方钢管超高性能混凝土短柱轴心受压性能研究

发布时间：2020-07-16 19:50

【摘要】：超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)作为一种新型高强水泥基复合材料,自问世以来就以超高的强度、良好的耐久性受到人们的关注,成为21世纪新型混凝土材料的发展方向。将UHPC灌入钢管中组成钢管UHPC,一方面钢管约束核心UHPC的受力变形,改善脆性,进一步提高强度;另一方面钢管内填充混凝土,能够延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲,充分发挥钢材的力学性能。钢管超高性能混凝土可以适应现代工程结构向高耸、大跨、重载方向发展和承受恶劣条件的需要,特别适用于超高层建筑、高耸结构、大跨桥梁、抗爆结构、薄壁结构以及高磨蚀、高腐蚀环境的结构。目前钢管超高性能混凝土构件研究主要集中在圆形截面,方钢管UHPC研究成果鲜见报道,其轴心受压受力性能与工作机理尚不明确,轴心受压极限承载力计算方法不够成熟。本文依托国家自然科学基金重点项目(51738011),采用试验研究与数值模拟相结合的方法,对方钢管UHPC短柱轴心受压性能、工作机理与承载力进行深入研究。主要研究工作及成果如下:(1)通过轴心受压试验,实测了荷载—变形曲线和荷载—应变曲线,考察了试件的破坏形态。研究表明,破坏类型主要与截面宽厚比和套箍系数有关,均为强度破坏,主要分为两类:当B/T≥14.3,1.149≤θ≤2.258时,轴压短柱试件发生腰鼓型破坏,当B/T≤10,2.495≤θ≤6.070时轴压短柱试件发生整体墩粗破坏。所有试件表现出很好的变形能力,UHPC的脆性问题得到很好解决。(2)通过有限元分析了试件受压全过程的受力阶段以及特征点处钢管和混凝土的应力变化规律,阐明了方钢管UHPC短柱轴心受压工作机理。研究表明:方钢管超高性能混凝土短柱轴心受压全过程主要分为弹性阶段、弹塑性阶段、荷载下降阶段、平稳阶段;达到极限承载力时,钢管全截面应力达到其屈服应力,混凝土纵向应力达到其轴心抗压强度,方钢管UHPC的弹性阶段较普通钢管混凝土的长,弹塑性阶段钢管与核心UHPC相互作用较普通钢管混凝土的弱。(3)在试验研究的基础上,采用有限元软件ABAQUS进行因素拓展分析,分析了混凝土强度、截面宽厚比和钢材强度对构件承载力的影响规律。研究表明,核心混凝土轴心抗压强度从80MPa增加到200MPa,极限承载力分别提高了 5.92%、14.0%、22.70%、41.75%,基本呈线性增长趋势;截面宽厚比从33.3减小到6.3,极限承载力分别提高了 33.37%、55.28%、70.05%、106.13%,提高的幅度逐渐增大;钢材屈服强度从Q235提高到Q460,极限承载力分别提高了 21.31%、30.06%、35.88%、43.63%,呈线性增长趋势。(4)综合分析试验结果和有限元模拟结果,并结合国内外钢管混凝土相关规范,提出了方钢管UHPC短柱轴心受压强度承载力计算公式,可为工程设计提供参考。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9
【图文】：

曲线,配合比,清华大学,钢管

魁北克省谢布洛克大学联合波尔达克混凝土预拌厂制备了两批ＲＰＣ：邋—批为普通ＲＰＣ逡逑圆柱体试件，另一批制成圆钢管ＲＰＣ试件，分析钢管约束对ＲＰＣ强度和延性的影响，逡逑并于普通混凝土（ＮＳＣ）和高强混凝土（ＨＰＣ）对比［５７］（见图１．１），结果表明，钢管逡逑约束下ＲＰＣ的极限应变明显增大，为普通混凝土的２－３倍，脆性问题得到有效解决。逡逑３００逡逑２５０－逦一＇受约束和预压的ＲＰＣ逡逑＾逦＼逦受约束的ＲＰＣ逡逑＾邋１00；邋／逡逑＇ｆ＼逦掺钢纤维的ＲＰＣ逡逑０－Ｋ－￣．￣￣￣逦，逦．逦，逦．逦，逡逑０逦５０００逦１００００逦１５０００逦２００００逡逑应变／ＫＴ６逡逑图１．１邋ＲＰＣ与ＮＳＣ、ＨＰＣ应力一应变曲线逡逑清华大学孟世强等［５８］邋２００３年开始对钢管ＲＰＣ展开初步研宄，对４组不同配合比逡逑的普通ＲＰＣ和圆钢管ＲＰＣ短柱试件进行轴心抗压强度试验，发现与普通ＲＰＣ相比，逡逑钢管ＲＰＣ无论在极限强度还是强度的均匀性上均有很大地提高，脆性也得到明显改逡逑善

试件,钢管,盖板

试件所用壁厚为５ｍｍ，６ｍｍ，７ｍｍ的钢管由两个冷弯Ｌ形钢板，采用直焊缝焊逡逑接而成；壁厚为ｌ0ｍｍ，１４ｍｍ，１８ｍｍ的钢管由四片矩形钢板米用坡口缝焊接而成，逡逑试件截面如图２．１所示。在试件加工时，首先按照设计尺寸加工空钢管，并保证空钢逡逑管两端截面平整且焊缝质量满足要求。每个试件加工两个方形钢板作为试件的盖板，逡逑尺寸为１５０ｍｍ＞＜１５０ｍｎｉ，厚度与试件钢管厚度保持一致。先在空钢管的一端焊上盖板逡逑以及加劲肋，确保钢管直立时和加载时的稳定性。等到混凝土填筑养护后，用打磨机逡逑将试件表面打磨光滑平整，用同强度的ＵＨＰＣ抹平，焊上盖板和加劲肋。保证盖板和逡逑空钢管的几何中心对中，焊缝质量满足要求。逡逑钢管超高性能混凝土短柱试件具体制作过程如逡逑下：采用强制式搅拌机拌制ＵＨＰＣ，将其灌入钢管｜ｒ逦＾逦＾＾逡逑中，在振动台上振捣密实，制成钢管ＵＨＰＣ试件。逦？邋．邋＼邋？逦］邋？邋＊逡逑考虑实际工程的可操作性

截面图,方钢管,截面图,钢管

【参考文献】