型钢活性粉末混凝土偏压柱的承载性能试验研究

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活性粉末混凝土(简称RPC)是一种具有高抗压抗折强度、高韧性和耐久性等优点的新型建筑材料,由于RPC具有普通混凝土所不具备的一些性能,因此能够满足大跨度建筑以及高层建筑中对混凝土强度高、耐久性好的要求。专家学者们在对型钢混凝土结构和RPC这种具有高强度的复合材料有了较深的研究基础之上,得到了型钢活性粉末混凝土结构,其有效的结合了RPC强度高和型钢刚度大的优点,在大跨度及超高层建筑工程领域中获得广泛认可,拥有着良好的发展前景。型钢活性粉末混凝土结构由于其组成材料的不同,其工作机理和破坏模式相对于普通型钢混凝土结构有所不同,并且随着型钢RPC结构在建筑工程中的运用日益广泛,对于其受力性能的研究也更加值得关注,因此有必要对型钢RPC结构的力学性能进行研究。基于上述情况,本文在国内外学者对于型钢RPC结构的研究基础之上,设计了6根型钢RPC柱,对试件在偏心荷载作用下的承载性能展开试验研究。考虑了不同偏心距和不同加载角两个因素的影响,其中包括1个轴压对比试件,3个单向偏压试件(偏心距分别为40mm、60mm、80mm),2个双向偏压试件(偏心距为80mm,加载角分别为45~0和90~0),研究各试件的承载性能和破坏形态,得出以下结论:(1)将各试件的破坏现象观察对比发现,轴压试件的破坏形式主要为混凝土压碎破坏,破坏裂缝为一条贯通试件的竖向裂缝,周围伴有竖向细微裂缝,内部型钢发生屈曲。对于偏心距较小的单向偏心受压试件,破坏形式主要为混凝土压碎破坏,当偏心距较大时,混凝土出现被拉断现象。此类试件破坏时,出现一条长且宽的破坏斜裂缝,斜裂缝几乎贯穿整个试件。双向偏压试件破坏主要为混凝土受拉破坏,在远轴力侧角部出现受拉横向裂缝,混凝土被拉断,试件侧面出现宽且长的斜裂缝。该类试件破坏时主要以斜裂缝和横向裂缝为主,破坏裂缝附近有短且细的竖向裂缝。(2)通过在不同偏心距下的荷载-纵向位移曲线可以看出,单向偏压试件的极限荷载与偏心距成反比,随着偏心距的增加,极限承载力减小。偏心距为40mm、60mm、80mm试件极限荷载相对于轴压试件分别降低了37.6%、40.0%、56.7%。由于加载前期,曲线大致呈线性变化,此阶段曲线的斜率可表示试件的刚度,对比发现随着偏心距的增加,试件的刚度逐渐减小。此外,偏心距对偏心受压试件的极限纵向位移也有显著的影响,试件破坏时的极限纵向位移随着偏心距的增加而增大。(3)通过在不同加载角下的荷载-纵向位移曲线可以看出,当偏心距固定时,极限荷载随着加载角的增大而降低,相比于加载角为0~0的试件,加载角为45~0和90~0试件的极限荷载分别降低了3.2%和6.9%。加载初期不同加载角试件的荷载-位移曲线斜率基本相同,表明加载角对试件刚度影响较小。当试件达到极限荷载时,加载角为45~0和90~0试件的极限纵向位移相比于加载角为0~0试件分别减小了18.37%和43.11%,表明随着加载角的增加,试件极限纵向位移减小。(4)从试件跨中处RPC的荷载-应变关系曲线、型钢的荷载-应变关系曲线可以看出,在加载初期,各试件RPC测点与型钢测点的应变随着荷载的增加基本保持线性增加。随着荷载继续加大,曲线斜率稍有波动,不同位置测点表现为不同的拉压应变状态。当超过极限荷载时,混凝土达到极限应变被压碎或拉断,型钢的受拉翼缘和受压翼缘均达到极限应变值发生屈曲破坏。(5)在平截面假定的基础上,通过理论模型计算,推导出单向偏心受压试件的承载力计算公式,与试验实测值进行对比,误差较小。此外,通过软件ABAQUS对试验进行有限元模拟分析,在模型中能够较直观的展现试件不同位置处的应力分布情况。模拟结果所得试件的极限荷载、荷载-纵向位移曲线与试验结果吻合性较好,可为型钢活性粉末混凝土偏压柱的承载性能研究提供参考。
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