Жогорку бекемдиктеги бетон менен толтурулган болот түтүк (High-Strength Concrete-Filled Steel Tube, HSCFST) — жогорку бекемдиктеги бетон өзөгү аны курчап турган болот түтүк менен бирге жүк көтөргөн курама конструкциялык элемент. Болот түтүк бетонду айланта чектейт, ал эми бетон өзөк болот түтүктүн жергиликтүү туруктуулугуна салым кошот; эки материалдын биргелешип иштеши үчүн болот–бетон интерфейсиндеги байланыш жана жылыш жүрүм-туруму өзгөчө маанилүү. Бул изилдөө HSCFST интерфейси −60 °C менен 60 °C аралыгындагы температураларда жүктү кандай өткөрөрүн 15 push-out сыноосу, регрессиялык талдоо, бөлүктүү байланыш чыңалуусу–жылыш модели жана ABAQUS чектүү элемент симуляциялары аркылуу изилдеген.

Сыноо программасында тышкы диаметри 140 mm болгон 15 тегерек HSCFST үлгүсү колдонулган. Болот түтүктүн дубал калыңдыктары 2, 3 жана 4 mm; максаттуу чөйрө температуралары 60, 20, 0, −20 жана −60 °C болгон. Интерфейс байланыш узундугу 420 mm болуп туруктуу кармалган жана 3 mm дубал калыңдыгына ээ серия негизги салыштыруу тобу катары колдонулган.

Сыноолор чөйрөнүн температурасы төмөндөгөн сайын жалпы интерфейс байланыш бекемдиги өскөнүн көрсөткөн. 3 mm дубал калыңдыгындагы негизги топто 20 °Cдеги 0,616 MPa байланыш бекемдиги 60 °Cде 0,587 MPaга төмөндөгөн; −60 °Cде болсо 1,123 MPaга жогорулаган. Бул маанилер 20 °Cге салыштырмалуу тиешелүүлүгүнө жараша %4,71 төмөндөөгө жана %82,31 өсүүгө туура келет.

Болот түтүктүн диаметр/дубал калыңдыгы катышы D/t көбөйгөн сайын байланыш бекемдиги жалпысынан азайган. Салыштырмалуу жука болот дубал өзөк бетонго болгон радиалдык чектөө таасирин алсыраткан; натыйжада интерфейстеги нормалдык басым, механикалык илинишүү жана сүрүлүү камсыз кылган жалпы каршылык азайган.

Төмөн температурада байкалган бекемдиктин өсүшү болот менен бетондун ар башка термиялык жыйрылышы, төмөн температурада материалдардын бекемдигинин өсүшү жана көңдөй/интерфейс суусунун тоңушу бере ала турган кошумча каршылык менен байланышкан. Бирок тоңгон суу сыноо маалында түздөн-түз сүрөткө түшүрүлгөн эмес жана баштапкы нымдуулук өлчөнгөн эмес, ошондуктан тоңууга байланыштуу кошумча байланыш механизми так далилденген эмес.

Изилдөөчүлөр сыноо маалыматтарынан ultimate байланыш бекемдиги жана ага туура келген жылыш үчүн эмпирикалык теңдемелерди иштеп чыгышкан. Ultimate байланыш бекемдигинин теңдемеси leave-one-out cross-validation талдоосунда R² = 0,8761 менен салыштырмалуу туруктуу натыйжа көрсөткөн, ал эми мүнөздүү жылыш теңдемесинин R² мааниси −0,5037 болгон. Ошондуктан жылыш байланышы так жекече божомол модели катары эмес, жалпы тенденцияны болжол менен түшүндүргөн катыш катары бааланууга тийиш.

Байланыш–жылыш жүрүм-туруму OA, AB/AC жана BC болуп мүнөздүү этаптарга бөлүнгөн жана үч башка ийри түрү үчүн бөлүктүү constitutive байланыш иштелип чыккан. Бул байланыш ABAQUS/Standard 2024 ичиндеги бөлүштүрүлгөн nonlinear connector элементтерине өткөрүлгөн. Модель изилдөөнүн өз сыноолору менен салыштырылганда орточо чоку жүктө %1,66 айырма көрсөткөн; бирок бул салыштыруу көз карандысыз текшерүү эмес, анткени модель параметрлери ошол эле сыноо маалыматтарынан алынган.

Чектүү элемент модели чыныгы ысытуу же муздатуу процессин өткөөл термо-механикалык түрдө симуляциялаган эмес. Ар бир температура алдын ала ошол температурага шартталган өзүнчө изотермалык механикалык абал катары моделденген. Ошондуктан изилдөө экстремалдуу температура шарттарындагы push-out жүрүм-туруму үчүн күчтүү эксперименттик жана сандык негиз сунуш кылганы менен, чыныгы конструкциялардагы температура градиенттери, термиялык циклдер жана узак мөөнөттүү эксплуатациялык жүрүм-турум үчүн кошумча текшерүү талап кылынат.

Изилдөө маселеси эмне үчүн маанилүү?

Бетон менен толтурулган болот түтүк системасында болот менен бетон жөн гана жанаша турган эки материал эмес. Болот түтүк өзөк бетонду айланта чектейт; бетон болсо болот түтүктүн ичкери багытталган жергиликтүү деформациясын чектей алат. Бирок бул курама таасир пайда болушу үчүн огтук жүк бир материалдан экинчисине интерфейс аркылуу өткөрүлүшү керек.

Бул өткөрүү химиялык адгезия, беттин бүдүрлүүлүгүнөн пайда болгон механикалык илинишүү жана байланыш бузулгандан кийин ишке кирген сүрүлүү сыяктуу механизмдерге көз каранды. Интерфейсте байкаларлык жылыш пайда болушу бетон өзөк менен болот түтүк мындан ары толук шайкеш деформация көрсөтпөй калганын билдирет.

Экстремалдуу температура бул системаны дагы татаал кылат. Болот менен бетондун жылуулук кеңейүү/жыйрылуу касиеттери бирдей эмес. Бетондун көңдөйлөрүндөгү эркин суу төмөн температурада тоңушу мүмкүн; болот менен бетондун ийкемдүүлүк модулдары жана бекемдиги температурага жараша өзгөрүшү мүмкүн. Ошондуктан бөлмө температурасында иштелип чыккан байланыш–жылыш модели −60 °C сыяктуу шарттарга түздөн-түз көчүрүлбөшү мүмкүн.

Адабияттагы боштук

Мурда кадимки бекемдиктеги CFST системаларында бөлмө температурасында, өрт шартында жана төмөн температурада интерфейс байланышы боюнча көптөгөн сыноолор жана моделдер иштелип чыккан. Бирок жогорку бекемдиктеги бетон төмөнүрөөк суу/цемент катышы, башка көңдөй түзүлүшү, жогорураак кысуу бекемдиги жана жогорураак морттук себептүү кадимки бетондон башкача жүрүм-турум көрсөтүшү мүмкүн.

Булак изилдөө үч боштукту көздөйт: температурага байланыштуу CFST тенденциялары HSCFST үчүн жарактуубу-жокпу текшерүү; ultimate байланыш бекемдигин гана эмес, бүт байланыш–жылыш ийри сызыгын моделдөө; иштелип чыккан бөлүктүү constitutive байланышты түздөн-түз чектүү элемент моделине колдонуу.

Экстремалдуу Температура HSCFST Интерфейс Байланыш Бекемдигине Кантип Таасир Этет?

Изилденген −60 °C менен 60 °C аралыгында HSCFST интерфейс байланыш бекемдиги температура жогорулаган сайын жалпысынан азайган; 3 mm дубал калыңдыгындагы негизги топто 20 °Cге салыштырмалуу 60 °Cде %4,71 төмөндөө, ал эми −60 °Cде %82,31 өсүү өлчөнгөн, бирок төмөн температурадагы өсүштүн бир бөлүгү үчүн сунушталган тоңуу механизми түздөн-түз тастыкталган эмес.

Температурага жараша бетон бекемдиги

Ошол эле бетон аралашмасынан даярдалган куб үлгүлөрдүн температурага байланыштуу кысуу бекемдиги төмөнкүдөй өлчөнгөн:

Төмөн температурада жогорураак кысуу бекемдиги алынганы менен, −60 °C үлгүлөрүнүн сынуу морфологиясы мортураак жана бөлүктөнгөн. Демек, “жогорку бекемдик” сөзсүз түрдө көбүрөөк пластикалык жүрүм-турумду билдирбейт.

Болоттун касиеттери да температурага жараша өзгөрөт

Болот түтүктөр Q235 төмөн көмүртектүү болоттон жасалган. Булак температура азайган сайын агуу жана тартылуу бекемдиктери жогорулаганын, ал эми узаруу жалпысынан азайганын көрсөтөт.

Мисалы, 3 mm болот үчүн агуу бекемдиги 60 °Cде 308,32 MPa, 20 °Cде 320,31 MPa жана −60 °Cде 396,43 MPa. Ошол эле үлгү тобунда үзүлүүдөгү узаруу 60 °Cде %29,27 болсо, −60 °Cде %19,81 деңгээлине түшкөн.

Ошондуктан төмөн температурадагы HSCFST интерфейсиндеги өзгөрүү бетон суусунун тоңушу менен гана түшүндүрүлө албайт; болоттун да, бетондун да температурага байланыштуу механикалык касиеттери өзгөрөт.

Негизги топтун температура–байланыш бекемдиги катышы

Таблица байланыш бекемдиги температура менен кыйла ырааттуу өзгөргөнү менен, мүнөздүү жылыш S_u монотондуу температура байланышын көрсөтпөй турганын ачык көрсөтөт. Бул кийинчерээк жылыш регрессиясынын төмөн LOOCV көрсөткүчү менен да шайкеш келет.

Төмөн Температурадагы Байланыштын Өсүшүнө Тоңуу Себеппи?

Булак бетон көңдөйлөрүндөгү же болот–бетон интерфейсиндеги суунун тоңушу механикалык илинишүүгө жана кошумча интерфейс каршылыгына салым кошушу мүмкүн деп болжолдойт; бирок сыноо учурунда муздун пайда болушу түздөн-түз сүрөткө түшүрүлгөн эмес жана баштапкы нымдуулук өлчөнгөн эмес, ошондуктан тоңуу байланыштын өсүшүнүн тастыкталган жалгыз себеби эмес.

Байкалган далил

Push-out сыноолорунан кийин төмөн температурадагы үлгүлөр кесилгенде болот түтүк менен бетон интерфейсинде нымдуулук байкалган. Изилдөөчүлөр бул нымдуулукту сыноо учурунда тоңгон суунун сыноодон кийин эриши менен шайкеш келген байкоо катары түшүндүрүшөт.

Ошол эле учурда төмөн температурадагы үлгүлөрдүн жүктөлгөн учтарында бетондун майдаланышы кыйла байкалып, чоңураак жүктөр көтөрүлгөн.

Жетишпеген түз далил

Изилдөө sub-zero абалда интерфейсти сүрөткө түшүргөн эмес. Баштапкы суу/нымдуулук өлчөмү да сандык түрдө өлчөнгөн эмес. Ошондуктан муздун жайгашуусун, көлөмүн жана байланыш бекемдигине өзүнчө салымын эсептөө мүмкүн эмес.

Ошондуктан Verianla баянында “муз кошумча каршылык жараткан болушу мүмкүн” деген билдирүү ылайыктуу; “байланыш бекемдиги муздан улам %82,31 өстү” деген билдирүүнү булак колдобойт.

Диаметр/Дубал Калыңдыгы Катышы D/t Эмне Үчүн Байланыш Бекемдигин Азайтат?

D/t көбөйгөндө болот түтүк ошол эле диаметрге салыштырмалуу жука болуп калат, ошондуктан радиалдык катуулук жана өзөк бетонго айланма чектөө азаят; натыйжада интерфейстеги нормалдык контакт күчү, механикалык илинишүү жана сүрүлүү камсыз кылган байланыш каршылыгы алсырайт.

D/t маанилери

Бардык сыноо үлгүлөрүнүн тышкы диаметри 140 mm. Ошого ылайык:

60 °Cде байланыш бекемдиги D/t = 35 үчүн 0,845 MPa, D/t = 46,67 үчүн 0,587 MPa жана D/t = 70 үчүн 0,564 MPa.

−60 °Cде тиешелүү маанилер 1,446, 1,123 жана 1,008 MPa.

Бул тенденция изилденген бардык температураларда жалпысынан байкалган.

D/t үчүн экинчи даражадагы туюнтмалар эмне үчүн “физика мыйзамы” эмес?

Булак ар бир температура үчүн үч D/t чекитине экинчи даражадагы ийри ылайыкташтырган. Бирок изилдөөчүлөр болгону үч D/t деңгээли болгондуктан бул теңдемелерди атайын интерполяциялык байланыштар деп аташат жана алар тастыкталган жалпы функционалдык мыйзам эмес экенин белгилешет.

Ошондуктан теңдемелерди сыналган 35–70 аралыгынан кыйла алыска ишенимдүү экстраполяциялоого болбойт.

Орточо байланыш чыңалуусун эсептөө

Сыноодо интерфейс боюнча бардык жергиликтүү байланыш чыңалуусу түз өлчөнбөгөндүктөн, эквиваленттүү орточо ultimate байланыш чыңалуусу колдонулган:

\[ \tau_u=\frac{P_u}{\pi D_0 l} \tag{1} \]

Бул жерде \(\tau_u\) болот–бетон интерфейсиндеги эквиваленттүү орточо ultimate байланыш бекемдиги болуп, MPa менен берилет. \(P_u\) — мүнөздүү байланыш бузулуу жүгү; \(D_0\) — болот түтүктүн ички диаметри, \(l\) болсо болот–бетон байланыш узундугу.

Теңдеменин бөлгүчүндөгү \(\pi D_0l\) цилиндрдик интерфейстин номиналдык байланыш аянтын билдирет. Демек, бирдей жүк үчүн интерфейс аянты чоңураак болсо, орточо чыңалуу төмөнүрөөк болот.

Бул чоңдук жергиликтүү интерфейс чыңалуусу ар бир чекитте чындап эле бирдей дегенди билдирбейт; ал сыноодогу глобалдык байланыш каршылыгын салыштыруу үчүн колдонулган эквиваленттүү орточо мааниге жатат.

Push-out ийри сызыктарынын үч жүрүм-турум түрү

Булак байланыш чыңалуусу–жылыш ийри сызыктарын үч түргө бөлөт. Type I ачык чоку көрсөтпөйт жана биринчи мүнөздүү бурулуш чекитинен кийин тегизирээк уланат. Type II ачык чоку жана андан кийин азайган каршылык көрсөтөт. Type III да ачык чокуга ээ, бирок кийинки сүрүлүү эволюциясы башкача өнүгөт.

Бул ийри сызыктар ар башка көрүнгөнү менен, изилдөөчүлөр байланыш аркылуу жүк өткөрүүнү жалпы физикалык этаптар менен түшүндүрүшөт.

OA этабы: адгезия жана баштапкы илинишүү

Алгачкы жүктөө учурунда болот менен бетондун ортосундагы салыштырмалуу жылыш өтө аз. Химиялык адгезия негизги каршылык булактарынын бири; төмөн температурада тоңгон интерфейс суусу кошумча салым бериши мүмкүн.

Жүк көбөйгөн сайын химиялык адгезия уч жагынан бузулуп баштайт жана механикалык илинишүүнүн салыштырмалуу мааниси жогорулайт.

AB / AC этабы: кеңири таралган жылыш

Жылыш интерфейс боюнча тараган сайын химиялык адгезиянын салымы азаят. Механикалык илинишүү жана статикалык сүрүлүү жүк өткөрүүдө маанилүүрөөк болуп калат.

Ийри түрүнө жараша бул этапта экинчи чоку, плато же төмөндөөчү бутак пайда болушу мүмкүн.

BC этабы: калдык сүрүлүү

Химиялык адгезия жана механикалык илинишүү негизинен жоголгондон кийин кинетикалык сүрүлүү интерфейс каршылыгынын негизги бөлүгүнө айланат. Жылыш өсүүнү улантканда ийри сызыктын ылдыйлыгы азаят.

Нормалдаштырылган жогорулаган бутак

Бөлүктүү моделдин жогорулаган бутагы булакта төмөнкү өлчөмсүз түрдө берилген:

\[ \frac{\tau}{\tau_u} = \left(\frac{S}{S_u}\right)^\beta \tag{22} \]

Бул жерде \(S/S_u\) нормалдаштырылган жылыш, \(\tau/\tau_u\) нормалдаштырылган байланыш чыңалуусу жана \(\beta\) жогорулаган бутактын формасын көзөмөлдөгөн өлчөмсүз параметр.

15 үлгүдө \(\beta\) 0,890 менен 1,528 арасында өзгөргөн, арифметикалык орточо 1,172 болгон. Булак D/t же температура менен системалуу \(\beta\) байланышын аныктай албагандыктан жөнөкөйлөштүрүлгөн моделде \(\beta=1,172\) колдонгон.

\(S/S_u=0,50\) болгондо \(\beta=0,890\), 1,172 жана 1,528 үчүн нормалдаштырылган байланыш чыңалуулары тиешелүүлүгүнө жараша 0,540, 0,444 жана 0,347. \(S/S_u=0,90\) болгондо маанилер 0,910, 0,884 жана 0,851 маанисине жакындайт. Бардык ийри сызыктар \(S/S_u=1\) чекитинде \(\tau/\tau_u=1\)де биригет.

Демек, \(\beta\) чоку бекемдикти же чоку жылышты өзгөртпөйт; негизинен чокуга чейинки катуулукту жана ийринин формасын көзөмөлдөйт.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Үлгүнүн геометриясы

Жылышты өлчөө оюктары

Болот түтүктөрдө үч башка бийиктикте 10 × 40 mm өлчөмүндөгү узунунан оюктар ачылып, 200 × 8 × 2 mm болот тилкелер өткөрүлгөн. Бул система интерфейстин ар башка жерлериндеги салыштырмалуу жылыштарды жылыш өлчөгүчтөр менен көзөмөлдөөгө мүмкүндүк берген.

Оюктардын жалпы интерфейс аянтына катышы болжол менен %0,67–0,69. Сыноо учурунда алардын айланасында ачык жергиликтүү бүктөлүү байкалган эмес; бирок оюктар айланма катуулукту жергиликтүү азайтышы жана болот тилкелер бетон менен кошумча механикалык өз ара аракет түзүшү мүмкүн.

Булакта оюксуз контролдук үлгү жок болгондуктан, бул таасирдин көлөмү өзүнчө ажыратылган эмес.

Катууруу жана температурага шарттоо

Бардык push-out үлгүлөрү жана эталон бетон кубдары бир эле бетон аралашмасынан куюлуп, 20 ± 2 °C температурада жана кеминде %95 салыштырмалуу нымдуулукта 28 күн стандарттык шартта катырылган.

Төмөн температурадагы сыноолордун алдында үлгүлөр 48 саат ультра-төмөн температура камерасында кармалып; сыноо учурунда суюк азот колдонулуп чөйрө температурасы сакталган.

60 °C шартында электр жылытуу тасмалары колдонулган. Өзөк бетонго орнотулган PT100 сенсорлору ички температураны үзгүлтүксүз көзөмөлдөгөн. Максаттуу температура сыноо бою ±2 °C чегинде кармалган.

Жүктөө протоколу

Push-out сыноолору 500 kN кубаттуулуктагы компьютер менен башкарылган универсалдуу сыноо жабдуусунда жүргүзүлгөн.

Биринчи этапта жүктү башкаруу колдонулган; ар бир жүк кадамы болжолдуу ultimate жүктүн %5 бөлүгү болуп белгиленип, 1–2 мүнөт кармалган. Nonlinear жылыш башталганда же ultimate жүктүн болжол менен %70 деңгээлине жеткенде жылышты башкарган жүктөөгө өткөн.

Максималдуу салыштырмалуу жылыш 30 mm чейин көзөмөлдөнгөн.

15 үлгүнүн негизги push-out жыйынтыктары

Температурага байланыштуу сызыктуу эксперименттик байланыштар

Ар бир дубал калыңдыгы үчүн булак сыноо аралыгында температура менен ultimate байланыш бекемдигинин ортосунда төмөнкү регрессияларды берген:

\[ \tau_u=-0.0039T+0.7196 \qquad (t=2\text{ mm}) \tag{2} \]

\[ \tau_u=-0.0045T+0.7738 \qquad (t=3\text{ mm}) \tag{3} \]

\[ \tau_u=-0.0048T+1.0796 \qquad (t=4\text{ mm}) \tag{4} \]

Бул туюнтмаларда \(T\) °C, \(\tau_u\) MPa. Терс температура коэффициенттери тиешелүү сыноо топторунда температура жогорулаган сайын байланыш бекемдигинин азайышына шайкеш келет.

Ultimate Байланыш Бекемдиги жана Мүнөздүү Жылыш Теңдемелери Канчалык Ишенимдүү?

Ultimate байланыш бекемдиги үчүн иштелип чыккан Equation (10) leave-one-out cross-validation талдоосунда R² = 0,8761 менен салыштырмалуу туруктуу натыйжа берген; ал эми мүнөздүү жылыш Equation (11) үчүн R² = −0,5037 болгондуктан бул экинчи теңдеме так божомол модели эмес, жалпы тенденцияны гана болжолдуу сүрөттөгөн эмпирикалык байланыш катары колдонулууга тийиш.

Көп өзгөрмөлүү ultimate байланыш бекемдиги теңдемеси

Булак Equation (10):

\[ \tau_u= k\frac{1}{\gamma} \left[ 0.003T +0.022f_{cu} +0.0007\left(\frac{D}{t}\right)^2 -0.082\left(\frac{D}{t}\right) +1.152 \right] \tag{10} \]

Бул жерде \(\tau_u\) ultimate интерфейс байланыш бекемдиги (MPa); \(T\) чөйрө температурасы (°C); \(f_{cu}\) жогорку бекемдиктеги бетондун куб кысуу бекемдиги (MPa); \(D/t\) өлчөмсүз диаметр/дубал калыңдыгы катышы.

\(\gamma=1.055\) түзөтүү коэффициенти. \(k\) болот түтүктүн ички бетинин абалын билдирет: шилтеме кылынган мурдагы изилдөөгө ылайык дат баскан бет үчүн 1,3; кол менен тазаланган орой бет үчүн 1,0; механикалык тазаланган жылмакайыраак бет үчүн 0,7. Бул изилдөөдө \(k=1,0\) колдонулган.

Бул эмпирикалык регрессия теңдемеси; анын коэффициенттери универсалдуу өлчөмдүү физикалык туруктуулар эмес жана булак изилдөө шарттарынан тышкары түздөн-түз жалпыланбашы керек.

Мүнөздүү жылыш теңдемеси

Булак Equation (11):

\[ S_u= k\frac{1}{\lambda} \left[ -0.079T -0.237f_{cu} -0.015\left(\frac{D}{t}\right) +25.525 \right] \tag{11} \]

Бул жерде \(S_u\) ultimate байланыш бекемдигине туура келген мүнөздүү жылыш (mm) жана \(\lambda=0.997\).

Булакта эксперименттик маанилер менен эки теңдеме үчүн жалпы шайкештик R² = 0,948 деп берилген; байланыш бекемдиги жана жылыш теңдемелеринин орточо каталары тиешелүүлүгүнө жараша болжол менен %7,33 жана %10,33. Бирок бул калибрлөө шайкештиги өзүнөн-өзү моделдин көрүнбөгөн маалыматтагы иштөөсүн көрсөтпөйт.

LOOCV эмне үчүн маанилүүрөөк эскертүү берет?

Leave-one-out cross-validation процессинде ар бир жолу 15 үлгүнүн бири сыртта калтырылып, теңдеме калган 14 үлгү менен кайра курулуп, сыртта калган үлгү болжолдонгон.

Ultimate байланыш бекемдигинин температура, бетон бекемдиги жана D/t менен ырааттуураак байланышы Equation (10)дун жакшыраак жалпыланышына жардам берет.

S_u болсо жергиликтүү интерфейс шарттарынан, жаракалардын өнүгүшүнөн, өндүрүш толеранттуулуктарынан жана бузулуу эволюциясынан күчтүүрөөк таасир алат. Терс LOOCV R² Equation (11) сыртта калтырылган үлгүлөр үчүн жөнөкөй орточо божомолдон да начар иштеши мүмкүн экенин билдирет.

Изилдөөнүн үч этаптуу constitutive модели

Эксперименттик ийри сызыктар OA, AB/AC жана BC этаптарына бөлүнгөн. Булак Equation (15) бул этаптарды Type I, II жана III жүрүм-турумдар үчүн ар башка математикалык бутактар менен бириктирет.

OA жогорулаган бутагы Equation (22)деги даража мыйзамы менен берилет. Кийинки бутактарда сызыктуу/рационалдык байланыштар колдонулуп, чоку, төмөндөөчү бутак жана калдык сүрүлүү аймактары бириктирилген.

Булакта \(a\), \(b\), \(c\), \(d\), \(c'\) жана \(d'\) коэффициенттери эксперименттик мүнөздүү чекиттерден регрессия аркылуу алынган. Моделдин максаты бир идеалдуу ийрини бардык үлгүлөргө мажбурлап колдонуу эмес, сыноолордо байкалган үч негизги ийри формасын бир бөлүктүү түзүлүштүн ичинде көрсөтүү.

Чектүү элемент тору

ABAQUS/Standard 2024 моделинде болот түтүк S4R төрт түйүндүү reduced-integration shell элементтери менен; бетон өзөк C3D8R сегиз түйүндүү reduced-integration solid элементтери менен моделденген.

%5 кабыл алуу критерийи колдонулгандыктан, 10 × 10 × 10 mm тор эсептөө чыгымы менен тактыктын ортосундагы тандоо катары алынган.

Бетондун damaged plasticity параметрлери

Бетон үчүн ABAQUS concrete plastic damage модели колдонулган. Булакта дилатация бурчу 35°, эксцентриситет 0,1, эки огулуу/бир огулуу кысуу бекемдигинин катышы \(f_{b0}/f_{c0}=1.1667\) жана илешкектүүлүк параметри 0,005 деп берилген.

Температурага байланыштуу материал коэффициенттери

Болоттун агуу бекемдиги үчүн температураны азайтуу/көбөйтүү коэффициенти:

\[ k_y(T)= 1-0.001504(T-20) +1.832\times10^{-5}(T-20)^2 \tag{30} \]

Бетондун огтук кысуу бекемдиги үчүн:

\[ k_c(T)= 1-0.00479(T-20) +7.42\times10^{-6}(T-20)^2 \tag{31} \]

Андан кийин:

\[ f_{yT}=f_{y20}k_y(T) \tag{32} \]

\[ f_{cT}=f_{c20}k_c(T) \tag{33} \]

Бул байланыштар изилдөөдө колдонулган температура жана материал маалыматтарынан гана алынган моделдер.

Болот–бетон интерфейсин FEAда моделдөө

Интерфейсте түздөн-түз nonlinear connector элементтери түзүлүп, Python 3.10 скрипти менен эталон модель үчүн жалпысынан 1806 connector автоматтык түрдө түзүлгөн.

Connector элементтери байланышкан аймак боюнча тең жана симметриялуу бөлүштүрүлгөн. Ар бир connector үчүн күч–жылыш ийри сызыгы жалпы байланыш күчүн connector санына бөлүү аркылуу алынган.

Нормалдык багыттагы жылыш тангенциалдык жылышка салыштырмалуу кыйла аз болгондуктан, нормалдык контакт үчүн hard contact колдонулган.

Жүктөө учунда U3 = 30 mm жылыш берилген; U1, U2 жана бардык айлануулар нөлгө теңелген. Төмөнкү эталон чекит толугу менен бекитилген.

Чектүү Элемент Модели Чыныгы Ысытуу жана Муздатуу Процессин Симуляциялайбы?

Жок. ABAQUS модели өткөөл температура талаасын же болот менен бетондун ысытуу/муздатуу учурунда пайда кылган термиялык чыңалууларын чечпейт; ар бир максаттуу температураны өзүнчө изотермалык механикалык абал катары карап, ошол температурада өлчөнгөн материал жана интерфейс касиеттери менен push-out жүктөөсүн симуляциялайт.

Бул чектөө эмне үчүн маанилүү?

Чыныгы көпүрөдө же мамыда күн–түн, мезгил же кескин муздоо учурунда кесилиш боюнча температура градиенти пайда болушу мүмкүн. Болоттун жылуулук өткөрүмдүүлүгү жогору болгондуктан, тышкы түтүк менен бетон өзөктүн бир убакта бирдей температурага жетиши күтүлбөйт.

Булак сыноосунда болсо үлгүлөр максаттуу температурага шартталып, ички температура турукташкандан кийин сыналган. Чектүү элемент модели да так ушул эксперименттик абалды кайталайт.

Ошондуктан бул модель термиялык цикл чарчоосу, тез муздоо, күн ичиндеги температура градиенти же transient thermo-mechanical бузулуу модели эмес.

Калибрлөө менен көз карандысыз текшерүүнүн айырмасы

Өзүнүн 15 үлгүсү менен жүргүзүлгөн FEA салыштыруу жогорку шайкештикти көрсөтөт; бирок байланыш–жылыш параметрлери ошол эле маалымат топтомунан иштелип чыккандыктан, бул процесс көз карандысыз validatsiya эмес, моделдин өз калибрлөө маалыматтарын ырааттуу кайра чыгара алабы-жокпу текшерүү болуп саналат.

Көз карандысызыраак сыноо үчүн Yan жана кесиптештеринин мурда жарыяланган үлгүлөрү колдонулган.

Бирок C4 үлгүсүнүн −80 °C шарты жана C45 бетон сыяктуу айрым касиеттер моделдин −60 менен 60 °C жана болжол менен 69,5–108,6 MPa куб бекемдиги боюнча калибрлөө мейкиндигинен тышкары. Ошондуктан булак бул салыштырууну “external extrapolative assessment” деп атайт.

FEA чыңалуу контурларынын мааниси

Figure 28–30 сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн von Mises талаалары болот түтүк менен бетон өзөктүн механикалык чыңалуу бөлүштүрүлүшүн көрсөтөт. Болотто узунунан чыңалуу жүктөө учунан эркин учка карай өсөт, ал эми бетон өзөктө жүктөө учунан эркин учка карай азаят.

Эркин учтагы бош болот түтүк бөлүгүндө жергиликтүү чыңалуу концентрациясы; бетондун жүктөлгөн учунда болсо башка чыңалуу концентрациясы пайда болгон.

Бул контурлар түздөн-түз connector bond stress картасы эмес. Булак аларды чыныгы интерфейс боюнча nonuniform жергиликтүү байланыш чыңалуусунун сандык validatsiyaсы катары колдонбоо керектигин өзгөчө белгилейт.

Булак сүрөттөрүнүн илимий ролу

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

−60 менен 60 °C аралыгындагы изилденген шарттарда HSCFST интерфейс байланыш бекемдиги жалпысынан температура жогорулаган сайын азаят.

3 mm дубал калыңдыгындагы топто −60 °Cдеги байланыш бекемдиги 20 °Cге салыштырмалуу %82,31 жогору.

D/t катышы көбөйгөн сайын изилденген сыноо аралыгында байланыш бекемдиги жалпысынан азаят.

Байланыш–жылыш жүрүм-туруму химиялык адгезия, механикалык илинишүү жана сүрүлүү этаптары менен түшүндүрүлө турган көп этаптуу мүнөз көрсөтөт.

Ultimate байланыш бекемдиги үчүн иштелип чыккан эмпирикалык теңдеме LOOCVде салыштырмалуу туруктуу натыйжа берет.

Бөлүктүү байланыш–жылыш катышы эксперименттик ийри сызыктардын негизги формасын көрсөтө алат.

Бөлүштүрүлгөн nonlinear connector ыкмасы глобалдык push-out жүк–жылыш жүрүм-турумун изилдөөнүн сыноо шарттарында жакын түрдө кайра чыгарган.

Изилдөө колдобогон жыйынтыктар

Байланыш бекемдигинин өсүшүнүн баары муз пайда болушунан келип чыккандыгы далилденген эмес.

−60 °Cдеги жыйынтыктар бардык HSCFST геометрияларына же бетон класстарына автоматтык түрдө жалпыланбайт.

Equation (11) мүнөздүү жылышты жогорку тактыкта болжолдогон жалпылануучу модель эмес.

FEAнын өз 15 үлгүсү менен шайкештиги көз карандысыз validatsiya эмес.

Модель өткөөл жылуулук жүктөөсүн жана термиялык чыңалууларды чечпейт.

Figure 28–30 чыныгы жергиликтүү интерфейс байланыш чыңалуусу картасы эмес.

Модель өндүрүштөн келип чыккан баштапкы геометриялык кемчиликтерди камтыбайт.

Изилдөө температуралык циклди, узак мөөнөттүү тоңуу–эрүүнү же чыныгы талаа кызмат мөөнөтүнүн көрсөткүчүн изилдеген эмес.

Негизги чектөөлөр

Бир кайталоо: Ар бир температура–дубал калыңдыгы айкалышында бир гана push-out үлгүсү бар.

Температура–бетон бекемдигинин аралашуусу: Бетон бекемдиги температура менен кошо өзгөргөндүктөн, бул эки таасирди эксперименттик долбоордо толук ажыратуу мүмкүн эмес.

Нымдуулук өлчөнгөн эмес: Термиялык шарттоодон мурда бетондун нымдуулугу түздөн-түз аныкталган эмес.

Муздун түз байкалбашы: Тоңгон интерфейс суусу кошумча каршылык түзөт деген механизм post-test байкоолоруна негизделет.

Өлчөө оюктары: Жылышты өлчөө үчүн ачылган оюктардын таасирин аныктай турган оюксуз контролдук үлгү жок.

Uniform температура: Сыноолор болжол менен туруктуу жана uniform максаттуу температураларда жүргүзүлгөн; чыныгы конструкциядагы термиялык градиенттер жана циклдер изилденген эмес.

Бир тектүү интерфейс модели: Connector элементтерине бирдей номиналдык жергиликтүү байланыш берилген; интерфейс боюнча чыныгы мейкиндик өзгөрмөлүүлүк моделденген эмес.

Геометриялык кемчиликтер: Болот түтүктө өндүрүш кемчилиги же баштапкы imperfection берилген эмес.

Бузулуу өзгөрмөлөрү: PEEQ, DAMAGEC, DAMAGET жана SDEG аркылуу деталдуу жергиликтүү бузулуу талдоосу жүргүзүлгөн эмес.

Чектелген тышкы баалоо: Yan жана кесиптештеринин маалымат топтому пайдалуу болгону менен, айрым үлгүлөр калибрлөө мейкиндигинен тышкары жана кеңири көз карандысыз validatsiya маалымат базасын түзбөйт.

Келечектеги изилдөө багыттары

Булак бирдей температура шарттарында кайталанган үлгүлөрдү жана ар башка бетон бекемдик класстарын колдонуу менен температура менен бетон бекемдигинин таасирин жакшыраак ажыратууну сунуштайт.

Температура градиенттери, термиялык циклдер, реалдуу убакыттагы интерфейс тоңуусун өлчөө жана баштапкы нымдуулук келечекте түздөн-түз өлчөнүшү керек.

Чектүү элемент моделинде өлчөнгөн геометриялык кемчиликтерди, жайгашууга байланыштуу байланыш–жылыш мамилелерин жана калибрленген тартылуу/кысуу бузулуу эволюциясынын өзгөрмөлөрүн колдонуу сунушталат.

Кеңири температура, геометрия жана материал аралыгын камтыган көз карандысыз эксперименттик маалымат базалары менен моделдин чыныгы жалпылануучулугу текшерилиши керек.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түпнуска изилдөө: Bond Transfer Mechanisms and Slip Evolution in High-Strength Concrete-Filled Steel Tubes Under Extreme Temperatures Through Push-Out Tests and Finite Element Simulations

Авторлор: Mingyong Zhong; Yingjun Yang; Wenfeng Zhou; Xingtao Liu; Xijuan Yang; Li Wang.

Жооптуу автор: Yingjun Yang.

Мекемелер: School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University; Gansu Road & Bridge Construction Group Co., Ltd.; Gansu Wantai Construction Engineering Co., Ltd., Кытай.

Журнал: Buildings.

Басма/platform: MDPI.

Библиографиялык жазуу: Buildings, 2026, 16(17), Article 3557.

DOI: 10.3390/buildings16173557.

Жарыялоо процесси: Кабыл алынган 26 Июль 2026; түзөтүү 27 Август 2026; кабыл алынган 27 Август 2026; жарыяланган 7 Сентябрь 2026.

Булак түрү: Рецензияланган жана жарыяланган эксперименттик курулуш инженериясы + чектүү элемент талдоосу боюнча изилдөө.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Сыноо үлгүсү: 15 тегерек HSCFST кыска мамы.

Максаттуу температуралар: 60, 20, 0, −20 жана −60 °C.

Болот дубал калыңдыктары: 2, 3 жана 4 mm.

Тышкы диаметр: 140 mm.

Байланыш узундугу: 420 mm.

Сыноо жабдуусу: 500 kN компьютер менен башкарылган электрондук универсалдуу сыноо жабдуусу.

Төмөн температурага шарттоо: Ультра-төмөн температура камерасында 48 саат жана сыноо учурунда суюк азот менен температураны көзөмөлдөө.

Температураны өлчөө: Бетон өзөккө орнотулган PT100 сенсорлору; сыноо учурунда максаттуу маанини ±2 °C чегинде кармоо.

Негизги эксперименттик метрика: Эквиваленттүү орточо ultimate интерфейс байланыш бекемдиги \(\tau_u=P_u/(\pi D_0l)\).

Регрессия өзгөрмөлөрү: Чөйрө температурасы T, бетон куб кысуу бекемдиги f_cu, диаметр/дубал калыңдыгы катышы D/t жана болот ички бетинин абал коэффициенти k.

Cross-validation: Leave-one-out cross-validation; Equation (10) үчүн R² = 0,8761, Equation (11) үчүн R² = −0,5037.

Бөлүктүү модель: Type I, Type II жана Type III байланыш чыңалуусу–жылыш ийри сызыктары; OA, AB/AC жана BC мүнөздүү этаптары.

Өкүл β: 1,172; сыноолордо 0,890–1,528 аралыгы.

FE программасы: ABAQUS/Standard 2024.

Болот элементи: S4R shell.

Бетон элементи: C3D8R solid.

Mesh: 10 × 10 × 10 mm; 5 mm эталон meshке салыштырмалуу P_u айырмасы %1,39, S_u айырмасы %0.

Бетон модели: Concrete plastic damage; дилатация бурчу 35°, eccentricity 0,1, f_b0/f_c0 = 1,1667, viscosity = 0,005.

Интерфейс: Эталон моделде Python 3.10 менен түзүлгөн 1806 distributed nonlinear connector.

Жүктөө чектик шарты: U3 = 30 mm жылыш; төмөнкү эталон чекит толугу менен бекитилген.

Термиялык модель чектөөсү: Өткөөл ысытуу/муздатуу жана дифференциалдык термиялык чыңалуулар ачык симуляцияланган эмес; ар бир температура өзүнчө изотермалык механикалык шарт.

FE өз-сыналышы менен салыштыруу: Калибрлөөгө негизделген ырааттуулукту баалоо; көз карандысыз validatsiya эмес.

Тышкы баалоо: Yan жана кесиптештеринин көз карандысыз эксперименттик маалыматтары менен external extrapolative assessment; айрым шарттар модель калибрлөө аралыгынан тышкары.

Негизги FEA жыйынтыгы: Булактын жыйынтыктар бөлүмүнө ылайык орточо peak-load айырмасы %1,66; башка мүнөздүү жүк айырмалары %5 көрсөткүчүнөн төмөн.

Каржылоо: Gansu Provincial Natural Science Foundation, Grant 25JRRA207.

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Изилдөөдө берилген маалыматтар макаланын ичинде жеткиликтүү.

Этика комитети: Колдонулбайт.

Маалымдалган макулдук: Колдонулбайт.

Кызыкчылыктардын кагылышы/корпоративдик иш менен камсыз болуу: Yingjun Yang, Gansu Road & Bridge Construction Group Co., Ltd.; Wenfeng Zhou жана Xingtao Liu, Gansu Wantai Construction Engineering Co., Ltd. кызматкерлери. Башка авторлор потенциалдуу коммерциялык же каржылык кызыкчылык байланышын билдирген эмес. Булак боюнча каржылоочу изилдөө дизайнына, маалымат чогултууга/талдоого, жазууга же жарыялоо чечимине катышкан эмес.

Автордук салымдар: Концептуалдаштыруу Mingyong Zhong жана Yingjun Yang; ыкма Mingyong Zhong, Yingjun Yang жана Wenfeng Zhou; программалык камсыздоо Yingjun Yang; validatsiya Mingyong Zhong, Yingjun Yang жана Wenfeng Zhou; формалдык талдоо Mingyong Zhong жана Yingjun Yang; изилдөө Yingjun Yang жана Xijuan Yang; ресурстар Xijuan Yang; маалыматтарды курациялоо Yingjun Yang, Xingtao Liu жана Li Wang; алгачкы долбоор Mingyong Zhong жана Yingjun Yang; карап чыгуу Mingyong Zhong, Wenfeng Zhou, Xingtao Liu, Xijuan Yang жана Li Wang; визуалдаштыруу Yingjun Yang жана Li Wang; көзөмөл Mingyong Zhong; долбоорду башкаруу Yingjun Yang.

Негизги чечмелөө чеги: Төмөн температурада тоңууга байланыштуу кошумча интерфейс каршылыгы түздөн-түз өлчөнгөн эмес. Жылыш регрессиясы күчтүү cross-validation көрсөткүчүн көрсөтпөйт. Чектүү элемент модели transient thermo-mechanical процесстин ордуна температурага шартталган механикалык жүрүм-турумду моделдейт жана негизинен глобалдык bond-transfer жүрүм-туруму үчүн ылайыктуу.

Автордук укук жана кайра пайдалануу эскертүүсү: Булак изилдөө CC BY лицензиясында. Бул Verianla мазмуну макаланын механикалык кыргызча котормосу эмес; түпнуска эксперименттик маалыматтар, формулалар, модель шарттары, сүрөттөрдүн илимий ролу, жыйынтыктар жана чектөөлөр сакталуу менен өз алдынча окутуу түзүмү түзүлгөн. Сыноо сүрөттөрү же FEA растрлары жасалма илимий өлчөө сүрөтү катары генеративдик жасалма интеллект менен кайра түзүлбөшү керек; сандык графиктер жана техникалык механизм схемалары булак маалыматтарынан өз алдынча кайра чийилиши мүмкүн.