の通りです。

拘束応力計算の概略図 (Microsoft PowerPoint 2019 https://www.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/powerpoint)。

式中: \(f_{yb}\) と \(A_{sb}\) はそれぞれバッテンの降伏強度と単一バッテンの面積を表します。\(D\) と \(a\) は直径を表します丸穴の辺の長さと角穴の辺の長さ。丸穴中空柱のコアコンクリートの断面積\(A_{c}\)は式(10)で表され、中空柱のコアコンクリートの断面積\(A_{c}\)は角穴の場合は式(11)で表されます。

重ね合わせ原理に基づいて、鋼繊維複合中空柱、高強度軽量骨材コンクリート、山形鋼の軸圧縮耐力は、式(12)に従って計算できます。

式中、 \(f^{\prime}_{cc}\) は拘束コンクリートの圧縮強度を表します。 \(f^{\prime}_{c0}\) と \(A_{cor}\) は、それぞれ非拘束コンクリートのピーク応力とコンクリートかぶりの断面積を表します。 \(f_{s}\) と \(A_{s}\) はそれぞれ山形鋼の降伏強さと総断面積を表します。

試験荷重の不具合により試験結果が影響を受ける可能性があるため、低減率1.2を大きくする必要があります。表 6 によると、\(P_{u}\)/\(N_{u}\) の値は 1.00 ～ 1.28 であり、平均値は 1.156、標準偏差は 0.406、変動係数であることがわかります。マンダーモデルの重ね合わせ原理を計算に用い、山形鋼の躯体がコンクリート強度に及ぼす影響を考慮すると、0.351となる。計算値が試験値より小さい場合の方法で計算した方が安全です。

この論文では,鋼繊維,高強度軽量骨材コンクリートおよびアングル鋼の複合中空柱の軸方向圧縮特性に及ぼす様々な空隙率と開口方法の影響を研究した。軽量骨材コンクリートと中空柱を組み合わせて試験体の自重を大幅に軽減し、有限要素法によるシミュレーションを行っています。 SCAH の支持力は 3 つの方法で計算され、次の結論が得られます。

SCAH-2～SCAH-5 の端部は著しく損傷しており、亀裂は端部から試験片中央まで伸びており、幅が広がっています。 SCAH-1 のカラム端は十分に拘束されており、試験片の破損は主に中央に集中しています。

鋼繊維、高強度軽量骨材コンクリート、アングル鋼の複合中空柱のピーク荷重は大幅に減少し、空隙率の増加とともに延性が増加します。同じ空隙率の下では、丸穴のある中空柱の変形延性係数は角穴のある中空柱の変形延性係数よりわずかに低くなります。空隙率が大きい場合、丸穴のピーク荷重は角穴のピーク荷重よりも高くなります。中実柱と比較して、中空率16%の角穴を有する中空柱は支持力や延性に大きな影響を与えず、延性は中実柱より優れています。

有限要素シミュレーションによって得られた支持力および荷重-縦変形曲線は実験値とよく一致した。弾性段階では、コンクリートの圧縮応力は-20 MPa未満であり、山形鋼と目板は降伏応力に達しません。弾塑性段階では、空隙率が小さい供試体のコンクリートコア部の最大圧縮応力が大幅に増加する（最大−60MPa）のに対し、空隙率が大きい供試体のコンクリートの圧縮応力はわずかに増加する（約−30 MPa）、アングル鋼の全長で降伏応力に達しますが、バッテンはまだ降伏応力に達していません。下降部（BC）では、供試体コンクリート表面の圧縮応力は小さく（−6〜−13MPa程度）、小さな引張応力（0〜8MPa）も発生します。コンクリートの半径方向の変形は急速に増加し、一部の当て木は降伏応力に達します。

山形鋼の躯体がコンクリート強度に及ぼす影響をマンダーモデルで考慮し，重ね合わせ計算を行った。計算値が試験値よりも小さくなる方法で計算した方が安全であり、計算精度が高い。

現在の研究中に生成および/または分析されたデータセットは、資金の機密保持のため一般には公開されていませんが、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は主に中国国家自然科学財団 (51968058) によって支援され、部分的には内モンゴル自治区青少年科学技術人材支援プログラム (NJYT-18-A06) によって支援されました。内モンゴル自治区自然科学財団プロジェクト（2021MS05012）および内モンゴル科学技術大学建築科学研究所オープンファンドプロジェクト（JYSJJ-2021M16）の支援を受けました。

内モンゴル科学技術大学土木工学部、包頭、014010、内モンゴル自治区、中国

Zehui Xiang、Dan Qiao、Jiangang Niu

北京理工大学土木工学院、北京、100029、中国

劉偉恒

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転載と許可

Xiang、Z.、Qiao、D.、Niu、J. 他。鋼繊維複合中空柱、高強度軽量骨材コンクリート、山形鋼の軸方向圧縮に関する実験研究。 Sci Rep 12、12409 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16581-w

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受信日: 2022 年 4 月 20 日

受理日: 2022 年 7 月 12 日

公開日: 2022 年 7 月 20 日

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

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