钢筋增强ECC-钢管混凝土叠合柱抗震性能研究
发布时间：2020-05-14 18:44
【摘要】：在地震区的高层建筑中,钢-混凝土组合柱截面形式得到了广泛的应用。其中,钢管混凝土叠合柱(ST-RC柱)由于其良好的承载力、延性、耐久性等得到了更为广泛研究与应用。然而,试验研究和工程实践表明,ST-RC柱外层混凝土延性远小于中部钢管混凝土,两者协同变形能力较差,外层混凝土容易发生剥离,且核心钢管混凝土的峰值荷载滞后于外层钢筋混凝土,降低了叠合柱的极限承载力;同时,混凝土是一种准脆性材料,抗拉强度低,容易开裂,ST-RC柱在地震水平反复荷载作用下,外层混凝土受拉易发生开裂,并引起其与钢筋和钢管的粘结强度的迅速退化而发生剥离破坏,降低了结构的抗震性能、耐久性和抗火性能,制约了ST-RC柱在实际工程中的推广应用。ECC(Engineered cementitious composites)是一种具有超高韧性和优越耗能性能的纤维增强水泥基复合材料,将其应用于工程结构中能大大提高构件的抗震性能。本文提出钢筋增强ECC-钢管混凝土叠合柱(R/ECC-CFST柱)的截面形式,拟将ECC材料替代叠合柱中管外混凝土,以期提高其抗震性能。具体工作如下:(1)基于钢筋混凝土和钢管混凝土结构设计的基本理论,采用合理的本构模型和假定,对R/ECC-CFST柱正截面轴压、偏压承载力计算方法进行研究。给出了简化的计算模型和计算公式,且与试验数据吻合得较好,误差均控制在10%范围以内。(2)设计了7个R/ECC-CFST柱试件和4个ST-RC柱对比试件,通过对11个试件进行低周反复荷载试验,对不同轴压比、配箍率和钢管直径下叠合柱试件的破坏形态、滞回曲线、强度、刚度、延性、耗能和应变等力学性能指标进行了研究。试验结果表明,相比与ST-RC柱,所有R/ECC-CFST柱表现出更好的延性和耗能性能,滞回曲线更为饱满,且无明显“捏缩”效应。提高轴压比,试件承载力可提高约24.6%,延性和耗能降低;提高配箍率和钢管直径,在一定程度上可以提高试件的承载力、延性和耗能,但影响不显著;同等条件下,ST-RC柱试件的累计耗能约为R/ECC-CFST柱试件的50%。(3)利用有限元软件ABAQUS模拟了R/ECC-CFST柱在低周反复荷载作用下的破坏过程,并将有限元计算结果与试验结果进行了对比。在模拟结果可靠的基础上,研究了叠合柱在低周反复荷载作用下的破坏机理,并讨论了不同参数对叠合柱低周反复性能的影响。分析结果表明,提高纵筋屈服强度、钢管屈服强度、含管率和纵筋率,试件承载力和延性均提高;提高核心混凝土强度和管外ECC强度,试件初始刚度和承载力提高;提高管外ECC的极限抗拉应变,试件延性及强度提高;提高轴压比,试件初始刚度和承载力提高,延性和耗能能力降低。(4)基于普通钢筋混凝土和钢管混凝土压弯构件的恢复力模型的相关计算理论,采用叠合柱的抗震性能试验数据,确定了叠合柱柱的恢复力模型为退化三线型,进而给出了叠合柱恢复力模型的计算公式,并描述了恢复力模型的滞回规则。利用该模型计算的各叠合柱试件的特征点值,与试验结果吻合得较好,误差均控制在10%范围以内;利用该模型描绘的滞回曲线与试验结果吻合较好。
【图文】：
从材料角度来说，低纤维含量的纤维混凝土（FRC）可有效改善混凝土的韧性，但是对裂缝开展的控制能力仍不够理想，在拉伸荷载下仍然表现为应变软化特性，如图1.2所示。超高延性纤维增强水泥基复合材料ECC（EngineeredCementitiousComposites）是一种具有应变硬化特性和多裂缝开展机制的高延性纤维增强水泥基复合材料，，在 2%的纤维体积掺量下极限拉应变稳定地超过 3%，是混凝土的 300 倍左右，极限拉应变时平均裂缝宽度控制在 100 μm以内[6-7]，如图 1.3 所示。ECC 材料是基于细观力学，通过分析纤维、基体及界面的力学行为进行设计，以超高延性为目标而“策划”出来的新型建筑材料，具有类似于钢材的弹塑性延性变形行为和能量吸收能力。采用 ECC 材料替代混凝土不仅能够显著提高构件所需的延性，而且在塑性变形阶段
混凝土叠合柱在地震水平反复荷载作用下，外层混凝土受拉易发生开裂，并引起其与钢筋和粘结强度的迅速退化而发生剥离破坏，降低了结构的抗震性能、耐久性和抗火性能，制约了凝土叠合柱在实际工程中的推广应用[4]。研究表明，在混凝土中加入适量的纤维，可以改善混凝土的脆性性能，限制裂缝的开展，凝土结构的强度、延性、韧性、抗疲劳、抗冲击等性能[5]。从材料角度来说，低纤维含量的纤土（FRC）可有效改善混凝土的韧性，但是对裂缝开展的控制能力仍不够理想，在拉伸荷载下现为应变软化特性，如图1.2所示。超高延性纤维增强水泥基复合材料ECC（EngineeredCementimposites）是一种具有应变硬化特性和多裂缝开展机制的高延性纤维增强水泥基复合材料，在纤维体积掺量下极限拉应变稳定地超过 3%，是混凝土的 300 倍左右，极限拉应变时平均裂缝制在 100 μm以内[6-7]，如图 1.3 所示。ECC 材料是基于细观力学，通过分析纤维、基体及界面行为进行设计，以超高延性为目标而“策划”出来的新型建筑材料，具有类似于钢材的弹塑变形行为和能量吸收能力。采用 ECC 材料替代混凝土不仅能够显著提高构件所需的延性，而性变形阶段，由于钢筋与 ECC 之间变形协调，界面粘结应力能够大大降低，从而减少纵向劈和混凝土剥落的发生，有效保证结构的整体性。同时，ECC 材料在制备过程中大量利用了工粉煤灰，大幅度降低了水泥的用量，符合我国节能减排的可持续发展战略。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9;TU352.11
【图文】：
从材料角度来说，低纤维含量的纤维混凝土（FRC）可有效改善混凝土的韧性，但是对裂缝开展的控制能力仍不够理想，在拉伸荷载下仍然表现为应变软化特性，如图1.2所示。超高延性纤维增强水泥基复合材料ECC（EngineeredCementitiousComposites）是一种具有应变硬化特性和多裂缝开展机制的高延性纤维增强水泥基复合材料，，在 2%的纤维体积掺量下极限拉应变稳定地超过 3%，是混凝土的 300 倍左右，极限拉应变时平均裂缝宽度控制在 100 μm以内[6-7]，如图 1.3 所示。ECC 材料是基于细观力学，通过分析纤维、基体及界面的力学行为进行设计，以超高延性为目标而“策划”出来的新型建筑材料，具有类似于钢材的弹塑性延性变形行为和能量吸收能力。采用 ECC 材料替代混凝土不仅能够显著提高构件所需的延性，而且在塑性变形阶段
混凝土叠合柱在地震水平反复荷载作用下，外层混凝土受拉易发生开裂，并引起其与钢筋和粘结强度的迅速退化而发生剥离破坏，降低了结构的抗震性能、耐久性和抗火性能，制约了凝土叠合柱在实际工程中的推广应用[4]。研究表明，在混凝土中加入适量的纤维，可以改善混凝土的脆性性能，限制裂缝的开展，凝土结构的强度、延性、韧性、抗疲劳、抗冲击等性能[5]。从材料角度来说，低纤维含量的纤土（FRC）可有效改善混凝土的韧性，但是对裂缝开展的控制能力仍不够理想，在拉伸荷载下现为应变软化特性，如图1.2所示。超高延性纤维增强水泥基复合材料ECC（EngineeredCementimposites）是一种具有应变硬化特性和多裂缝开展机制的高延性纤维增强水泥基复合材料，在纤维体积掺量下极限拉应变稳定地超过 3%，是混凝土的 300 倍左右，极限拉应变时平均裂缝制在 100 μm以内[6-7]，如图 1.3 所示。ECC 材料是基于细观力学，通过分析纤维、基体及界面行为进行设计，以超高延性为目标而“策划”出来的新型建筑材料，具有类似于钢材的弹塑变形行为和能量吸收能力。采用 ECC 材料替代混凝土不仅能够显著提高构件所需的延性，而性变形阶段，由于钢筋与 ECC 之间变形协调，界面粘结应力能够大大降低，从而减少纵向劈和混凝土剥落的发生，有效保证结构的整体性。同时，ECC 材料在制备过程中大量利用了工粉煤灰，大幅度降低了水泥的用量，符合我国节能减排的可持续发展战略。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9;TU352.11
【参考文献】
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6 徐世p
本文编号：2663779
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