钢筋增强ECC—钢管混凝土组合柱的力学性能研究

发布时间：2020-06-14 09:31

【摘要】：钢管混凝土具有承载力高、延性好及易于施工等优点,近几十年在高层建筑、大跨度公共建筑、大跨度桥梁、高耸结构、大型重载工业厂房中得到了广泛应用。然而,在工程实践中也发现钢管混凝土具有耐久性较低及防火性能较差等缺点,为此有学者提出在钢管混凝土外层浇筑一层钢筋混凝土,形成钢管混凝土叠合柱。然而,钢管混凝土叠合柱的外层钢筋混凝土与内层钢管混凝土力学差异明显,组合效应较低,限制了钢管混凝土叠合柱的进一步推广和应用。本研究提出用ECC取代钢管叠合柱的外层混凝土,形成钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱。ECC(Engineered cementitious composites)是一种具有假应变硬化特性和优越裂缝控制能力的高性能纤维增强水泥基复合材料。该材料具有与混凝土类似的抗压强度,但其极限拉伸应变可以达到3%~5%,达到极限拉应变前裂缝宽度能够有效控制在100μm以下,饱和状态下裂缝间距仅为3mm~6mm;在单轴压下,峰值应力对应的应变约为混凝土的2倍。将ECC替代混凝土能够有效避免因混凝土抗拉强度低和脆性引起的开裂和耐久性问题,进而可以大幅度提高钢管混凝土组合柱的安全性和耐久性。本文从试验研究、理论推导和有限元模拟三方面对钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱的轴压、偏压及低周反复性能进行了深入的研究。具体内容如下:(1)研究了钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱和钢管混凝土叠合柱在单轴压作用下的力学性能。完成了四根钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱及两根钢管混凝土叠合柱的轴压试验,并探讨了不同参数对组合柱轴压性能的影响。试验结果表明,钢管混凝土叠合柱在轴压力作用下外层混凝土出现明显剥落,而本文提出的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱在轴压力作用下保持了较好的整体性。在相同的配筋情况下,钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱的轴压承载力较钢管混凝土叠合柱高出30%,表明钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱具有更好的组合效应。此外,钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱的延性系数和耗能系数较钢管混凝土叠合柱提高了约40%和110%,表明钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱具有更好的延性。(2)研究了钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱在偏压荷载作用下的力学性能。完成了七根钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱的偏压试验,并探讨了不同参数对组合柱偏压性能的影响。试验结果表明,钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱相比钢管混凝土叠合柱在偏压荷载下均具有更好的延性和更高的承载能力。在试验完成之后,钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱均保持了较好的整体性,未出现大面积的ECC剥落,表明外层钢筋增强ECC与内层钢管混凝土具有较好的协同变形能力。根据偏心率的不同,钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱的破坏模式主要分为三种情况:小偏压破坏、界限破坏和大偏压破坏。试验结果也表明,组合柱的承载力随着偏心率的增加而逐渐降低,而延性则随着偏心率的增加而增加。(3)研究了钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱在低周反复荷载作用下的力学性能。完成了七根钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱及两根钢管混凝土叠合柱的拟静力试验,并探讨了不同参数对钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱抗震性能的影响。试验结果表明,钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱在低周反复荷载下具有较好的延性和抗震性能,滞回曲线饱满,未出现明显的捏拢现象。相比之下,普通钢管混凝土叠合柱在低周反复过程中出现明显的外层混凝土剥离,破坏较为严重,滞回曲线的捏拢现象较为明显。通过累计耗能对比分析可知,钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱的累计耗能约为钢管混凝土叠合柱的2倍,表明本文所提出的组合柱具有更好的抗震性能,适用于抗震设防烈度较高地区。(4)基于平截面假定和合理的材料本构模型,提出了钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱轴压承载力简化计算公式及钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱在偏压荷载下的简化计算模型。对比试验与理论模型可知,试验结果与理论结果吻合较好,表明本文提出的理论计算模型具有较高的准确性。(5)基于有限元模拟软件ABAQUS,在提出合理的材料本构关系及选取合理的接触单元的基础上,分别研究了钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱在轴压、偏压及低周反复荷载作用下的力学性能。对比试验与有限元计算结果可知,本文提出的有限元模型可以较为准确地研究组合柱的在轴压、偏压及低周反复荷载作用下的力学性能。基于有限元模拟结果,分析了组合柱在不同荷载下的破坏机理,最后通过参数分析研究了不同参数对组合柱力学性能影响。(6)基于试验结果及模拟分析并结合相关规范及规程,提出了钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱结构的承载力及抗震设计方法,同时也对组合柱的施工及验收提出了建议。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9


本文编号：2712588