螺旋箍筋约束超高性能混凝土柱的轴压性能与耐火极限

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超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高强度和超高耐久性的混凝土,在土木工程领域拥有极好的前景。与普通混凝土相比,UHPC具有更致密的微观结构和更低的渗透性,但是其也存在一些自身的缺陷。UHPC延性低、脆性大的特点不可被忽略,耐火性差、高温下易爆裂的缺点也制约着UHPC大规模的应用。基于上述考虑,本文从材料与结构角度,对通过螺旋箍筋约束UHPC柱来改善UHPC的延性和耐火性的可行性进行了初步探讨,具体工作和主要结论如下:1.开展了14根螺旋箍筋约束UHPC柱的轴压试验,考察了UHPC强度、螺旋箍筋间距、螺旋箍筋强度及钢纤维掺量等参数对柱轴压性能的影响规律,提出了适用于UHPC螺旋箍筋柱的轴压承载力计算公式。研究结果表明:(1)UHPC螺旋箍筋柱应掺加一定比例的钢纤维;(2)轴压荷载下,掺加钢纤维的UHPC螺旋箍筋柱试件呈现4个不同的受力阶段:线弹性段、非线性段、峰值荷载后卸载段及后期平台段;(3)减小螺旋箍筋间距和提高钢纤维掺量均有助于提高UHPC螺旋箍筋柱的轴压承载力,但提高幅度总体有限;(4)采用高强箍筋对提升柱轴压承载力的效果不明显,但有助于提高其韧性指标等延性特征;(5)针对UHPC螺旋箍筋柱的轴压承载力,本文建议公式的预测精度高于ACI318-2019设计方法与Mander模型。2.开展了4种配比共计120个圆柱轴压试验和102个狗骨拉伸试验。考察了受火温度、纤维类型、养护方式等因素对UHPC拉压力学性能影响,提出了适用于预测UHPC高温力学性能的计算公式。研究结果表明:(1)UHPC在300℃以上可能发生爆裂,从而导致力学性能迅速退化;(2)UHPC中掺加混合纤维(钢纤维和PP纤维)明显提高了其抗爆裂能力;(3)在20℃~300℃范围内,单掺钢纤维和混合纤维UHPC的抗压强度损失幅度相似,而抗拉强度损失幅度更大;(4)在20℃~300℃范围内,采用蒸汽养护的UHPC比自然养护的UHPC具有更高的抗压强度和抗拉强度;(5)所提出的依赖温度的UHPC力学性能退化表达式可用于评估UHPC抗火性能。3.开展了4根螺旋箍筋约束UHPC柱的耐火试验。考察了箍筋间距、纤维种类等参数对柱火灾下的力学性能的影响,并对UHPC柱原型化进行了预测。研究结果表明:(1)螺旋箍筋能够有效地抑制UHPC柱在火灾下的爆裂。随着箍筋间距减小,UHPC柱的耐火极限得到了显著提高;(2)混合添加PP纤维和钢纤维后,UHPC柱在火灾下的爆裂情况有所减缓,但其作用不如螺旋箍筋间距影响显著;(3)较小的箍筋间距可以提高UHPC柱在火灾下的延性,使UHPC柱在破坏时变形更加平缓;(4)单掺钢纤维的UHPC柱破坏时较为突然,且相比混合纤维UHPC柱有更高的轴向膨胀变形;(5)预测结果表明,当箍筋间距大于6d(d为螺旋箍筋直径)时,UHPC螺旋箍筋柱不再满足规范规定的最低耐火要求。
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