新型外包角钢加固钢筋混凝土轴心受压柱试验研究

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我国存在大量服役多年的钢筋混凝土结构的建筑,这些建筑往往因多方面原因导致承载力不足需要加固,以提高结构的承载能力,满足结构可靠性的要求。钢筋混凝土柱是工程中最主要的受力和加固构件,增大截面加固法和外包型钢加固法是目前最常用的混凝土柱加固方法,按钢材与原构件连接方式不同,外包型钢加固法又分为外粘型钢加固法(也称湿式包钢加固法)和无粘结外包型钢加固法(也称干式包钢加固法),这两种外包型钢加固方法都存在明显的不足。本文主要针对上述两种外包钢加固方法的缺陷,提出新型外包角钢加固柱的技术和方法,通过部分现浇自密实混凝土将角钢(通过钢缀板相互连接)与原构件紧密结合,使两部分能够协同工作,提高构件的刚度和承载力,克服了外粘型钢加固法的耐久性问题和无粘结外包型钢加固法的协同工作问题。课题通过理论分析、模型试验及有限元模拟,研究钢筋混凝土柱在配钢率、缀板间距、新增混凝土厚度等因素的影响下,该方法加固的混凝土柱在轴向受压状态下的受力性能,破坏特点,并对新型外包角钢加固柱的设计提出建议和实用的计算方法。为了完成上述研究内容,本文开展了以下主要的研究工作:(1)开展了新型复合加固柱轴心受压承载力的试验研究。设计16根轴心受压柱试件,包括1根原始对比混凝土受压柱、3根单一外粘型钢加固对比混凝土受压柱和12根考虑自密实厚度、缀板间距、角钢型号等参数变化的外粘型钢加固混凝土受压柱。通过受压破坏试验,观测各种受压柱的受力过程和破坏特点,对比新型外包角钢加固试件与湿式外包钢加固试件的承载力试验结果,总结试件加固机理和进行承载力的分析,探究自密实混凝土厚度、缀板间距、角钢型号及用量等对受压加固柱的承载力的贡献方式及贡献值。(2)应用结构经典理论和加固规范知识(包括增大截面法和外包钢加固法的理论),以试验现象和结果为基础,分析新型外包角钢加固钢筋混凝土轴心受压柱受力性能,并对新增自密实混凝土结合层、角钢用量和缀板间距对承载力影响效应进行探究,初步拟定新型外包角钢加固法加固轴心受压柱的承载力计算表达式,利用试验数据拟合,推导出角钢强度利用系数αsv与试件钢骨体系约束混凝土的约束指标tλ之间的关系表达式:αsv=4.1λt+0.11,并以此为基础提出加固柱轴心受压的承载力计算表达式:Nu=0.95f cc(Ac+Ac0)+fyAs+(4.1λt+0.11)f yaAya。(3)借助于有限元分析元软件ANSYS,通过对材料的本构关系、屈服准则进行非线性分析,运用ANSYS建模进行数值模拟,根据模拟结果分析新型外包角钢加固混凝土轴心受压柱的应力、应变和位移等参数以及承载力等试验结果的变化和原因,并与试验现象、理论分析结果相比较,得出ANSYS模拟新型外包角钢加固钢筋混凝土轴心受压柱的结果与试验实测值、经典理论分析结果比较吻合,证实有限元模拟结果是有效的。因此今后对加固结构的加固效应的研究可以借助数值分析方法,应用有限元ANSYS强大的分析计算功能,适当建模模拟方法实现,以此弥补试验耗材耗力等缺陷,加大试验采集技术数据量,节省时间空间耗材,实现优化研究成果。(4)文章在总结研究成果的基础上,提出了本次的研究存在的问题,也对今后如何开展后期研究工作有了明确的规划。
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