圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱力学性能研究

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　　圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱力学性能研究1绪论1.1研究的背景及意义钢管约束混凝土是在钢管内填充混凝土，但钢管不直接承受纵向荷载，且只对核心混凝土起横向约束作用的新型组合结构。在实际工程中框架柱的受力机理比较复杂，需要在轴力、弯矩和剪力的共同作用下工作，所以，将钢管约束混凝土应用于框架柱时需配置纵筋，这就引出了钢管约束钢筋混凝土这种新型结构。钢管约束混凝土柱与传统的钢管混凝土柱在受力机理上有着本质不同。此类框架柱的外部钢管不通过节点核心区，在梁柱节点处断开，以实现钢管不直接承受纵向荷载，只对核心混凝土起约束作用；钢管混凝土构件的外部钢管则通过节点核心区，在受力过程中，既承受纵向荷载，又横向约束混凝土的变形。粉煤灰是工厂燃烧粉煤后,得到的工厂粉末，属工业废料。我国是煤炭大国，以煤炭为主要工业燃料，这就决定了我国每年巨大的粉煤灰出产量，且逐年增加。2009年，绿色和平组织指出:中国的粉煤灰产量达到3.75亿吨，相当于当年中国城市生活垃圾总量的2倍多，其体积可达到4.24 亿立方米。一直以来，如何处置大量粉煤灰成为工业生产的一个难题，处理不当不但会直接污染环境，而且会占用大面积放置空间，成为目前十分重要的环境问题[1]。因此，要在未来长时期内，合理利用粉煤灰，将之变废为宝，在保护环境和资源节约的角度均具有十分重要的影响[2]。近年来，为做好粉煤灰的综合应用，研究人员将粉煤灰等量替代一部分水泥作为胶凝材料形成粉煤灰混凝土，一方面由于粉煤灰自身具有一定的物理性能，对混凝土的和易性等物理性能产生了一定的影响，另一方面可在原来基础上减少水泥用量，节约工程成本（粉煤灰成本为水泥的四分之一），切合建筑材料的循环利用、可持续发展战略，近年来，粉煤灰混凝土已经成功应用于诸多建筑结构中[3~5]。将粉煤灰混凝土应用到钢管混凝土中形成钢管粉煤灰混凝土构件，可完善此类混凝土的可泵送性；由于粉煤灰具有一定的活性，会改善混凝土的物理性能，便于其在钢管内部的填实[6]。目前为止，钢管混凝土已有100多年历史，从简单的单层厂房慢慢发展到大跨度高耸结构等。目前，随着混凝土中逐渐加入添加剂，混凝土种类也逐步增多并应用于各大结构中，其中，钢管粉煤灰混凝土组合构件已应用到各类结构中。.........1.2研究现状1984年，蔡绍怀和焦占拴[7]完成了57 个钢管混凝土短柱的轴压力学性能研究，以套箍指标、加载方式等因素为试验的主要参数，有三组不同的加载方式：在钢管内壁涂油，大幅度降低钢管与混凝土两种材料之间的粘结摩擦力，只有核心混凝土直接承受竖向荷载；钢管与混凝土计算长度一样，以保证两者同时受压；钢管长度高于混凝土长度，钢管首先承担压力。试验可得，加载方式和部件高度等因素对试验承载力的影响不大。1985年，Tomii，Sakino等[8]第一次提出tubedcolumn(套管柱)的概念，指出其中的钢筋相当于混凝土柱中的箍筋，完成了在轴向压力反复弯剪作用下的短柱试验（选取钢管厚度、轴压比、材料强度等因素为试验变量），并得到了核心混凝土应力－应变关系，结果表明：套管柱（即钢管约束混凝土柱）可以有效避免试件的剪切破坏；具有较好的抗震性能和变形能力，可适用于抗震结构中；指出套管柱与传统钢管混凝土柱力学性能的不同，对钢管约束混凝土的后续发展具有深远的影响。1985年，Sakino等[9]完成了12个圆钢管混凝土短柱的轴压力学性能研究。试件材料选取无缝管和直缝管两种。试验的施加荷载模式有：1)荷载同时作用在钢管和核心混凝土上；2)荷载仅作用在核心混凝土上；3)荷载仅由核心混凝土承担，且事先在钢管内壁涂一层油脂，以使两种材料间没有粘结摩擦。试验结果表明：在施加荷载过程中，加载方式3）的承载力最大，而方式1）最小。1985年，Priestley 等[10]人首次提出了利用钢外包壳抗震加固的方法，并应用于实践，指导并加固了加利弗尼亚地区的桥梁工程。结果表明：钢外包壳提供有效的套箍作用，这种形式是钢管约束混凝土结构的前身。1987年，日本大林组建设公司[11]第一次将钢管约束钢筋混凝土的新型组合构件应用于大跨度高耸结构中，随后这种组合结构技术逐渐应用到新建建筑和加固已有建筑中。1987年，Sato等[12]提出一种类似于钢管约束钢筋混凝土柱的结构体系。该结构的提出对钢管约束混凝土的应用推广提供了新思路。证实了钢管约束钢筋混凝土结构可以应用到工程结构中去，有很大研究意义。.........2试验概况2.1试验目的本次进行钢管约束钢筋粉煤灰混凝土短柱的轴压试验研究，其主要目的是分析钢管约束粉煤灰混凝土短柱在轴压作用下的基本力学性能。选取钢管含钢率和粉煤灰取代率作为参数，试件的径厚比为55、73和110，混凝土中粉煤灰取代率分别取0、10%、30%和50%，对4组12个圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱构件进行分析，了解其对构件破坏模式和轴压力学性能的影响及规律。并分析其影响规律，为后续的理论研究提供必要的数据验证。........2.2试验方案由于需要精确的分析钢管约束钢筋混凝土构件的受力机理及力学性能，因此，试件长度要控制在合理范围内，如果长度太长，会发生弯曲破坏；如果长度太短，端部效应不容忽视。由于不能准确地表达出钢管约束钢筋混凝土的力学特性，试验应尽量避免上述两种情况的产生。因此，参考钟善桐[57]在1994 年对钢管混凝土的分析成果，取试件的长径比L/D为3进行研究。在确定轴压短柱径厚比（D/t）时，应考虑避免因径厚比（D/t）过大致使薄壁钢管提前局部屈曲，进而影响短柱在轴向压力作用下的真实力学性能；根据周绪红的钢管约束钢筋混凝土结构的研究，本次试验考虑了薄壁圆钢管的初始缺陷对临界径厚比的影响，并将试件径厚比分别设置为55、73、110三个值。同时考虑到实际工程项目中常使用的柱的混凝土强度来确定核心混凝土的配制强度为C30，所以本次试验在C30混凝土的基础上，用粉煤灰取代混凝土中的一部分水泥，用来研究这种情况下轴压短柱的力学性能，粉煤灰取代率分别取0、10%、30%和50%。综合考虑以上因素，本次试验的构件详细参数见表2.1。试验时，混凝土中水泥采用冀东水泥，应变片采用内蒙古科技大学试验室提供的电阻应变片，加载过程中采用液压式压力试验机和进口TDS－530数据采集仪。图2.1为CTRC试件示意图，钢管外直径为219mm，长径比为3，试件高660mm，外部钢管壁厚2mm，构件钢管含钢率为3.7%，构件内配筋为4C14，其配筋率为1.7%，箍筋为2A8200，端板厚10mm。.......3圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱的试验研究.......173.1破坏模式分析.........173.2荷载－变形分析.....193.3荷载－应变曲线.....223.3.1钢管中部的荷载－应变曲线.... 223.3.2钢管中部和端部的荷载－应变曲线比较分析....233.4钢管中部的荷载－横向变形系数关系曲线.......253.5试件的轴压承载力分析.....273.6本章小结......294有限元模型及分析方法.........314.1引言........314.2有限元计算与分析.......314.3荷载－位移关系.....394.4本章小结......435圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱承载力计算方法.....445.1钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱的受力机理.......445.2圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱承载力计算公式......455.3圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土构件承载力公式验证.........465.4本章小结......485圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱承载力计算方法钢管约束钢筋混凝土柱是在钢管混凝土柱与箍筋混凝土柱的基础上进行改良，使其具有延性好、抗压承载力高、施工方便、减少结构用钢量、降低结构造价等优点，在现代建筑中，尤其适用于高层、超高层及大跨度建筑的底层框架柱，拥有广泛的应用前景。本文对钢管约束钢筋混凝土构件的各个组成部分分别进行承载力理论分析，推导出圆钢管约束钢筋混凝土构件的承载力计算方法及公式，并将粉煤灰取代率的影响考虑在内，将所得结果和试验数据进行比对。圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土构件的截面形式见图5.1。5.1 钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱的受力机理与钢管混凝土受力情况不同，钢管约束钢筋混凝土构件的外部钢管不直接承受轴向荷载，只对核心混凝土起套箍约束作用，所以，在试件加载过程中，钢管对核心混凝土产生套箍效应，使其处于三向受力状态，在这样的状态下，其抗压强度将有很大程度的提高；因为混凝土在受纵向压力的状态下会发生横向变形，所以，外部钢管将处于环向受拉和轴向受压的应力状态，虽然纵向压力不由钢管直接承担，但由于实际情况，钢管和混凝土之间存在不可忽略的摩擦力，会转化成部分的轴向压应力；内置钢筋完全内置于混凝土中，与混凝土一样，处于三向受压状态；在整个试验过程中，箍筋只为构造配筋，起架立作用。在轴压短柱达到极限承载力时，核心混凝土发生破坏，钢管和纵向钢筋均发生屈服，在此状态下的钢管以环向受拉和轴向受压为主，受力简图如图5.2。..........结论本文选用试验分析和有限元分析相结合的方式，对圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱受力机理进行分析，在试验研究方面，考察了试件的破坏模式、极限承载力、应变发展规律等，探讨粉煤灰取代率、钢管径厚比的变化对试件轴压力学性能的影响；理论研究方面，对试件进行非线性分析计算，并将计算所得与试验数据比对，验证有限元模型的有效性。具体结论如下： 通过对掺入一定量粉煤灰的钢管约束钢筋混凝土轴压短柱的静力试验分析，考察了试件的破坏模式、极限承载力、应变发展规律等，探讨粉煤灰取代率、钢管径厚比的变化对试件轴压力学性能的影响，可以得出以下结论：（1）粉煤灰取代率不同的试件组中，试件的破坏形态基本相似；径厚比不同时，钢管外部的破坏模式有所不同，发生钢管撕裂破坏和钢管中部鼓曲破坏。本次试验中粉煤灰掺量对试件的外部破坏形态影响不大，外部钢管的破坏形态则取决于钢管径厚比的取值。（2）当径厚比相同时，伴随粉煤灰取代率的慢慢加大，核心混凝土的强度慢慢下降，导致钢管约束钢筋混凝土轴压短柱的极限承载力也在降低，试验结果表明，试件承载力的下降速度要比核心混凝土的下降速度慢。综合考虑，当粉煤灰取代率取30%，试件的力学性能良好，可建议在实际工程中使用。（3）当粉煤灰取代率一定时，随着径厚比的减小，试件的延性有所增加，通过试验可以得出，当钢管径厚比小于100时，钢管约束钢筋混凝土轴压短柱试件拥有较好的延性，可为工程实际提供参考。（4）根据本文试验结果，建议混凝土中粉煤灰掺量取不大于30%，钢管径厚比取不大于100 时，钢管约束钢筋混凝土轴压短柱的综合力学性能良好，可为工程实际提供建议。（5）通过理论、试验和有限元分析，提出了适合圆钢管约束钢筋粉煤灰混凝土轴压短柱的极限承载力公式，计算所得与试验数据良好的吻合，可为后续研究提供参考建议。.........