高强轻骨料混凝土结构受剪性能分析及设计方法研究

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高强轻骨料混凝土具有轻质高强、耐久耐火性能高、隔热保温性能好、抗冻抗渗性能优等特点,是一种具有良好应用前景的绿色建筑材料,但也存在弹性模量低,脆性突出等不足,易发生剪切破坏。近年来,强度等级为LC40~LC60的高强轻骨料混凝土制备技术逐步成熟,但与其相关的抗剪问题研究偏少。现有规范主要以上世纪七、八十年代低强度轻骨料混凝土构件试验为依据,是否适用于高强轻骨料混凝土有待商榷,且未给出深受弯构件抗剪的相关规定,框架整体模型受力性能试验研究也处于空白。因此,开展高强轻骨料混凝土构件受剪性能研究具有重要的理论意义和实用价值。论文以高强轻骨料混凝土力学性能分析为基础,系统地对梁、柱、深受弯构件、框架节点的抗剪及平面框架的受力性能进行了试验研究及理论分析。主要内容有:1.采用高强页岩陶粒配制了LC40级高强轻骨料混凝土,分析了骨料类别及配合比参数对其宏观力学性能的影响;开展了集中荷载作用下8根剪跨比0.26~1.04、跨高比为2和3的LC40级高强轻骨料混凝土简支深受弯构件受剪性能试验,对其破坏过程和破坏形态进行了分析,揭示其破坏机理,重点研究了剪跨比、跨高比对开裂荷载、极限荷载及破坏形态的影响;2.完成了4个1/3缩尺比例的不同轴压比和核心区配箍率的高强轻骨料混凝土框架中节点低周反复荷载试验,分析了各试件的破坏形态和破坏过程,系统研究了轴压比和核心区配箍率对节点受剪能力、滞回特性、延性耗能等的影响;3.结合试验研究,基于抗剪模型和统计理论对高强轻骨料混凝土梁、柱、深受弯构件及框架节点受剪能力进行理论分析,并提出相应设计建议;(1)鉴于不同时期因骨料生产技术引起的轻骨料混凝土强度差异,综合各国规范及统计抗剪模型计算表明:高强轻骨料混凝土梁受剪承载力提高幅度和延性较低强度有所下降,并提出依据强度不同选取不同混凝土折减项用以设计;(2)通过试验结果及抗剪计算理论研究表明:不同配箍率的轻骨料混凝土柱延性差异显著,其延性设计较强度设计更为重要,建议提高横向配箍增强高强轻骨料混凝土柱的延性;(3)基于拉压杆模型,完成了271组普通混凝土深受弯构件受剪承载力计算与试验验证。且经参数修正后应用于高强轻骨料混凝土深受弯构件及中节点抗剪计算,分析了高强轻骨料混凝土软化系数、弹性模量等取值的合理性。并基于本文试验结果,提出高强轻骨料混凝土深受弯构件的拉压杆模型抗剪设计方法;(4)鉴于混凝土材料的离散性和试验数据的有限性,结合271组钢筋混凝土深受弯构件受剪性能试验,推导了区别于传统统计方法的深受弯构件的贝叶斯概率抗剪计算模型,且通过后验参数的显著性进行模型简化,并在完成简化概率模型的准确性和合理性验证后,将其应用于高强轻骨料混凝土深受弯构件受剪计算;(5)依据高强轻骨料混凝土深受弯构件和框架节点试验分析及理论计算结果,结合我国《混凝土结构设计规范》,提出采用不同混凝土项折减系数用以高强轻骨料混凝土深受弯构件和框架中节点的抗剪设计。4.通过一榀1:5比例的两层两跨高强轻骨料混凝土框架整体模型低周反复荷载试验,系统研究了框架受力过程、破坏形态与破坏机制、延性耗能等。结果表明:按照《轻骨料混凝土结构技术规程》设计的高强轻骨料混凝土框架实现了“强柱弱梁、强节点弱构件”的设计目标,整体与各层间滞回曲线均较为饱满,框架具有较好的耗能能力。同时,以试验框架为基础,结合Mehanny S S F和Deierlein G G提出的考虑首次超越破坏和累积损伤的转角延性模型,将结构及构件损伤分为5个等级,并对框架柱各个加载阶段的破坏指数进行计算,进而达到验证破坏指数准确性及评估框架抗地震倒塌能力目的。论文完成的高强轻骨料混凝土结构受剪性能研究,可为工程应用提供基础数据和技术依据,对于进一步深入了解该类混凝土结构特性,指导工程设计,促进工程应用具有重要的理论意义和实用价值。
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