内置钢骨方钢管超高性能混凝土柱轴压力学性能研究

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前人通过大量的研究已经发现,超高性能混凝土具有高强度、自重轻和不易裂等优点,型钢拥有良好的延性,不锈钢管拥有优越的耐腐蚀、耐久性特点,兼具外表美观、服役期长、延性好、抗震性能和耐火性能好。因此本文提出内置钢骨方钢管超高性能混凝土柱,不仅能够利用不锈钢管的约束能力,同时在超高性能混凝土中通过内置钢骨的措施,增加组合结构整体的延性。现对内置钢骨方钢管超高性能混凝土构件进行了轴压试验,观察其破坏形式并对该组合结构的工作机理进行分析,研究了不同长径比,径厚比,含骨率对构件轴压力学性能的影响,建立了重复测试的有限元模型,随后将其用于参数研究以生成更广泛的数据,拓展研究混凝土强度对内置钢骨方钢管超高性能混凝土柱极限承载力的影响。对其展开的具体工作如下:(1)探讨了长径比、径厚比和含骨率等因素对试件轴压力学性能的影响。以普通的方钢管超高性能混凝土柱为对照组,对14个轴压试件的试验过程及最后的破坏形态进行了描述。详细分析了荷载-位移曲线、外钢管不同位置处的荷载-应变曲线、钢骨翼缘和腹板处的荷载-应变曲线。试验表明:极限承载力与长径比、径厚比呈负相关,与含骨率呈正相关;内置钢骨方钢管超高性能混凝土柱的变形程度大于同参数的方钢管超高性能混凝土柱;内置钢骨方钢管超高性能混凝土试件在轴向荷载作用下,混凝土内放置的钢骨最先屈服,随后混凝土被压碎,最后外钢管再鼓曲变形;详细计算了各个试验试件的延性系数,内置钢骨方钢管超高性能混凝土柱的延性系数大于同参数的方钢管超高性能混凝土柱,具有较强的竖向压缩能力,其延性较同参数的方钢管超高性能混凝土柱更好。(2)参照相关规范和本次试验研究的内容,确立了适用于内置钢骨方钢管超高性能混凝土柱的有限元建模方法。通过ABAQUS软件建立了对应试件的足尺模型,并分析了二者之间的误差,模拟极限承载力与相应的试验极限承载力之间的误差在0.09%~8.42%范围内,证明了该有限元建模方法是可靠的。而后展开了大量的有限元模拟并对模型进行了参数分析,详细分析了混凝土强度、含骨率和径厚比对有限元模型荷载-位移曲线的影响。结果表明:内置钢骨方钢管超高性能混凝土模型的极限承载力与混凝土强度、含骨率呈正相关,与径厚比呈负相关;混凝土强度对内置钢骨方钢管超高性能混凝土短柱模型初始刚度的提升不明显;混凝土强度越大的模型,荷载-位移曲线的下降段越平缓;随着混凝土强度的提高,内置钢骨方钢管超高性能混凝土模型的含骨率越小时,其承载力提升效果越明显;内置钢骨的措施,可以很好提升长柱模型整体稳定性,且其含骨率越高,提升稳定性的效果越明显。(3)结合有限元数值模型和相关理论研究,拟合出了适用于内置钢骨方钢管超高性能混凝土短柱和中长柱的极限承载力计算公式,并用试验数据和有限元模拟数据验证了该计算公式的精确性。其中,计算值与试验值之间的平均误差为2.05%,计算值和模拟值的平均误差是2.19%,两个平均误差值均小于10%,证明该极限承载力计算公式是符合精度要求的。
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