Қубури пӯлодии бо бетони баландмустаҳкам пуршуда (High-Strength Concrete-Filled Steel Tube, HSCFST) унсури таркибии конструктивӣ мебошад, ки дар он ядрои бетони баландмустаҳкам ҳамроҳ бо қубури пӯлодии гирдогирди он борро мебардорад. Қубури пӯлод бетонро аз рӯи муҳит маҳдуд мекунад, дар ҳоле ки ядрои бетон низ ба устувории маҳаллии қубури пӯлод саҳм мегузорад; барои кори якҷояи ду мавод рафтори пайвастшавӣ ва лағзиш дар интерфейси пӯлод–бетон аҳаммияти ҳалкунанда дорад. Ин таҳқиқот бо истифода аз 15 озмоиши push-out, таҳлили регрессия, модели қисм-қисми шиддати пайвастшавӣ–лағзиш ва симулятсияҳои элементҳои ниҳоии ABAQUS омӯхтааст, ки интерфейси HSCFST дар ҳароратҳои аз −60 °C то 60 °C борро чӣ гуна интиқол медиҳад.

Дар барномаи таҷрибавӣ 15 намунаи даврашакли HSCFST бо диаметри берунии 140 mm истифода шудааст. Ғафсии девори қубури пӯлод 2, 3 ва 4 mm; ҳароратҳои мақсадноки муҳит 60, 20, 0, −20 ва −60 °C буданд. Дарозии пайвастшавии интерфейс 420 mm муқаррар шуда, силсилаи дорои ғафсии девори 3 mm ҳамчун гурӯҳи асосии муқоиса истифода шудааст.

Озмоишҳо нишон доданд, ки бо паст шудани ҳарорати муҳит мустаҳкамии умумии пайвастшавии интерфейс афзоиш ёфтааст. Дар гурӯҳи асосӣ бо ғафсии девори 3 mm, мустаҳкамии пайвастшавӣ аз 0,616 MPa дар 20 °C то 0,587 MPa дар 60 °C коҳиш ёфта, дар −60 °C ба 1,123 MPa расидааст. Ин қиматҳо нисбат ба 20 °C мутаносибан ба коҳиши %4,71 ва афзоиши %82,31 мувофиқат мекунанд.

Бо зиёд шудани таносуби диаметри қубури пӯлод ба ғафсии девор D/t, мустаҳкамии пайвастшавӣ умуман коҳиш ёфтааст. Девори нисбатан борики пӯлод таъсири маҳдудкунандаи радиалиро ба ядрои бетон заиф кардааст; дар натиҷа фишори нормалии интерфейс ва муқовимати умумии аз қулфшавии механикӣ ва соиш ҳосилшаванда кам шудааст.

Афзоиши мустаҳкамӣ дар ҳароратҳои паст бо фарқияти кашишхӯрии ҳароратии пӯлод ва бетон, зиёд шудани мустаҳкамии мавод дар ҳарорати паст ва муқовимати иловагие, ки яхбандии оби ковокҳо/интерфейс метавонад таъмин кунад, алоқаманд дониста шудааст. Аммо азбаски оби яхкарда ҳангоми озмоиш мустақиман тасвир нашуда ва миқдори намии ибтидоӣ чен карда нашудааст, механизми иловагии пайвастшавӣ аз ҳисоби яхбандӣ қатъиян исбот нашудааст.

Муҳаққиқон аз маълумоти таҷрибавӣ барои ultimate мустаҳкамии пайвастшавӣ ва лағжиши мувофиқ ба он муодилаҳои эмпирикӣ таҳия кардаанд. Муодилаи ultimate мустаҳкамии пайвастшавӣ дар таҳлили leave-one-out cross-validation бо R² = 0,8761 нисбатан устувор буд, дар ҳоле ки R²-и муодилаи лағжиши хос −0,5037 буд. Аз ин рӯ, робитаи лағзиш бояд на ҳамчун модели дақиқи пешгӯии инфиродӣ, балки ҳамчун робитаи тахминии тавсифкунандаи тамоюли умумӣ арзёбӣ шавад.

Рафтори пайвастшавӣ–лағзиш ба марҳилаҳои хоси OA, AB/AC ва BC ҷудо карда шуда, барои се навъи гуногуни каҷ робитаи қисм-қисми constitutive таҳия шудааст. Ин робита ба элементҳои тақсимшудаи nonlinear connector дар ABAQUS/Standard 2024 ворид карда шудааст. Ҳангоми муқоиса бо озмоишҳои худи таҳқиқот, модель дар бори қуллавии миёна %1,66 тафовут нишон додааст; аммо ин муқоиса санҷиши мустақил нест, зеро параметрҳои модель аз ҳамон маълумоти таҷрибавӣ ҳосил шудаанд.

Модели элементҳои ниҳоӣ раванди воқеии гармшавӣ ё сардшавиро ба таври гузарои термо-механикӣ симулятсия накардааст. Ҳар як ҳарорат ҳамчун ҳолати мустақили механикии изотермӣ, ки қаблан ба ҳамон ҳарорат шартбандӣ шудааст, моделсозӣ шудааст. Бинобар ин, таҳқиқот барои рафтори push-out дар шароити ҳароратҳои шадид заминаи қавии таҷрибавӣ ва ададӣ пешниҳод мекунад, аммо барои градиентҳои ҳароратӣ, давраҳои ҳароратӣ ва рафтори дарозмуддати хизматии конструксияҳои воқеӣ санҷиши иловагӣ зарур аст.

Чаро масъалаи таҳқиқот муҳим аст?

Дар системаи қубури пӯлодии бо бетон пуршуда, пӯлод ва бетон танҳо ду маводи паҳлуи ҳам нестанд. Қубури пӯлод ядрои бетонро аз рӯи муҳит маҳдуд мекунад; бетон бошад метавонад деформатсияи маҳаллии қубури пӯлодро ба самти дохил маҳдуд намояд. Аммо барои ба вуҷуд омадани ин таъсири таркибӣ, бори меҳварӣ бояд аз як мавод ба маводи дигар тавассути интерфейс интиқол дода шавад.

Ин интиқол ба механизмҳое мисли адгезияи кимиёвӣ, қулфшавии механикӣ аз ноҳамвории сатҳ ва соише, ки пас аз вайрон шудани пайвастшавӣ фаъол мешавад, вобаста аст. Пайдо шудани лағжиши назаррас дар интерфейс маънои онро дорад, ки ядрои бетон ва қубури пӯлод дигар деформатсияи пурра мувофиқ нишон намедиҳанд.

Ҳарорати шадид ин системаро мураккабтар мекунад. Хусусиятҳои тавсеа/кашишхӯрии ҳароратии пӯлод ва бетон яксон нестанд. Оби озод дар ковокҳои бетон метавонад дар ҳарорати паст ях кунад; модулҳои чандирӣ ва мустаҳкамии пӯлоду бетон метавонанд бо ҳарорат тағйир ёбанд. Аз ин рӯ, модели пайвастшавӣ–лағжише, ки дар ҳарорати хона таҳия шудааст, метавонад ба шароити мисли −60 °C мустақиман татбиқ нашавад.

Холигии адабиёт

Қаблан барои системаҳои CFST бо мустаҳкамии оддӣ дар ҳарорати хона, ҳангоми сӯхтор ва ҳарорати паст озмоишҳо ва моделҳои зиёди вобаста ба пайвастшавии интерфейс таҳия шудаанд. Аммо бетони баландмустаҳкам бо сабаби таносуби пасттари об/семент, сохтори дигаргуни ковокҳо, мустаҳкамии баландтари фишорӣ ва шиканандагии бештар метавонад аз бетони оддӣ фарқ кунад.

Таҳқиқоти манбаъ се холигиро ҳадаф мегирад: санҷидани он ки тамоюлҳои вобаста ба ҳарорати CFST барои HSCFST низ амал мекунанд ё не; моделсозии на танҳо ultimate мустаҳкамии пайвастшавӣ, балки тамоми каҷи пайвастшавӣ–лағзиш; ва татбиқи мустақими робитаи қисм-қисми constitutive ба модели элементҳои ниҳоӣ.

Ҳарорати Шадид Ба Мустаҳкамии Пайвастшавии Интерфейси HSCFST Чӣ Гуна Таъсир Мерасонад?

Дар фосилаи омӯхташудаи аз −60 °C то 60 °C мустаҳкамии пайвастшавии интерфейси HSCFST бо баланд шудани ҳарорат умуман коҳиш ёфтааст; дар гурӯҳи асосӣ бо ғафсии девори 3 mm нисбат ба 20 °C дар 60 °C коҳиши %4,71 ва дар −60 °C афзоиши %82,31 чен карда шудааст, аммо механизми яхбандии пешниҳодшуда барои як қисми афзоиши ҳарорати паст мустақиман тасдиқ нашудааст.

Мустаҳкамии бетон вобаста ба ҳарорат

Мустаҳкамии фишории кубҳои аз ҳамон омехтаи бетон омодашуда вобаста ба ҳарорат чунин чен карда шудааст:

Гарчанде дар ҳарорати паст мустаҳкамии фишории бештар ба даст омадааст, морфологияи шикасти намунаҳои −60 °C шиканандатар ва пора-пора мебошад. Яъне “мустаҳкамии бештар” маънои рафтори пластикии бештарро надорад.

Хусусиятҳои пӯлод низ вобаста ба ҳарорат тағйир меёбанд

Қубурҳои пӯлод аз пӯлоди камкарбони Q235 истеҳсол шудаанд. Манбаъ нишон медиҳад, ки бо паст шудани ҳарорат мустаҳкамии ҷорӣшавӣ ва кашиш зиёд, дарозшавӣ бошад умуман кам мешавад.

Масалан, барои пӯлоди 3 mm мустаҳкамии ҷорӣшавӣ дар 60 °C 308,32 MPa, дар 20 °C 320,31 MPa ва дар −60 °C 396,43 MPa мебошад. Дар ҳамон гурӯҳи намунаҳо дарозшавӣ ҳангоми кандашавӣ аз %29,27 дар 60 °C то %19,81 дар −60 °C коҳиш ёфтааст.

Аз ин рӯ, тағйироти интерфейси HSCFST дар ҳарорати пастро танҳо бо яхбандии оби бетон шарҳ додан мумкин нест; хусусиятҳои механикии вобаста ба ҳарорати ҳам пӯлод ва ҳам бетон тағйир меёбанд.

Робитаи ҳарорат–мустаҳкамии пайвастшавии гурӯҳи асосӣ

Ҷадвал равшан нишон медиҳад, ки дар ҳоле мустаҳкамии пайвастшавӣ бо ҳарорат хеле мунтазам тағйир меёбад, лағжиши хоси S_u робитаи монотонии ҳароратиро нишон намедиҳад. Ин ҳолат баъдтар бо нишондиҳандаи пасти LOOCV-и регрессияи лағзиш низ мувофиқ аст.

Оё Сабаби Афзоиши Пайвастшавӣ Дар Ҳарорати Паст Яхбандӣ Аст?

Манбаъ пешниҳод мекунад, ки яхбандии об дар ковокҳои бетон ё дар интерфейси пӯлод–бетон метавонад ба қулфшавии механикӣ ва муқовимати иловагии интерфейс саҳм гузорад; аммо азбаски ҳангоми озмоиш ташаккули ях мустақиман тасвир нашуда ва миқдори намии ибтидоӣ чен карда нашудааст, яхбандӣ сабаби ягонаи тасдиқшудаи афзоиши пайвастшавӣ нест.

Далели мушоҳидашуда

Пас аз озмоишҳои push-out, вақте намунаҳои ҳарорати паст бурида шуданд, дар интерфейси қубури пӯлод ва бетон намӣ мушоҳида гардид. Муҳаққиқон ин намиро ҳамчун мушоҳидае шарҳ медиҳанд, ки бо об шудани оби ҳангоми озмоиш яхкарда пас аз анҷоми озмоиш мувофиқ аст.

Ҳамзамон, дар нӯгҳои борбардории намунаҳои ҳарорати паст пора шудани бетон равшантар буд ва борҳои калонтар бардошта шуданд.

Далели мустақими набуда

Таҳқиқот интерфейсро дар ҳолати sub-zero тасвир накардааст. Миқдори ибтидоии об/намӣ низ ба таври миқдорӣ чен нашудааст. Аз ин рӯ, ҷойгиршавӣ, миқдор ва саҳми алоҳидаи ях ба мустаҳкамии пайвастшавӣ ҳисоб карда намешавад.

Аз ин рӯ, дар баёни Verianla ибораи “ях метавонад муқовимати иловагӣ ба вуҷуд оварда бошад” мувофиқ аст; аммо ибораи “мустаҳкамии пайвастшавӣ аз сабаби ях %82,31 афзуд” аз ҷониби манбаъ дастгирӣ намешавад.

Чаро Таносуби Диаметр/Ғафсии Девор D/t Мустаҳкамии Пайвастшавиро Коҳиш Медиҳад?

Бо зиёд шудани D/t, қубури пӯлод нисбат ба ҳамон диаметр бориктар мешавад, аз ин рӯ сахтии радиалӣ ва маҳдудияти муҳитӣ ба ядрои бетон кам мегардад; дар натиҷа қувваи нормалии тамос дар интерфейс, қулфшавии механикӣ ва муқовимати пайвастшавие, ки аз соиш таъмин мешавад, заиф мешавад.

Қиматҳои D/t

Диаметри берунии ҳамаи намунаҳои таҷрибавӣ 140 mm мебошад. Мувофиқи ин:

Дар 60 °C мустаҳкамии пайвастшавӣ барои D/t = 35 баробар ба 0,845 MPa, барои D/t = 46,67 баробар ба 0,587 MPa ва барои D/t = 70 баробар ба 0,564 MPa мебошад.

Дар −60 °C қиматҳои мувофиқ 1,446, 1,123 ва 1,008 MPa мебошанд.

Ин тамоюл дар ҳамаи ҳароратҳои омӯхташуда умуман мушоҳида шудааст.

Чаро ифодаҳои дараҷаи дуюм барои D/t “қонуни физика” нестанд?

Манбаъ барои ҳар ҳарорат ба се нуқтаи D/t каҷи дараҷаи дуюм мутобиқ кардааст. Аммо муҳаққиқон азбаски танҳо се сатҳи D/t мавҷуд аст, ин муодилаҳоро махсусан ҳамчун робитаҳои интерполятсионӣ муайян мекунанд ва қайд мекунанд, ки онҳо қонуни умумии функсионалии тасдиқшуда нестанд.

Аз ин рӯ, муодилаҳоро берун аз фосилаи санҷидашудаи 35–70 ба таври боэътимод экстраполятсия кардан мумкин нест.

Ҳисоб кардани шиддати миёнаи пайвастшавӣ

Азбаски дар озмоиш тамоми шиддати маҳаллии пайвастшавӣ дар тӯли интерфейс мустақиман чен карда нашуд, шиддати эквивалентии миёнаи ultimate пайвастшавӣ истифода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(\tau_u\) мустаҳкамии эквивалентии миёнаи ultimate пайвастшавӣ дар интерфейси пӯлод–бетон буда, бо MPa ифода мешавад. \(P_u\) бори хоси вайроншавии пайвастшавӣ; \(D_0\) диаметри дохилии қубури пӯлод ва \(l\) дарозии пайвастшавии пӯлод–бетон мебошад.

\(\pi D_0l\) дар махраҷи муодила майдони номиналии пайвастшавии интерфейси силиндриро ифода мекунад. Бинобар ин, барои як бор майдони калонтари интерфейс ба шиддати миёнаи пасттар мувофиқат мекунад.

Ин бузургӣ маънои онро надорад, ки шиддати маҳаллии интерфейс воқеан дар ҳар нуқта баробар аст; он миёнаи эквивалентиест, ки барои муқоисаи муқовимати глобалии пайвастшавӣ дар озмоиш истифода мешавад.

Се навъи рафтори каҷҳои push-out

Манбаъ каҷҳои шиддати пайвастшавӣ–лағзишро ба се навъ ҷудо мекунад. Type I каҷест, ки қуллаи равшан надорад ва пас аз нуқтаи аввалини гардиши хос ҳамвортар идома меёбад. Type II қуллаи равшан ва баъдан муқовимати коҳишёбандаро нишон медиҳад. Type III низ қуллаи равшан дорад, аммо эволютсияи минбаъдаи соиш ба таври дигар инкишоф меёбад.

Гарчанде ин каҷҳо гуногун ба назар мерасанд, муҳаққиқон интиқоли борро тавассути марҳилаҳои физикии умумӣ шарҳ медиҳанд.

Марҳилаи OA: адгезия ва қулфшавии ибтидоӣ

Дар оғози боргузорӣ лағжиши нисбии байни пӯлод ва бетон хеле кам аст. Адгезияи кимиёвӣ яке аз манбаъҳои асосии муқовимат мебошад; оби интерфейси яхкарда дар ҳарорати паст метавонад саҳми иловагӣ дошта бошад.

Бо зиёд шудани бор адгезияи кимиёвӣ аз минтақаҳои нӯгӣ вайрон шудан мегирад ва аҳаммияти нисбии қулфшавии механикӣ меафзояд.

Марҳилаи AB / AC: лағжиши паҳншуда

Ҳангоми паҳн шудани лағзиш дар тӯли интерфейс саҳми адгезияи кимиёвӣ кам мешавад. Қулфшавии механикӣ ва соиши статикӣ дар интиқоли бор муҳимтар мешаванд.

Вобаста ба навъи каҷ, дар ин марҳила қуллаи дуюм, плато ё шохаи коҳишёбанда метавонад ба вуҷуд ояд.

Марҳилаи BC: соиши боқимонда

Пас аз он ки адгезияи кимиёвӣ ва қулфшавии механикӣ асосан аз байн мераванд, соиши ҳаракатӣ ба ҷузъи асосии муқовимати интерфейс табдил меёбад. Бо идома ёфтани афзоиши лағзиш нишебии каҷ кам мешавад.

Шохаи болоравандаи нормализатсияшуда

Шохаи болоравандаи модели қисм-қисм дар манбаъ ба шакли зерини беандоза дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(S/S_u\) лағжиши нормализатсияшуда, \(\tau/\tau_u\) шиддати нормализатсияшудаи пайвастшавӣ ва \(\beta\) параметри беандозаест, ки шакли шохаи болоравандаро назорат мекунад.

Дар 15 намуна \(\beta\) аз 0,890 то 1,528 тағйир ёфта, миёнаи арифметикӣ 1,172 буд. Азбаски манбаъ робитаи систематикии \(\beta\)-ро бо D/t ё ҳарорат муайян карда натавонист, дар модели содакардашуда \(\beta=1,172\) истифода шудааст.

Ҳангоми \(S/S_u=0,50\), барои \(\beta=0,890\), 1,172 ва 1,528 шиддатҳои нормализатсияшудаи пайвастшавӣ мутаносибан 0,540, 0,444 ва 0,347 мебошанд. Ҳангоми \(S/S_u=0,90\), қиматҳо ба 0,910, 0,884 ва 0,851 наздик мешаванд. Ҳама каҷҳо дар нуқтаи \(S/S_u=1\) бо \(\tau/\tau_u=1\) муттаҳид мешаванд.

Ҳамин тавр, \(\beta\) мустаҳкамии қуллавӣ ё лағжиши қуллавиро тағйир намедиҳад; бештар сахтии пеш аз қулла ва шакли каҷро назорат мекунад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Геометрияи намуна

Шикофҳои ченкунии лағзиш

Дар қубурҳои пӯлод дар се баландии гуногун шикофҳои тӯлии 10 × 40 mm кушода шуда, тасмаҳои пӯлодии 200 × 8 × 2 mm аз онҳо гузаронида шудаанд. Ин система имкон додааст, ки лағжишҳои нисбӣ дар мавқеъҳои гуногуни интерфейс бо ченкунакҳои ҷойивазкунӣ пайгирӣ шаванд.

Таносуби шикофҳо ба майдони умумии интерфейс тақрибан %0,67–0,69 мебошад. Ҳангоми озмоиш дар атрофи онҳо каҷшавии маҳаллии равшан мушоҳида нашудааст; аммо шикофҳо метавонанд сахтии муҳитиро маҳаллан кам кунанд ва тасмаҳои пӯлод бо бетон таъсири иловагии механикӣ ба вуҷуд оранд.

Азбаски дар манбаъ намунаи назоратии бешикоф мавҷуд нест, андозаи ин таъсир ҷудо карда нашудааст.

Муолиҷаи стандартӣ ва шартбандии ҳароратӣ

Ҳама намунаҳои push-out ва кубҳои бетонии истинодӣ аз як омехтаи бетон рехта шуда, дар 20 ± 2 °C ва на камтар аз %95 намии нисбӣ 28 рӯз бо режими стандартӣ нигоҳдорӣ шудаанд.

Пеш аз озмоишҳои ҳарорати паст, намунаҳо 48 соат дар камераи ҳарорати ултра-паст нигоҳ дошта шуда; ҳангоми озмоиш ҳарорати муҳит бо истифода аз нитрогени моеъ нигоҳ дошта шудааст.

Дар шароити 60 °C тасмаҳои гармидиҳии барқӣ истифода шудаанд. Сенсорҳои PT100, ки дар ядрои бетон ҷойгир карда шудаанд, ҳарорати дохилиро пайваста назорат кардаанд. Ҳарорати мақсаднок дар давоми озмоиш дар ҳудуди ±2 °C нигоҳ дошта шудааст.

Протоколи боргузорӣ

Озмоишҳои push-out дар дастгоҳи электронии универсалии озмоишӣ бо идоракунии компютерӣ ва иқтидори 500 kN гузаронида шудаанд.

Дар марҳилаи аввал назорати бор истифода шудааст; ҳар қадами бор ба %5-и бори тахминии ultimate баробар муқаррар шуда, 1–2 дақиқа нигоҳ дошта шудааст. Ҳангоми оғоз шудани лағжиши nonlinear ё расидан ба тақрибан %70-и бори ultimate ба боргузории бо ҷойивазкунӣ идорашаванда гузаронида шудааст.

Лағжиши максималии нисбӣ то 30 mm пайгирӣ шудааст.

Натиҷаҳои асосии push-out барои 15 намуна

Робитаҳои хаттии таҷрибавии вобаста ба ҳарорат

Барои ҳар ғафсии девор манбаъ дар фосилаи таҷрибавӣ байни ҳарорат ва ultimate мустаҳкамии пайвастшавӣ регрессияҳои зеринро додааст:

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

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

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

Дар ин ифодаҳо \(T\) °C ва \(\tau_u\) MPa мебошад. Коэффисиентҳои манфии ҳарорат бо коҳиш ёфтани мустаҳкамии пайвастшавӣ ҳангоми баланд шудани ҳарорат дар гурӯҳҳои дахлдори таҷрибавӣ мувофиқанд.

Муодилаҳои Ultimate Мустаҳкамии Пайвастшавӣ ва Лағжиши Хос То Чӣ Андоза Боэътимоданд?

Equation (10), ки барои ultimate мустаҳкамии пайвастшавӣ таҳия шудааст, дар таҳлили leave-one-out cross-validation бо R² = 0,8761 натиҷаи нисбатан устувор дод; баръакс, азбаски барои лағжиши хос Equation (11) R² = −0,5037 мебошад, ин муодилаи дуюм бояд на ҳамчун модели дақиқи пешгӯӣ, балки танҳо ҳамчун робитаи тахминии эмпирикии тавсифкунандаи тамоюли умумӣ истифода шавад.

Муодилаи бисёртағйирёбандаи ultimate мустаҳкамии пайвастшавӣ

Манбаъ Equation (10):

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

Дар ин ҷо \(\tau_u\) ultimate мустаҳкамии пайвастшавии интерфейс (MPa); \(T\) ҳарорати муҳит (°C); \(f_{cu}\) мустаҳкамии фишории кубии бетони баландмустаҳкам (MPa); \(D/t\) таносуби беандозаи диаметр/ғафсии девор мебошад.

\(\gamma=1.055\) коэффисиенти ислоҳ мебошад. \(k\) ҳолати сатҳи дохилии қубури пӯлодро ифода мекунад: мувофиқи таҳқиқоти пешинаи истинодшуда барои сатҳи зангзада 1,3; барои сатҳи ноҳамвори бо даст тозашуда 1,0; барои сатҳи ҳамвортари механикӣ тозашуда 0,7. Дар ин таҳқиқот \(k=1,0\) истифода шудааст.

Ин муодилаи регрессияи эмпирикӣ мебошад; коэффисиентҳои он собитаҳои универсалии физикии андозадор нестанд ва берун аз шароити таҳқиқоти манбаъ набояд мустақиман умумӣ карда шаванд.

Муодилаи лағжиши хос

Манбаъ Equation (11):

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

Дар ин ҷо \(S_u\) лағжиши хосе мебошад, ки ба ultimate мустаҳкамии пайвастшавӣ мувофиқ аст (mm), ва \(\lambda=0.997\) мебошад.

Дар манбаъ бо ҳамроҳии қиматҳои таҷрибавӣ мувофиқати умумӣ барои ду муодила R² = 0,948 гузориш шуда; хатои миёнаи муодилаҳои мустаҳкамии пайвастшавӣ ва лағзиш мутаносибан тақрибан %7,33 ва %10,33 дода шудааст. Аммо ин мувофиқати калибркунӣ танҳо худ аз худ кори моделро дар маълумоти дида-нашуда нишон намедиҳад.

Чаро LOOCV огоҳии муҳимтар медиҳад?

Дар раванди leave-one-out cross-validation ҳар дафъа яке аз 15 намуна берун гузошта шуда, муодила бо 14 намунаи боқимонда аз нав сохта ва намунаи берунмонда пешгӯӣ шудааст.

Робитаи мунтазамтари ultimate мустаҳкамии пайвастшавӣ бо ҳарорат, мустаҳкамии бетон ва D/t ба умумиятёбии беҳтари Equation (10) мусоидат мекунад.

S_u бошад аз шароити маҳаллии интерфейс, рушди тарқишҳо, таҳаммулҳои истеҳсолӣ ва эволютсияи осеб бештар таъсир мегирад. R²-и манфии LOOCV маънои онро дорад, ки Equation (11) барои намунаҳои берунмонда ҳатто аз пешгӯии оддии миёна ҳам бадтар кор карда метавонад.

Модели се-марҳилавии constitutive-и таҳқиқот

Каҷҳои таҷрибавӣ ба марҳилаҳои OA, AB/AC ва BC ҷудо шудаанд. Манбаъ Equation (15) ин марҳилаҳоро барои рафторҳои Type I, II ва III бо шохаҳои гуногуни математикӣ муттаҳид мекунад.

Шохаи болоравандаи OA бо қонуни дараҷавии Equation (22) ифода мешавад. Дар шохаҳои баъдӣ бо истифода аз робитаҳои хаттӣ/расионалӣ минтақаҳои қулла, шохаи коҳишёбанда ва соиши боқимонда муттаҳид шудаанд.

Дар манбаъ коэффисиентҳои \(a\), \(b\), \(c\), \(d\), \(c'\) ва \(d'\) аз нуқтаҳои хоси таҷрибавӣ тавассути регрессия ба даст оварда шудаанд. Ҳадафи модель маҷбуран татбиқ кардани як каҷи идеалӣ ба ҳамаи намунаҳо нест, балки нишон додани се шакли асосии каҷ, ки дар озмоишҳо мушоҳида шудаанд, дар як сохтори қисм-қисм мебошад.

Шабакаи элементҳои ниҳоӣ

Дар модели ABAQUS/Standard 2024 қубури пӯлод бо элементҳои S4R чоргиреҳаи reduced-integration shell; ядрои бетон бо элементҳои C3D8R ҳаштгиреҳаи reduced-integration solid моделсозӣ шудааст.

Азбаски меъёри қабул %5 истифода шудааст, mesh-и 10 × 10 × 10 mm ҳамчун тавозун байни арзиши ҳисоббарорӣ ва дақиқӣ интихоб шудааст.

Параметрҳои damaged plasticity-и бетон

Барои бетон модели ABAQUS concrete plastic damage истифода шудааст. Дар манбаъ кунҷи дилататсия 35°, эксентриситет 0,1, таносуби мустаҳкамии фишории ду-меҳварӣ/як-меҳварӣ \(f_{b0}/f_{c0}=1.1667\) ва параметри часпакӣ 0,005 дода шудааст.

Коэффисиентҳои мавод вобаста ба ҳарорат

Коэффисиенти камшавӣ/афзоиши ҳарорат барои мустаҳкамии ҷорӣшавии пӯлод:

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

Барои мустаҳкамии меҳварии фишории бетон:

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

Сипас:

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

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

Ин робитаҳо моделҳое мебошанд, ки танҳо аз маълумоти ҳарорат ва маводи дар таҳқиқот истифодашуда ҳосил шудаанд.

Моделсозии интерфейси пӯлод–бетон дар FEA

Дар интерфейс бевосита элементҳои nonlinear connector сохта шуда, бо скрипти Python 3.10 барои модели истинодӣ дар маҷмӯъ 1806 connector худкор тавлид шудааст.

Элементҳои Connector дар тӯли минтақаи пайвастшуда баробар ва симметрӣ тақсим шудаанд. Барои ҳар connector каҷи қувва–ҷойивазкунӣ бо тақсим кардани қувваи умумии пайвастшавӣ ба шумораи connector ҳосил шудааст.

Азбаски лағзиш дар самти нормалӣ нисбат ба лағжиши тангенсиалӣ хеле хурд буд, барои тамоси нормалӣ hard contact истифода шудааст.

Дар нӯги боргузорӣ U3 = 30 mm ҷойивазкунӣ татбиқ шуда; U1, U2 ва ҳамаи гардишҳо ба сифр баробар шудаанд. Нуқтаи истинодии поён пурра маҳкам карда шудааст.

Оё Модели Элементҳои Ниҳоӣ Раванди Воқеии Гармшавӣ ва Сардшавиро Симулятсия Мекунад?

Не. Модели ABAQUS майдони гузарои ҳарорат ё шиддатҳои ҳароратиро, ки пӯлод ва бетон ҳангоми гармшавӣ/сардшавӣ ба вуҷуд меоранд, ҳал намекунад; ҳар як ҳарорати мақсаднокро ҳамчун ҳолати алоҳидаи механикии изотермӣ қабул карда, боргузории push-out-ро бо хусусиятҳои мавод ва интерфейси дар ҳамон ҳарорат ченшуда симулятсия мекунад.

Чаро ин маҳдудият муҳим аст?

Пули воқеӣ ё сутун метавонад ҳангоми рӯз–шаб, мавсим ё сардшавии ногаҳонӣ дар тӯли буриш градиенти ҳарорат ба вуҷуд оварад. Аз сабаби гузаронандагии баланди ҳароратии пӯлод интизор намеравад, ки қубури беруна ва ядрои бетон ҳамзамон ба як ҳарорат расанд.

Дар озмоиши манбаъ бошад, намунаҳо ба ҳарорати мақсаднок шартбандӣ шуда, пас аз устувор шудани ҳарорати дохилӣ озмоиш шудаанд. Модели элементҳои ниҳоӣ низ маҳз ҳамин ҳолати таҷрибавиро тақлид мекунад.

Бинобар ин, ин модель модели хастагии давраҳои ҳароратӣ, сардшавии зуд, градиенти ҳарорати рӯзона ё осеби transient thermo-mechanical нест.

Фарқи калибркунӣ ва санҷиши мустақил

Муқоисаи FEA бо 15 намунаи худи таҳқиқот мувофиқати баланд нишон медиҳад; аммо азбаски параметрҳои пайвастшавӣ–лағзиш аз ҳамон маҷмӯи маълумот таҳия шудаанд, ин амал санҷиши мустақил нест, балки санҷидани он аст, ки модель маълумоти калибркунии худро ба таври муттасил бозтавлид мекунад ё не.

Барои санҷиши мустақилтар намунаҳои қаблан нашршудаи Yan ва ҳамкорон истифода шудаанд.

Аммо шарти −80 °C-и намунаи C4 ва баъзе хусусиятҳо, аз ҷумла бетони C45, берун аз фазои калибркунии модел бо −60 то 60 °C ва мустаҳкамии кубии тақрибан 69,5–108,6 MPa қарор доранд. Аз ин рӯ, манбаъ ин муқоисаро “external extrapolative assessment” меномад.

Маънои контурҳои шиддати FEA

Майдонҳои von Mises, ки дар Figure 28–30 нишон дода шудаанд, тақсимоти шиддати механикии қубури пӯлод ва ядрои бетонро нишон медиҳанд. Дар пӯлод шиддати тӯлонӣ аз нӯги боргузорӣ ба нӯги озод зиёд мешавад, дар ядрои бетон бошад аз нӯги боргузорӣ ба нӯги озод кам мешавад.

Дар қисми холии қубури пӯлод дар нӯги озод консентратсияи маҳаллии шиддат; дар нӯги боргирифтаи бетон бошад консентратсияи дигари шиддат ба вуҷуд омадааст.

Ин контурҳо мустақиман харитаи connector bond stress нестанд. Манбаъ махсус таъкид мекунад, ки онҳоро ҳамчун санҷиши миқдории шиддати маҳаллии ғайрияксон дар тӯли интерфейси воқеӣ истифода бурдан набояд.

Нақши илмии шаклҳои манбаъ

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

Дар шароити омӯхташуда аз −60 то 60 °C мустаҳкамии пайвастшавии интерфейси HSCFST умуман бо баланд шудани ҳарорат коҳиш меёбад.

Дар гурӯҳи дорои ғафсии девори 3 mm мустаҳкамии пайвастшавӣ дар −60 °C нисбат ба 20 °C %82,31 баландтар аст.

Бо зиёд шудани таносуби D/t дар фосилаи таҷрибавии омӯхташуда мустаҳкамии пайвастшавӣ умуман коҳиш меёбад.

Рафтори пайвастшавӣ–лағзиш хусусияти бисёрмарҳилавӣ дорад, ки бо марҳилаҳои адгезияи кимиёвӣ, қулфшавии механикӣ ва соиш шарҳ дода мешавад.

Муодилаи эмпирикии барои ultimate мустаҳкамии пайвастшавӣ таҳияшуда дар LOOCV натиҷаи нисбатан устувор медиҳад.

Робитаи қисм-қисми пайвастшавӣ–лағзиш метавонад шакли асосии каҷҳои таҷрибавиро ифода кунад.

Равиши тақсимшудаи nonlinear connector рафтори глобалии бор–лағжиши push-out-ро дар шароити озмоишии таҳқиқот ба таври наздик бозтавлид кардааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

Исбот нашудааст, ки тамоми афзоиши мустаҳкамии пайвастшавӣ аз ташаккули ях ба вуҷуд омадааст.

Натиҷаҳои −60 °C ба ҳамаи геометрияҳои HSCFST ё синфҳои бетон худкор умумӣ карда намешаванд.

Equation (11) модели умумиятёбандае нест, ки лағжиши хосро бо дақиқии баланд пешгӯӣ кунад.

Мувофиқати FEA бо 15 намунаи худ санҷиши мустақил нест.

Модель боргузории гузарои ҳароратӣ ва шиддатҳои ҳароратиро ҳал намекунад.

Figure 28–30 харитаи воқеии шиддати маҳаллии пайвастшавии интерфейс нест.

Модель нуқсонҳои ибтидоии геометрии аз истеҳсол ба вуҷудомадаро дар бар намегирад.

Таҳқиқот давраҳои ҳароратӣ, яхкунӣ–обшавии дарозмуддат ё кори мӯҳлати хизмати воқеиро таҳқиқ накардааст.

Маҳдудиятҳои асосӣ

Як такрор: Барои ҳар як омезиши ҳарорат–ғафсии девор танҳо як намунаи push-out мавҷуд аст.

Омехташавии ҳарорат–мустаҳкамии бетон: Азбаски мустаҳкамии бетон ҳамроҳ бо ҳарорат тағйир меёбад, дар тарҳи таҷрибавӣ ин ду таъсирро пурра ҷудо кардан имкон надорад.

Ченкунии намӣ вуҷуд надорад: Пеш аз шартбандии ҳароратӣ миқдори намии бетон мустақиман муайян нашудааст.

Мушоҳида нашудани мустақими ях: Механизме, ки оби яхкардаи интерфейс муқовимати иловагӣ ба вуҷуд меорад, ба мушоҳидаҳои post-test асос ёфтааст.

Шикофҳои ченкунӣ: Барои муайян кардани таъсири шикофҳои ченкунии лағзиш намунаи назоратии бешикоф мавҷуд нест.

Ҳарорати uniform: Озмоишҳо дар ҳароратҳои мақсадноки тақрибан доимӣ ва uniform гузаронида шудаанд; градиентҳо ва давраҳои ҳароратии конструксияи воқеӣ омӯхта нашудаанд.

Модели якхелаи интерфейс: Ба элементҳои Connector як робитаи номиналии маҳаллӣ таъин шудааст; тағйирёбии воқеии фазоӣ дар тӯли интерфейс моделсозӣ нашудааст.

Нуқсонҳои геометрӣ: Дар қубури пӯлод нуқсони истеҳсолӣ ё imperfection-и ибтидоӣ таъин нашудааст.

Тағйирёбандаҳои осеб: Бо PEEQ, DAMAGEC, DAMAGET ва SDEG таҳлили муфассали осеби маҳаллӣ гузаронида нашудааст.

Арзёбии маҳдуди беруна: Гарчанде маҷмӯи маълумоти Yan ва ҳамкорон муфид аст, баъзе намунаҳо берун аз фазои калибркунӣ қарор доранд ва пойгоҳи васеи санҷиши мустақилро ташкил намедиҳанд.

Самтҳои таҳқиқоти оянда

Манбаъ пешниҳод мекунад, ки бо истифода аз намунаҳои такрорӣ дар як шароити ҳарорат ва синфҳои гуногуни мустаҳкамии бетон таъсири ҳарорат ва мустаҳкамии бетон беҳтар ҷудо карда шавад.

Градиентҳои ҳароратӣ, давраҳои ҳароратӣ, ченкунии вақти воқеии яхбандии интерфейс ва миқдори намии ибтидоӣ бояд дар оянда мустақиман чен карда шаванд.

Дар модели элементҳои ниҳоӣ истифодаи нуқсонҳои геометрии ченшуда, робитаҳои пайвастшавӣ–лағжиши вобаста ба мавқеъ ва тағйирёбандаҳои калибршудаи эволютсияи осеби кашиш/фишор тавсия мешавад.

Умумиятёбии воқеии модель бояд бо пойгоҳҳои мустақили таҷрибавӣ, ки фосилаи васеътари ҳарорат, геометрия ва маводро дар бар мегиранд, санҷида шавад.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

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

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

Муаллифи масъул: Yingjun Yang.

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

Маҷалла: Buildings.

Ношир/platform: MDPI.

Сабти библиографӣ: Buildings, 2026, 16(17), Article 3557.

DOI: 10.3390/buildings16173557.

Раванди нашр: Қабул 26 Июл 2026; бознигарӣ 27 Август 2026; пазируфта шуд 27 Август 2026; нашр 7 Сентябр 2026.

Навъи манбаъ: Таҳқиқоти таҷрибавии муҳандисии сохтмон + таҳлили элементҳои ниҳоӣ, ки аз тақриз гузашта ва нашр шудааст.

Литсензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Намунаҳои таҷрибавӣ: 15 сутуни кӯтоҳи даврашакли HSCFST.

Ҳароратҳои мақсаднок: 60, 20, 0, −20 ва −60 °C.

Ғафсии девори пӯлод: 2, 3 ва 4 mm.

Диаметри беруна: 140 mm.

Дарозии пайвастшавӣ: 420 mm.

Дастгоҳи озмоишӣ: Дастгоҳи электронии универсалии озмоишӣ бо идоракунии компютерӣ ва иқтидори 500 kN.

Шартбандии ҳарорати паст: 48 соат дар камераи ҳарорати ултра-паст ва назорати ҳарорат бо нитрогени моеъ ҳангоми озмоиш.

Ченкунии ҳарорат: Сенсорҳои PT100, ки дар ядрои бетон ҷойгир шудаанд; ҳангоми озмоиш қимати мақсаднок дар ҳудуди ±2 °C нигоҳ дошта шудааст.

Метрикаи асосии таҷрибавӣ: Ultimate мустаҳкамии эквивалентии миёнаи пайвастшавии интерфейс \(\tau_u=P_u/(\pi D_0l)\).

Тағйирёбандаҳои регрессия: Ҳарорати муҳит T, мустаҳкамии фишории кубии бетон f_cu, таносуби диаметр/ғафсии девор D/t ва коэффисиенти ҳолати сатҳи дохилии пӯлод k.

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

Модели қисм-қисм: Каҷҳои шиддати пайвастшавӣ–лағжиши Type I, Type II ва Type III; марҳилаҳои хоси OA, AB/AC ва BC.

β-и намояндагӣ: 1,172; дар озмоишҳо фосилаи 0,890–1,528.

Барномаи FE: ABAQUS/Standard 2024.

Элементи пӯлод: S4R shell.

Элементи бетон: C3D8R solid.

Mesh: 10 × 10 × 10 mm; нисбат ба mesh-и истинодии 5 mm тафовути P_u %1,39, тафовути S_u %0.

Модели бетон: Concrete plastic damage; кунҷи дилататсия 35°, eccentricity 0,1, f_b0/f_c0 = 1,1667, viscosity = 0,005.

Интерфейс: Дар модели истинодӣ бо Python 3.10 тавлидшуда 1806 distributed nonlinear connector.

Шарти сарҳадии боргузорӣ: U3 = 30 mm ҷойивазкунӣ; нуқтаи истинодии поён пурра маҳкам карда шудааст.

Маҳдудияти модели ҳароратӣ: Гармшавӣ/сардшавии гузаро ва шиддатҳои дифференсиалии ҳароратӣ мустақиман симулятсия нашудаанд; ҳар ҳарорат як шарти алоҳидаи механикии изотермӣ мебошад.

Муқоисаи FE бо озмоиши худ: Арзёбии мутобиқати ба калибркунӣ асосёфта; санҷиши мустақил нест.

Арзёбии беруна: external extrapolative assessment бо маълумоти мустақили таҷрибавии Yan ва ҳамкорон; баъзе шартҳо берун аз фосилаи калибркунии модель мебошанд.

Натиҷаи асосии FEA: Мувофиқи бахши натиҷаҳои манбаъ, тафовути миёнаи peak-load %1,66; тафовутҳои дигари борҳои хос аз %5 каманд.

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

Дастрасии маълумот: Маълумоти дар таҳқиқот пешниҳодшуда дар дохили мақола мавҷуд аст.

Кумитаи ахлоқ: Татбиқ намешавад.

Ризоияти огоҳона: Татбиқ намешавад.

Бархӯрди манфиатҳо/шуғли корпоративӣ: Yingjun Yang корманди Gansu Road & Bridge Construction Group Co., Ltd.; Wenfeng Zhou ва Xingtao Liu кормандони Gansu Wantai Construction Engineering Co., Ltd. мебошанд. Муаллифони дигар робитаи эҳтимолии манфиатҳои тиҷоратӣ ё молиявиро гузориш накардаанд. Мувофиқи манбаъ, маблағгузор дар тарҳи таҳқиқот, ҷамъоварӣ/таҳлили маълумот, навиштан ё қарори нашр нақш надоштааст.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия Mingyong Zhong ва Yingjun Yang; усул Mingyong Zhong, Yingjun Yang ва Wenfeng Zhou; нармафзор Yingjun Yang; санҷиш Mingyong Zhong, Yingjun Yang ва Wenfeng Zhou; таҳлили формалӣ Mingyong Zhong ва Yingjun Yang; таҳқиқот Yingjun Yang ва Xijuan Yang; захираҳо Xijuan Yang; коркарди маълумот Yingjun Yang, Xingtao Liu ва Li Wang; лоиҳаи аввал Mingyong Zhong ва Yingjun Yang; бознигарӣ Mingyong Zhong, Wenfeng Zhou, Xingtao Liu, Xijuan Yang ва Li Wang; визуализатсия Yingjun Yang ва Li Wang; назорат Mingyong Zhong; идоракунии лоиҳа Yingjun Yang.

Маҳдудияти асосии тафсир: Муқовимати иловагии интерфейс аз яхбандӣ дар ҳарорати паст мустақиман чен нашудааст. Регрессияи лағзиш нишондиҳандаи қавии cross-validation надорад. Модели элементҳои ниҳоӣ ба ҷои раванди transient thermo-mechanical рафтори механикии ба ҳарорат шартшудаеро модел мекунад ва асосан барои рафтори глобалии bond-transfer мувофиқ аст.

Ёддошти ҳуқуқи муаллиф ва истифодаи дубора: Таҳқиқоти манбаъ бо литсензияи CC BY нашр шудааст. Ин маводи Verianla тарҷумаи механикии тоҷикии мақола нест; бо нигоҳ доштани маълумоти аслии таҷрибавӣ, формулаҳо, шароити модель, нақши илмии шаклҳо, натиҷаҳо ва маҳдудиятҳо сохтори мустақили омӯзишӣ таҳия шудааст. Аксҳои таҷрибавӣ ё растрҳои FEA набояд бо зеҳни сунъии тавлидӣ ҳамчун тасвирҳои қалбакии ченкунии илмӣ аз нав сохта шаванд; графикҳои ададӣ ва схемаҳои техникии механизм метавонанд аз маълумоти манбаъ ба таври аслӣ аз нав кашида шаванд.