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钢管自应力自密实混凝土柱力学性能研究

尚作庆  
【摘要】: 近年来随着大跨度桥梁和高层建筑的发展,钢管混凝土结构的工程应用越来越广泛,但在许多实际工程中此种结构还存在一定缺点,如核心混凝土浇筑后振捣困难、硬化后混凝土的收缩和徐变使钢管约束力降低等。本文将钢管混凝土、自应力混凝土和自密实混凝土三种技术结合在一起,研究了一种钢管自应力自密实混凝土的结构新模式。在保证钢管混凝土自身特点的基础上,利用自应力混凝土的自膨胀特点来解决实际应用中核心混凝土出现的收缩和徐变等问题,保持结构稳定;还可在膨胀较大的情况下,使结构产生一定的初始自应力,从而改善钢管混凝土的力学性能;利用其自密实特性来解决实际工程中核心混凝土浇筑后振捣困难等问题,保证结构的密实性。本文结合国家自然科学基金项目《钢管自应力免振混凝土结构设计理论研究》(50578027),就初始自应力对钢管混凝土轴压、偏压和抗震性能的影响进行系统的分析,其主要开展了以下几方面的工作: (1)成功地配制出6种不同配合比的自应力自密实混凝土。通过试验测试发现,所配制自应力混凝土的流动性满足钢管免振捣混凝土的浇筑要求,浇筑的钢管混凝土密实性与均匀性良好。 (2)通过对自由状态下4种不同配合比自应力混凝土和16根不同配合比、不同含钢率、不同尺寸钢管自应力混凝土的膨胀试验研究,讨论了不同限制条件下自应力混凝土自由膨胀、限制膨胀和有效膨胀等应变的变化规律及其影响因素,并根据电镜扫描图像,从微观角度对自应力混凝土的水化特点进行分析。试验结果表明:自应力混凝土的自由膨胀与其配合比联系密切,水泥用量和水灰比的变化均会对膨胀效果产生影响;在钢管自应力混凝土中,含钢率、截面尺寸、长细比和核心混凝土配合比等因素对结构自应力大小和限制膨胀应变都产生较大影响;根据对不同限制条件下自应力混凝土的微观分析发现,虽然三向限制下的水化产物与自由状态下的基本相同,但90天后其主要水化离子相对集中,水泥石结构更加密实。在自由状态下,骨料—水泥石界面有钙矾石堆积,随着限制条件的增加,这种现象逐渐消失。 (3)通过8根钢管自应力混凝土短柱和1根普通钢管混凝土短柱的轴压对比试验,对钢管自应力混凝土轴压全过程进行分析,从而得出初始自应力对钢管混凝土力学性能的影响。试验结果表明,整个试验过程中,由于初始自应力的存在,使得核心混凝土始终处在三向应力状态下,这就导致组合结构的弹性工作段显著加长,极限承载力有所提高,但相对应的位移延性系数却较普通钢管混凝土略有下降。引入自应力水平概念,把初始自应力的作用考虑为对核心混凝土强度的提高,并采用增强系数法考虑核心混凝土的影响对钢管自应力混凝土极限承载力进行回归分析,拟和结果与试验结果吻合良好。 (4)通过12根钢管自应力混凝土柱和2根普通钢管自密实混凝土柱的偏心受压对比试验,研究了初始自应力、混凝土强度、套箍系数、偏心率和长径比等主要参数对结构偏压性能的影响。结果表明,初始自应力的存在改变了混凝土强度和套箍系数对钢管混凝土荷载—挠度曲线的影响规律,但随着偏心率的增加,初始自应力的影响逐渐减弱,偏心率和长径比对钢管自应力混凝土的影响规律与普通钢管混凝土基本相同;初始自应力对偏压极限承载力的影响显著,钢管自应力混凝土的极限承载力较普通钢管混凝土提高10%左右,较规程计算值也有较大提高。采用增强系数法对偏压构件进行计算,其计算结果与试验结果吻合良好,这也进一步验证了此方法的适用性。 (5)基于增强系数法理论对钢管自应力混凝土建模,用以分析其在轴心受压和偏心受压下的荷载—变形特点。结合试验数据对模拟结果进行评价,最终判定采用此方法建模的可行性。结果表明,利用增强系数法模拟出的荷载—变形关系曲线与试验曲线吻合较好,基本上反映出轴压和偏压构件的变形特点,并可较准确的预测出钢管自应力混凝土柱在两种受力形态下的极限承载力。 (6)对8根钢管自应力混凝土柱和3根普通钢管混凝土柱的抗震性能进行了对比试验研究。试验结果表明:钢管自应力混凝土和普通钢管混凝土在反复荷载作用下均表现出良好的抗震性能,初始自应力并未改变钢管混凝土的破坏形态;轴压比、初始自应力值、混凝土强度、含钢率和加载方式等主要因素对钢管自应力混凝土柱的骨架曲线、刚度变化、耗能能力和延性均产生一定影响,其中初始自应力的存在将会使得钢管混凝土具有较高的极限水平荷载、初始刚度和整体延性,但其刚度退化率较大,耗能量和等效阻尼比相对较低。


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