部分包覆钢-轻骨料混凝土组合柱轴压性能及设计方法研究

来源 :钱正昊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:demon3214
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随着建筑工业化生产模式的持续推进,装配式组合构件以其灵活的应用形式、优异的结构性能等方面的杰出表现成为了工程应用的广泛选择。作为一种重要的组合构件形式,部分包覆钢-混凝土组合柱具有传统组合结构的优势,兼具节点设计便捷、耐火性能优异等特点,有着的良好应用前景。在此基础上,将轻骨料混凝土与型钢结合形成部分包覆钢-轻骨料组合结构,符合装配式构件运输轻量化、装配便捷化的发展理念。但考虑到轻骨料混凝土变形能力较强,其与型钢的组合工作机理并不清晰。因此,本文针对部分包覆钢-轻骨料混凝土组合柱的轴压性能开展了相关研究,主要研究内容如下:(1)开展了8根部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱的轴压性能试验,分别探究了混凝土类型、轻骨料混凝土强度、系杆间距、纵筋及截面长宽比等参数对试件破坏模式、轴压承载能力及延性等力学性能的影响;结合试验结果,建立了部分包覆钢-轻骨料混凝土轴压短柱的数值分析模型,系统地研究了轻骨料混凝土强度、钢材屈服强度、系杆直径、系杆间距、翼缘宽厚比及截面长宽比等参数对部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱轴压性能的影响,进而揭示了构件在轴压荷载作用下的全过程受力机理;最后,对混凝土及型钢间的接触应力及混凝土截面应力分布情况展开探究。结果表明,轴压荷载作用下部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱与部分包覆钢-普通混凝土组合短柱的破坏模式相似,但脆性更强;随着系杆间距的减小及系杆直径的增大,构件的力学性能将得到改善;峰值荷载前的翼缘局部屈曲程度较轻,但在峰值荷载后的翼缘出现明显屈曲;截面轻骨料混凝土可按应力分布可分为无约束混凝土和约束混凝土两部分,约束混凝土的峰值应力得到了增强。(2)开展了3根部分包覆钢-轻骨料混凝土组合长柱的轴压性能试验,主要研究了长细比对构件破坏模式、轴压承载力及稳定系数的影响;结合试验结果,建立了部分包覆钢-轻骨料混凝土轴压长柱的数值分析模型,系统地研究了轻骨料混凝土强度、钢材屈服强度、系杆间距、长细比及加载方式等参数对部分包覆钢-轻骨料混凝土组合长柱轴压性能的影响,进而揭示了构件在轴压荷载作用下的全过程受力机理;通过对比国内外规范,对构件的稳定系数进行了预测。结果表明,随着长细比的增长,构件会由材料强度破坏转由弹塑性失稳破坏,再到弹性失稳破坏,承载能力与稳定系数大幅度降低,纵向变形及跨中挠度显著增长,二阶效应更加明显;采用AISC 360的设计公式能够较为保守及准确地预测构件稳定系数。(3)鉴于目前对部分包覆钢-混凝土组合结构的承载力计算方法存在局限性,本文基于试验研究和有限元分析结果,考虑内部约束混凝土的强度提高、型钢翼缘局部屈曲及稳定系数的影响,提出预测部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱及长柱轴向承载力的计算方法。对比结果表明,本文提出的轴压承载力计算公式具有较好的适用性及准确性。
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