椭圆钢管钢渣混凝土短柱受压性能试验与设计方法研究

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作为钢铁年产值最大的国家,我国在“十三五”时期的钢渣年产出量已经超过了一亿吨,而这些工业废弃物的综合利用率仅不到30%,大量未经处理便露天存放的钢渣正在对国家生态环境产生严重危害。钢渣是炼钢过程中的副产物,主要化学成分与水泥熟料具有较大的相似性,所以将其作为原材料用于混凝土制品的生产具有广阔的市场前景与应用空间。然而,其内部含有的f-Ca O和f-Mg O遇水反应后会生成Ca(OH)2和Mg(OH)2使得钢渣混凝土的体积安定性不良,难以直接用于普通钢筋混凝土构件中。而若将钢渣混凝土浇筑于钢管内部,一方面钢管可作为屏障令钢渣混凝土处于完全封闭的工作环境中,使其与外界的水汽彻底隔离,保障构件的长期工作性能。另一方面钢渣混凝土的体积膨胀特性可使得构件在养护阶段产生微膨胀效应,让核心钢渣混凝土在承受外部荷载时更快地进入三向受力状态,有效解决普通钢管混凝土因体积收缩产的脱空缺陷问题,并能够提升构件的极限承载力。大量针对钢管混凝土构件的研究表明椭圆形截面钢管混凝土构件兼具圆形截面钢管混凝土优异的环向约束作用和矩形截面钢管混凝土灵活的尺寸布置等特征,因此椭圆钢管混凝土构件以其特有的建筑流线造型,合理的长短轴受力性能等优点被广泛应用于如公路桥梁、机场航站楼等大跨度工程项目中。综上,若将钢渣混凝土浇筑于椭圆形截面的钢管内部组合而成椭圆钢管钢渣混凝土构件,则能够在充分发挥椭圆形截面构件优点的同时降低钢渣混凝土对结构安全性的不良影响。鉴于现阶段有关椭圆钢管钢渣混凝土构件的研究和应用鲜有报道,本文针对椭圆钢管钢渣混凝土短柱的受压力学性能开展试验分析、数值模拟与承载力计算方法研究,具体内容如下:(1)针对试验所用钢渣采用XRF检测方法测定其组成成分,并就相同配合比下不同替代率的钢渣置换粗骨料混凝土试件进行基本力学性能试验。共设计开展了7组试件,主要分析了钢渣置换率对于钢渣替代粗骨料混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量和膨胀率等的影响规律。(2)进行了16根椭圆钢管钢渣混凝土短柱的轴压和偏压性能试验,分析了钢渣置换率、长短轴比和荷载偏心率等参数对破坏模式、轴向压力(N)-竖向位移(Δ)曲线和轴向压力(N)-应变(ε)曲线等的影响,明确了不同截面尺寸、钢渣置换率、长短轴比和偏心率等参数下的受力性能与规律。(3)采用ABAQUS有限元分析软件建立了椭圆钢管钢渣混凝土短柱的分析计算模型,考虑了椭圆特征与钢渣混凝土强度的影响,提出了受椭圆钢管侧向约束作用下的核心钢渣混凝土本构关系,并基于试验结果验证了模型的准确性,系统分析了截面含钢率、材料强度、长短轴比和长短轴偏心距等参数的影响,获悉了轴压和偏压作用下的椭圆钢管钢渣混凝土短柱的受力机理和全过程应力状态,揭示了椭圆钢管-核心钢渣混凝土间的界面相互作用。(4)在椭圆钢管钢渣混凝土短柱轴压和偏压试件的研究成果基础上,综合考虑材料参数、构件尺寸面积和加载偏心距大小等因素,通过分析对比现阶段已有的国内外相关规范,并借鉴部分相关学者的研究成果,分别提出了椭圆钢管钢渣混凝土短柱试件的轴压和偏压承载力计算方法。并将计算方法的预测值与本文中的试验值和有限元分析结果进行对比分析,证明了本文所提出的计算方法的准确性。
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