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钢管活性粉末混凝土柱受压性能试验与理论研究

罗华  
【摘要】:将活性粉末混凝土灌入钢管形成钢管活性粉末混凝土后,钢管约束了混凝土,在轴心受压荷载下,混凝土三向受力,可延缓其纵向开裂;同时混凝土可以延缓或避免薄壁钢管过早地发生局部屈曲。两种材料相互弥补了彼此的弱点,具有超高强度、高韧性、高耐久性,在土木工程领域具有广阔的应用前景。为研究钢管活性粉末混凝土柱的受压性能,本文通过短柱试验、长柱试验对钢管活性粉末混凝土柱的受压性能进行了研究。分析了短柱的受力机理,得到了核心活性粉末混凝土的本构模型,为活性粉末混凝土规范的编制提供依据。论文主要工作如下: (1)进行了一批钢管活性粉末混凝土短柱试验,通过变化加载方式、套箍系数等影响因素,分析了各因素对试件破坏形式、荷载-变形曲线、极限承载力的影响。研究表明:加载方式本身对试件的破坏形态及极限承载力影响不大,主要的影响因素仍为套箍系数。套箍系数较小时,试件表现为剪切破坏;套箍系数较大时,试件成腰鼓状鼓曲。 (2)进行了一批钢管活性粉末混凝土长柱试验,通过变化长细比和套箍系数,分析了各因素对试件破坏形式、荷载-变形曲线、极限承载力的影响。研究表明:长柱试件的破坏基本属非弹性失稳破坏类型,其中长细比较小的试件除弯曲失稳破坏外还伴随着局部受压鼓曲破坏,长细比越小,试件的延性破坏特点越明显,随着长细比的增加,试件也由强度破坏逐渐转向失稳破坏;在相同套箍系数下,随着长细比的增加,钢管活性粉末混凝土长柱的极限承载力和极限位移都逐渐降低。 (3)在已有活性粉末混凝土常规三轴压缩试验基础上,计算分析得到了活性粉末混凝土Mohr-Coulomb破坏准则及Willam-Warnke破坏准则的待定参数。在此基础L对钢管活性粉末混凝土短柱及长柱的极限承载力进行了理论推导,获得了短柱的承载力计算公式;对钢管活性粉末混凝土长柱及中长柱进行了界定,并推导了相应的长柱及中长柱极限承载力计算公式。 (4)对钢管活性粉末混凝土短柱进行了全过程弹塑性分析,并提出了判断钢管活性粉末混凝土短柱达到极限承载力时钢管环向是否屈服的特征套箍系数ζ0,此系数也是判断钢管活性粉末混凝土柱的轴压应力-应变曲线峰值应力后发展趋势的依据。 (5)对钢管及核心活性粉末混凝土进行了受力分析,并提出了核心活性粉末混凝土约束本构模型。研究表明核心活性粉末混凝土峰值强度随着钢材屈服强度、套箍系数及活性粉末混凝土轴心抗压强度的提高而提高,基于此给出了核心活性粉末混凝土峰值强度及峰值应变的计算公式。 (6)基于钢管的环向、纵向应力及变形试验数据,提出了钢管活性粉末混凝土柱钢管的受力模型。并揭示了钢管与核心活性粉末混凝土之间的传力特征,结合试验数据分析得到了有限元建模时摩尔库伦摩擦系数,值为0.6;并将本文所提核心活性粉末混凝土等效单轴本构应用于有限元建模中进行了对比分析。


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