Q690方钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

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随着行业的进步发展,建筑结构的受力形式越趋复杂,高强钢管混凝土渐渐浮出水面,来满足更高强度的受力要求。高强钢管混凝土是一种利用高强钢代替普通钢来增强对混凝土横向的约束作用而形成的组合结构,从而增强核心混凝土的强度并改善其脆性;同时,混凝土也给钢管提供了一个内撑作用,延缓了钢管在受压过程不稳定而产生的局部屈曲,或使钢管的局部屈曲发生在峰值荷载之后。但高强钢相较于普通钢而言,带来更高强度的同时,也会使得构件整体的延性下降。为了探究Q690方钢管混凝土短柱在轴心荷载的作用下,方钢管对核心混凝土横向约束作用的变化过程、等效约束作用的大小,以及不同的混凝土强度和试件宽厚比对承载力大小的影响等方面,本文通过试验研究、数据分析、有限元模拟验证以及理论分析的方法对Q690方钢管混凝土短柱轴压的力学性能展开了以下具体研究:(1)设计并制作了22个Q690高强方钢管混凝土短柱,进行了分级静载轴压试验。主要以钢管的宽厚比,核心混凝土强度这两个参数,分析比较了Q690方钢管混凝土短柱的破坏形态、承载力、延性以及钢管对核心混凝土的套箍作用(宽厚比与含钢率在本次试验中可视作同一参数)。试验结果表明:宽厚比是影响Q690钢管混凝土短柱轴压最终破坏形态的主要因素,宽厚比小于40的试件最终破坏形态为环鼓破坏,宽厚比大于或等于40的试件为局部外鼓破坏。试件承载力主要由名义荷载来决定,名义荷载即钢管截面承载力与核心混凝土承载力之和,因此承载力的大小主要受材料强度和试件截面积的影响。在宽厚比不变的情况下,试件的极限承载力会因为核心混凝土强度的提高而提升;而宽厚比或含钢率、套箍系数实际上只是决定了承载力增幅的大小即约束作用的大小,且宽厚比在一定程度上决定了延性好坏,随着宽厚比的减小,试件的延性也就越好。(2)采用目前国内较常用的有限元分析软件ABAQUS,对方钢管混凝土短柱进行了模型搭建,首先根据钢材的材性试验数据确定了钢管的材料属性及应力-应变的对应关系,混凝土的立方体抗压强度也是由材性试验获得,应力-应变关系则采用丁发兴教授提出的本构模型。对于钢管的单元类型选择,所有部件均采用实体单元;对于网格的划分,采用角部细化的方法进行划分,并确定了网格的大小。利用本文的试验数据,包括峰值荷载、峰值应变与模拟出的计算结果进行对比,验证了模型的正确性,最后根据软件模拟出的应力云图再次验证了宽厚比对于Q690方钢管混凝土短柱轴压试件破坏形态的影响,有限元模拟与试验研究得出的结果相吻合。(3)通过规范及规程计算出Q690高强方钢管混凝土短柱轴压下的极限承载力,证实了Q690方钢管混凝土短柱在轴心受压状态下,钢管对核心混凝土产生的约束作用。将传统的约束机理与周绪红的约束机理进行了比较,两者的区别在于有效约束区域对全截面积的占比。最后基于现有的研究成果,给出了高强方钢管混凝土短柱轴压承载力计算式。该计算式以实际应变为依托,适用于发生局部屈曲或者极限状态下钢管并未完全屈服的情况,以期为该种组合结构的工程应用提供参考。
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