【摘 要】
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内置钢骨的钢管混凝土柱作为新型组合结构融合了钢骨混凝土结构和钢管混凝土结构的优点,在保证试件延性和刚度的同时,承载能力得到大幅提升,因此在大跨度和超高层建筑结构中倍受青睐。同时,超高性能混凝土(Ultra-High Perf ormance Concrete简称UHPC)作为一种新型高强水泥基复合材料,强度高,耐久性好,但其脆性大、延性差,在实际工程应用中受到了一定的限制。此外,钢骨钢管混凝土组合
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内置钢骨的钢管混凝土柱作为新型组合结构融合了钢骨混凝土结构和钢管混凝土结构的优点,在保证试件延性和刚度的同时,承载能力得到大幅提升,因此在大跨度和超高层建筑结构中倍受青睐。同时,超高性能混凝土(Ultra-High Perf ormance Concrete简称UHPC)作为一种新型高强水泥基复合材料,强度高,耐久性好,但其脆性大、延性差,在实际工程应用中受到了一定的限制。此外,钢骨钢管混凝土组合构件在服役期间,不可避免的要面对复杂多变的外部环境,而普通碳素钢在工程运用时由于耐腐蚀性和耐火性能较差,使得构件不能长久地充分发挥其优越性能,因此,有必要对组合构件的外包部件进行一定的改进。综上所述,本文采用钢-混凝土组合结构模式,设计出内置钢骨不锈钢管超高性能混凝土柱,即在超高性能混凝土内部设置钢骨,外部使用不锈钢管进行约束,有效提高结构构件强度和延性,充分发挥超高强混凝土材料、钢材的优点。针对3个方面进行了研究:(1)完成了14个内置钢骨不锈钢管超高性能混凝土柱的轴向单调加载试验,研究长径比、径厚比和含骨率对试件轴压力学性能的影响。研究结果表明:在内置钢骨不锈钢管超高性能混凝土柱内部设置钢骨能够很好提升试件的轴压承载能力和变形能力;随着不锈钢管径厚比的减小,试件极限承载力逐渐增大,试件的刚度和延性均有一定程度的提高;随着试件长径比增大,试件极限承载力明显下降,试件刚度和延性降低;随着含骨率增大,试件极限承载力随之增加,试件刚度和延性一定程度提升;内置钢骨腹板相较于翼缘率先达到屈服状态,随着试件长径比的增加,钢骨延性逐渐降低,内置钢骨不锈钢管超高性能混凝土柱在轴向荷载作用下,破坏始于内置钢骨的屈服,其后内部超高性能混凝土发生局部破坏,最终外部不锈钢管在横向压力和纵向轴力的共同作用产生局部鼓曲导致试件破坏。(2)在试验研究的基础上,结合现行的材料本构计算模型和结构非线性分析理论,采用ABAQUS软件,在考虑试件几何初始缺陷和不锈钢管横向约束效应的基础上,对内置钢骨不锈钢管超高性能混凝土柱力学性能进行数值模拟分析,主要获取了内置钢骨不锈钢管超高性能混凝土柱的破坏形态特征、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线等,在验证了数值模型合理性的基础上,对试件轴压性能进行了参数分析,结果表明:随着超高性能混凝土轴心抗压强度的提高,内置钢骨不锈钢管超高性能混凝土柱轴压承载力极限承载力逐渐增大,同时,随着超高性能混凝土强度的提升,试件延性降低,但初始刚度基本不受其影响;随试件内置钢骨强度的提高,内置钢骨不锈钢管超高性能混凝土柱整体承载力逐渐增大,试件延性略有提升,刚度变化可忽略不计。(3)以长径比、超高性能混凝土强度、钢骨强度、含骨率等为控制变量,结合试验研究和有限元数值模拟,提出了内置钢骨不锈钢管超高性能混凝土柱轴压承载力计算公式,将公式计算结果和试验及有限元结果进行了对比分析,验证了公式的可靠性。
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