【摘 要】
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钢筋混凝土结构是指以混凝土为主要材料并配置受力普通钢筋而制作的普通混凝土结构。钢筋混凝土柱作为钢筋混凝土领域中最常见的结构构件,因其易取材、低造价并有一套较为成熟的设计准则,成为建工领域最常用的柱结构形式。随着建筑业的发展,结构工程向着层数更高,跨度更大,荷载更重的方向发展,建筑上部承重结构中的柱子截面尺寸也越来越大,柱中配置的钢筋数量也成倍增加,进而导致钢筋笼施工工艺复杂、占用建筑空间等问题,此
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(51578163); 广西自然科学基金重点项目(2016GXNSFDA380032); 广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助项目(桂教人[2017]38号);
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钢筋混凝土结构是指以混凝土为主要材料并配置受力普通钢筋而制作的普通混凝土结构。钢筋混凝土柱作为钢筋混凝土领域中最常见的结构构件,因其易取材、低造价并有一套较为成熟的设计准则,成为建工领域最常用的柱结构形式。随着建筑业的发展,结构工程向着层数更高,跨度更大,荷载更重的方向发展,建筑上部承重结构中的柱子截面尺寸也越来越大,柱中配置的钢筋数量也成倍增加,进而导致钢筋笼施工工艺复杂、占用建筑空间等问题,此举绝不利于建筑行业的可持续性发展。因此,欲寻求新型的钢筋混凝土形式,以期设计长细比更大且施工简便的柱结构而更好地为高层和大跨度建筑服务,在满足承载力与抗震等性能的同时,带来良好的经济效益。而在以螺旋箍筋为主要元素的新型钢筋混凝土结构领域具有广阔的研究空间。本课题针对一种配设方箍内四个并束螺旋箍筋截面形式的钢筋混凝土柱结构(以下称“四叶草”式配箍钢筋混凝土方柱)进行探索性研究。设计并完成了 7个“四叶草”式配箍和1个传统配箍试件的轴心受压试验研究和9个“四叶草”式配箍和1个传统配箍试件的偏心受压试验研究。此外,本文还结合了理论分析的方法,在试验研究的基础上研究了“四叶草”式配箍钢筋混凝土方柱的承压性能,提出了相应的承载力计算方法与构造措施。具体工作和主要措施有:(1)对7个“四叶草”柱和1个单螺旋筋钢筋混凝土柱进行轴压试验,同时对9个“四叶草”柱和1个单螺旋筋钢筋混凝土柱进行偏压试验,其中“四叶草”柱中的变化参数有:箍筋间距、纵筋率(纵筋布置方式)、径宽比和偏心距等。详细介绍试验中各环节,观察各试件的破坏形态、工作机理、承载能力、延性和耗能,获取其荷载-位移曲线、荷载-应变曲线等。(2)采用箍筋,纵筋和混凝土表面粘贴应变片的量测方案,通过试验,分析各参数对试件承载能力、延性和抗弯刚度等力学性能的影响规律,比较相同用钢量的情况下“四叶草”柱与传统约束形式钢筋混凝土柱各力学性能指标以探讨新约束混凝土形式对于传统约束混凝土形式在性能上的表现是否有较大提升。(3)基于“四叶草”的破坏机理与各力学性能指标的变化规律,讨论轴压承载力计算方法,并提出“四叶草”柱的工程建议,以期为工程设计提供参考。得到的结论主要是:1)总体而言,配筋量和配筋方式影响着“四叶草”式配箍钢筋混凝土方柱轴心受压时的破坏形态;在试件承受轴心压力时,纵筋起到了一定程度约束混凝土的作用,而在“四叶草”式配箍钢筋混凝土方柱中,由于其特定的配箍形式,存在箍筋局部约束混凝土较弱且局部不能充分发挥约束能力的情况;2)箍筋间距和纵筋率不同程度上分别影响着“四叶草”式配箍钢筋混凝土方柱轴压性能的所有特征点参数,其中螺旋箍筋间距和纵筋率对试件极限承载力影响较为显著,且在一定程度上有着明确的正相关规律;3)相同用钢量下,相较于传统配箍形式,“四叶草”式配箍钢筋混凝土方柱除了延性表现较好外,其余指标均较差,由此认为“四叶草”式配箍钢筋混凝土方柱目前不适合在轴心受压场合中推广应用,也希望后续研究有余力对其改进并重新进行研究;4)偏心率是影响“四叶草”式配箍钢筋混凝土方柱偏心受压时破坏形态的主要因素,随着偏心率的增加,受压侧纵向裂缝和受拉区横向裂缝的出现顺序发生交换;对于“四叶草”试件,在特定配筋情况下,有可能会出现螺旋箍筋局部侧向变形较大而局部受压的情况;对于传统形式配箍试件,方箍存在局部侧向变形较大而局部受压的情况;5)螺旋箍筋间距、螺旋箍筋径宽比、偏心率和纵筋配置方式分别不同程度上影响着“四叶草”式配箍钢筋混凝土方柱偏心受压的各个力学指标,其中螺旋箍筋径宽比对试件的极限承载力和抗弯刚度有着显著影响,随着径宽比增加这两个指标均有较快增加;另外,随着偏心率的增加,“四叶草”试件的承载力、初始刚度和延性系数虽有所下降,但下降的趋势明显减弱;6)受偏心压力时,“四叶草”试件在极限承载力、抗弯刚度、延性系数和耗能能力上均比相同配筋量下传统配箍形式试件更胜一筹,表明其具有进一步开发研究的价值
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