角钢约束再生混凝土短柱轴心受压试验研究

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随着经济的快速发展和高层大跨结构的不断兴起,国家对发展绿色建筑的要求越来越高。角钢约束混凝土结构因兼具钢和混凝土两种材料优点的已成为土木工程的热点研究对象。另外,发展快速的土木工程建设带来了大量的建筑垃圾。近年来,我国已经在再生混凝土这一研究领域取得丰硕的成果和广泛的应用。但普通的再生混凝土缺陷较大,其内部存在细微裂缝、吸水率高等不良性能这使废弃混凝土利用率很低,不符合国家发展绿色节能建筑的要求。  综合以上动因,本文将再生粗骨料部分或全部代替天然粗骨料加入角钢约束混凝土结构中制成角钢约束再生混凝土短柱。角钢约束再生混凝土短柱作为一种新型结构融合了传统角钢约束混凝土结构强度高、刚度大、抗震性能优越等特点以及再生混凝土资源回收利用、节能环保的优点,它不仅能进一步提高建筑物的抗震性能和耐久性,改进混凝土骨料产地的生态环境,而且能充分利用废弃混凝土帮助解决都市废弃物的堆放占地和环境污染等问题。可见,角钢约束再生混凝土短柱的广泛应用带来明显的经济效益、社会效益和环境效益,因此具有广阔的研究应用前景。  本文以再生骨料取代率、抗剪连接件截面形式和布置间距为变化参数制作了8根角钢约束再生混凝土短柱,并进行轴心受压试验研究。在试验过程中通过观察试件破坏形态,分析探讨其受力性能及再生骨料取代率、抗剪连接件数量和布置形式对角钢约束再生混凝土结构的轴心受压承载力和延性产生的影响。  在试验的基础上,通过ANSYS软件对角钢约束再生混凝土短柱轴心受压过程进行仿真分析。并根据角钢约束再生混凝土结构自身的特点,选取合理的材料单元和本构模型,建立有限元模型,划分网格,施加约束和加载。且将有限元分析结果和试验结果进行对比分析,结果显示二者吻合程度较好。由此可见本文建立的有限元模型和分析方法是有一定参考价值,而且能较好地体现角钢约束再生混凝土短柱轴心受压的的实际受力状态。本次试验研究主要分为以下几个方面:  (1)首先对角钢约束混凝土组合结构和再生混凝土材料性能有关的国内外最新研究成果进行深入分析。其次,根据试验的目的设计试件参数,合理选择试验材料,加工角钢骨架,制作角钢约束再生混凝土短柱试件,确定试验方案和加载制度,为试验的顺利进行做好充分准备;  (2)对8根角钢约束再生混凝土短柱的进行轴心受压试验研究。本次试验主要探究了再生粗骨料取代率和抗剪连接件的截面形式以及布置间距对角钢约束再生混凝土短柱轴心受压承载力和延性的影响。试验结果表明:①角钢约束再生混凝土短柱受力机理和破坏过程与普通角钢-混凝土组合柱基本相似。②随着再生粗骨料取代率的降低和抗剪连接件间距的减小,其极限承载力有明显提高。③在其他条件相同的情况下,设有钢板条的试件比设有光圆钢筋的试件的极限承载力略有提高;  (3)首先选择合理的钢材模型和再生混凝土约束模型,在试验的基础上用有限元软件对本次实验过程进行模拟分析。并将其分析结果与试验结果进行对比分析,可知:ANSYS分析结果比实验结果偏大,但吻合程度较好。其次,总结出用该软件模拟角钢约束再生混凝土这一组合结构的基本方法及规律;  (4)在试验和有限元分析结果的基础上,对角钢约束混凝土短柱轴心受压过程中构件的破坏形态、两种材料的应力应变情况进行探讨分析,总结出该类构件轴心受压机理。并综合试验和有限元结果分析了再生骨料取代率对角钢约束再生混凝土短柱的轴心受压性能的影响。然后结合实验数据拟合出约束再生混凝土立方体抗压强度和再生骨料取代率的关系,并在已有的角钢约束混凝土短柱轴心受压承载力公式基础上引入约束效应提高系数来反映抗剪连接件对承载力的影响作用,从而提出设有抗剪连接件的角钢约束再生混凝土短柱轴心受压承载力计算公式。
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