【摘要】：鋼管混凝土具有承載力高、延性好及易于施工等優(yōu)點,近幾十年在高層建筑、大跨度公共建筑、大跨度橋梁、高聳結(jié)構(gòu)、大型重載工業(yè)廠房中得到了廣泛應(yīng)用。然而,在工程實踐中也發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土具有耐久性較低及防火性能較差等缺點,為此有學(xué)者提出在鋼管混凝土外層澆筑一層鋼筋混凝土,形成鋼管混凝土疊合柱。然而,鋼管混凝土疊合柱的外層鋼筋混凝土與內(nèi)層鋼管混凝土力學(xué)差異明顯,組合效應(yīng)較低,限制了鋼管混凝土疊合柱的進一步推廣和應(yīng)用。本研究提出用ECC取代鋼管疊合柱的外層混凝土,形成鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱。ECC(Engineered cementitious composites)是一種具有假應(yīng)變硬化特性和優(yōu)越裂縫控制能力的高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料。該材料具有與混凝土類似的抗壓強度,但其極限拉伸應(yīng)變可以達到3%~5%,達到極限拉應(yīng)變前裂縫寬度能夠有效控制在100μm以下,飽和狀態(tài)下裂縫間距僅為3mm~6mm;在單軸壓下,峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變約為混凝土的2倍。將ECC替代混凝土能夠有效避免因混凝土抗拉強度低和脆性引起的開裂和耐久性問題,進而可以大幅度提高鋼管混凝土組合柱的安全性和耐久性。本文從試驗研究、理論推導(dǎo)和有限元模擬三方面對鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱的軸壓、偏壓及低周反復(fù)性能進行了深入的研究。具體內(nèi)容如下:(1)研究了鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱和鋼管混凝土疊合柱在單軸壓作用下的力學(xué)性能。完成了四根鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱及兩根鋼管混凝土疊合柱的軸壓試驗,并探討了不同參數(shù)對組合柱軸壓性能的影響。試驗結(jié)果表明,鋼管混凝土疊合柱在軸壓力作用下外層混凝土出現(xiàn)明顯剝落,而本文提出的鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱在軸壓力作用下保持了較好的整體性。在相同的配筋情況下,鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱的軸壓承載力較鋼管混凝土疊合柱高出30%,表明鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱具有更好的組合效應(yīng)。此外,鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱的延性系數(shù)和耗能系數(shù)較鋼管混凝土疊合柱提高了約40%和110%,表明鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱具有更好的延性。(2)研究了鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱在偏壓荷載作用下的力學(xué)性能。完成了七根鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱的偏壓試驗,并探討了不同參數(shù)對組合柱偏壓性能的影響。試驗結(jié)果表明,鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱相比鋼管混凝土疊合柱在偏壓荷載下均具有更好的延性和更高的承載能力。在試驗完成之后,鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱均保持了較好的整體性,未出現(xiàn)大面積的ECC剝落,表明外層鋼筋增強ECC與內(nèi)層鋼管混凝土具有較好的協(xié)同變形能力。根據(jù)偏心率的不同,鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱的破壞模式主要分為三種情況:小偏壓破壞、界限破壞和大偏壓破壞。試驗結(jié)果也表明,組合柱的承載力隨著偏心率的增加而逐漸降低,而延性則隨著偏心率的增加而增加。(3)研究了鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能。完成了七根鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱及兩根鋼管混凝土疊合柱的擬靜力試驗,并探討了不同參數(shù)對鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱抗震性能的影響。試驗結(jié)果表明,鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱在低周反復(fù)荷載下具有較好的延性和抗震性能,滯回曲線飽滿,未出現(xiàn)明顯的捏攏現(xiàn)象。相比之下,普通鋼管混凝土疊合柱在低周反復(fù)過程中出現(xiàn)明顯的外層混凝土剝離,破壞較為嚴重,滯回曲線的捏攏現(xiàn)象較為明顯。通過累計耗能對比分析可知,鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱的累計耗能約為鋼管混凝土疊合柱的2倍,表明本文所提出的組合柱具有更好的抗震性能,適用于抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)。(4)基于平截面假定和合理的材料本構(gòu)模型,提出了鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱軸壓承載力簡化計算公式及鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱在偏壓荷載下的簡化計算模型。對比試驗與理論模型可知,試驗結(jié)果與理論結(jié)果吻合較好,表明本文提出的理論計算模型具有較高的準(zhǔn)確性。(5)基于有限元模擬軟件ABAQUS,在提出合理的材料本構(gòu)關(guān)系及選取合理的接觸單元的基礎(chǔ)上,分別研究了鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱在軸壓、偏壓及低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能。對比試驗與有限元計算結(jié)果可知,本文提出的有限元模型可以較為準(zhǔn)確地研究組合柱的在軸壓、偏壓及低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能。基于有限元模擬結(jié)果,分析了組合柱在不同荷載下的破壞機理,最后通過參數(shù)分析研究了不同參數(shù)對組合柱力學(xué)性能影響。(6)基于試驗結(jié)果及模擬分析并結(jié)合相關(guān)規(guī)范及規(guī)程,提出了鋼筋增強ECC-鋼管混凝土組合柱結(jié)構(gòu)的承載力及抗震設(shè)計方法,同時也對組合柱的施工及驗收提出了建議。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU398.9


本文編號：2712588