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型钢高强高性能混凝土柱的受力性能及设计计算理论研究

张亮  
【摘要】:型钢高强高性能混凝土(SRHSHPC)结构作为高技术混凝土材料和新型组合结构体系的有机结合,具有优良的受力性能以及抗震性能,工程应用日趋广泛。本文采用试验研究、理论分析以及数值模拟的研究手段,对SRHSHPC柱的受力性能以及抗震性能进行了系统研究,以建立其完善的设计计算理论。 (1)立足于地方材料和常规生产工艺,选用级配良好优质的原材料,并掺加高效减水剂和矿物掺合料,基于混凝土配合比正交试验进行非线性多目标配合比优化,研制了适用于型钢混凝土(SRC)结构的高强高性能混凝土(HSHPC),并对其力学性能、耐久性以及本构关系模型进行了系统研究。其次,完成了四榀HSHPC与型钢的粘结滑移性能试验研究,得出了加载端SRHSHPC荷载-滑移量关系曲线,给出了粘结应力以及滑移量纵向分布规律,并给出了相关数学表达式,同时,统计回归给出了粘结滑移极限特征值的计算公式,并提出了粘结滑移本构关系模型。再次,总结分析了钢筋与HSHPC之间的粘结滑移性能、破坏机理以及影响因素,给出了钢筋与HSHPC之间粘结滑移本构关系模型。最后,在构件层次对型钢与混凝土之间的粘结滑移进行了系统的分析研究,对SRC柱偏心受压以及低周反复加载下的型钢粘结应力和滑移量特征值以及分布规律进行了分析,最后给出了考虑位置函数变化的SRC构件粘结滑移本构关系模型。 (2)进行了4榀SRHSHPC柱偏心受压加载试验,测试得到了试件强度、变形以及型钢、钢筋、混凝土应变发展规律,并对试件破坏形态以及受力机理进行了总结分析。其次,根据试验分析结果,建立了基于修正平截面假定以及等效应力图形的SRHSHPC柱正截面承载力计算理论,同时对计算结果与试验结果进行了对比分析。研究表明,试件具有良好的承载力性能,承载力计算方法可靠实用。 (3)进行了16榀SRHSHPC框架柱低周反复加载试验,试验参数主要考虑轴压比、剪跨比、混凝土强度、含钢率以及配箍率。通过试验测试结果对试件破坏特征、受力机理、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、强度衰减以及延性性能进行了研究分析,并定量的评价了SRHSHPC框架柱延性、能量耗散等抗震性能指标。同时,分析了不同试验参数对试件各项性能指标的影响。研究结果表明,试件具有良好的抗震性能,但混凝土强度以及轴压力过大会降低其抗震性能。 (4)根据SRHSHPC框架柱承载力试验结果,总结了试件三种主要破坏形态,测试得出了试件抗剪承载力、混凝土和型钢应变发展及分布规律,分析了试件承载力影响因素。其次,对试件发生弯曲型破坏、剪切粘结破坏以及剪切斜压破坏时的受力机理进行了详细分析。再次,基于修正平截面假定和等效应力图形建立了弯曲型破坏试件的承载力计算方法,以及在计算分析轴压力分配比值的基础上,基于叠加方法建立了剪切粘结破坏和剪切斜压破坏抗剪承载力计算理论。最后,给出了SRHSHPC框架柱抗剪承载力实用计算公式,同时对计算结果与试验结果进行了对比分析。研究结果表明,SRHSHPC框架柱在地震作用下具有优良的承载力性能,本文提出的承载力计算方法可靠且实用。 (5)首先结合HSHPC试验研究成果,在合理选取HSHPC本构关系,破坏准则以及裂缝处理模式的基础上,应用有限元分析程序ANSYS分别对SRHSHPC偏心受压试件以及SRHSHPC框架柱单调加载和低周反复加载下的受力变形行为进行了非线性有限元模拟。同时,根据SRHSHPC粘结滑移性能研究成果,在试件三维实体建模时,型钢与混凝土之间的粘结滑移效应采用多向弹簧单元予以模拟。最后对有限元模拟结果与试验结果进行了对比分析。 (6)对结构损伤模型进行了总结分析,同时,应用典型双参数地震损伤模型对SRHSHPC框架柱的损伤演化进行了计算分析,分析了各地震损伤模型对评估SRHSHPC框架柱损伤发展的有效性。其次,根据SRHSHPC框架柱地震损伤试验以及累积滞回耗能试验分析结果,建立了适用于SRHSHPC结构的基于最大变形和累积滞回耗能组合的双参数地震损伤模型,并确定了模型相关参数。结合试验结果应用所建立的地震损伤模型对SRHSHPC框架柱的损伤演化过程进行了评估分析,分析了影响试件损伤发展的主要因素。最后,建立了SRHSHPC结构性能水准划分以及损伤状态划分表,结构损伤性能目标对SRHSHPC结构进行基于性能的抗震设计计算提供了参考。


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