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核心高强混凝土柱力学性能试验与分析

齐岳  
【摘要】: 与普通混凝土相比,高强混凝土微观结构密实,高温下易发生爆裂,这使得高强混凝土柱的抗火性能相对较差。另外,随着混凝土强度的提高,混凝土单轴受压应力—应变曲线的上升段、下降段变陡,表现出强度越高脆性越显著的特性,这使得高强混凝土柱的抗震性能相对较差。为改善高强混凝土柱的抗火性能和抗震性能,同时保证柱具有较高的承载力,本文提出了核心高强混凝土柱这一新型构件。核心高强混凝土柱是指在横截面内以高强混凝土为核心,在核心区外围设置普通钢筋混凝土的柱,此类柱已获国家发明专利。核心高强混凝土柱从概念上讲应具有相对较高的承载力和相对较好的抗火性能及抗震性能。一定厚度的外围普通混凝土可减缓高强混凝土爆裂的发生,从而改善柱的抗火性能。外围普通混凝土与核心高强混凝土相比,受压应力—应变曲线下降段平缓,从概念上讲可使得核心高强混凝土柱的抗震性能相对较好。为探索核心高强混凝土柱的受力性能与设计方法,本文开展了以下几方面的研究工作: (1)针对核心高强混凝土柱横截面内两种混凝土的峰值压应变不同,轴压荷载作用下,核心高强混凝土柱何时达到轴压承载力及如何计算轴压承载力的问题,进行了16根核心高强素混凝土短柱、3根配筋核心高强混凝土短柱及1根普通钢筋混凝土短柱对比试件的轴心受压试验。试验结果表明:核心高强混凝土短柱轴力达最大值时,外围普通混凝土应力—应变曲线已进入下降段,核心高强混凝土尚未达到其峰值压应力。在计算核心高强混凝土柱轴心受压承载力时,考虑到核心高强混凝土和外围普通混凝土均未处于各自的峰值压应力状态,提出了核心高强混凝土抗力调整系数nc和外围普通混凝土抗力调整系数ne。基于试验结果和数值计算结果,拟合得到了抗力调整系数nc和ne的表达式,并提出了核心高强混凝土短柱轴心受压承载力计算公式。按照本文建议公式所得轴心受压承载力计算值与试件的抗力试验值吻合良好。 (2)针对实际工程中大多为偏心受压柱这一情况,完成了12根以偏心距和核心高强混凝土面积为参数的核心高强混凝土短柱偏心受压试验,考察了试验柱的破坏情况、距柱端0.5倍柱高处截面在加载过程中应变的分布规律及侧向挠度沿柱高的分布规律。试验结果表明:偏压荷载下核心高强混凝土柱的破坏特征与普通钢筋混凝土柱相似,试件截面在偏压过程中满足平截面假定,侧向挠度曲线符合正弦半波曲线。在计算核心高强混凝土柱偏心受压承载力时,考虑到若采用与普通钢筋混凝土柱相同的以平截面假定为基础的计算理论,确定等效矩形应力图系数比较繁琐这一情况,采用了相对简便实用的强度叠加法。根据折算受压区高度所处的位置,分四种情况分别提出了核心高强混凝土短柱偏心受压承载力计算方法,结果表明:按照本文提出的偏心受压承载力计算方法所得结果与试验结果吻合良好。 (3)完成了9根以轴压比和核心高强混凝土面积为参数的核心高强混凝土柱水平低周反复荷载试验,考察了试验柱的破坏过程,测得了荷载—位移滞回曲线,分析了试验柱的耗能性能、抗力衰减、刚度退化、骨架曲线及延性性能。试验结果表明:对于剪跨比为3,轴压比no=0.33~0.42的核心高强混凝土柱,在水平低周反复荷载作用下发生压弯破坏,滞回曲线饱满,无捏缩现象,位移延性系数均大于3,延性较好。采用matlab语言编制了核心高强混凝土柱压弯构件非线性全过程分析程序,该程序得到了试验结果的验证。在此基础上,探讨了轴压比、纵筋配筋率、核心混凝土强度、核心混凝土面积比、配箍特征值、外围混凝土强度及剪跨比对核心高强混凝土柱抗震性能的影响。结果表明:轴压比、核心混凝土面积比、剪跨比是影响核心高强混凝土柱抗震性能的三个主要因素;核心高强混凝土柱的抗震性能优于高强混凝土柱;适当选取核心混凝土面积比,可使核心高强混凝土柱的抗震性能与普通钢筋混凝土柱相近。基于112种工况下核心高强混凝土柱水平荷载—位移关系曲线的计算分析和数值回归,提出了以轴压比、核心混凝土面积比、剪跨比为变量的恢复力模型骨架曲线特征参数计算公式,建立了核心高强混凝土柱水平荷载—位移恢复力模型。按照建立的恢复力模型对试验柱进行了计算,所得计算曲线与实测的滞回曲线吻合良好,说明所建立的恢复力模型具有较高的精确性,能够较好地模拟和反映构件在水平地震作用下的抗震性能。 (4)为保证核心高强混凝土柱发生延性较好的大偏心受压破坏,引入了界限轴压比的概念。界限轴压比是根据大、小偏压破坏界限所确定的轴压比,是提出各抗震等级框架柱轴压比限值的前提和基础。通过程序计算,分析了768种不同工况下核心高强混凝土柱大、小偏压破坏的界限点,得到了各工况下的界限轴压比,并提出了设计用界限轴压比。


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