方钢管再生混凝土长柱偏心受压及抗震性能试验与理论研究

发布时间：2020-05-04 13:20

【摘要】：再生骨料混凝土的力学性能和耐久性能较天然骨料混凝土有不同程度的降低,从而限制了再生混凝土在结构中的应用。将再生混凝土浇筑于钢管中形成钢管再生混凝土,由于钢管的密闭性,其耐久性能差的问题得以解决;钢管对核心区混凝土的约束作用使得受力性能得到改善。利用钢管与核心再生混凝土的相互作用,获得了钢管混凝土结构所具有的优越性能,为废弃混凝土应用于工程结构提供了新的途径。目前,国内外学者对于方钢管再生混凝土长柱的力学性能研究较少,为使其能在实际工程中推广应用,需对方钢管再生混凝土长柱的偏心受压和抗震性能进行研究。本文对15根方钢管再生混凝土长柱试件进行了偏心受压试验,研究了不同因素对试件偏心受压性能的影响,在试验研究的基础上,进行理论分析和有限元模拟,得到如下结论。(1)方钢管再生混凝土长柱试件破坏特征可以分为柱端压曲破坏和试件整体弯曲破坏两大类型,两种破坏的受力过程均经历了弹性阶段、弹塑性阶段和承载力下降阶段。(2)试件的承载力随着再生粗骨料取代率的增加略有下降,随着长细比和偏心率的增加明显下降,随着钢管壁厚的增加显著提高。再生混凝土中添加适量膨胀剂,核心混凝土膨胀时可预先产生约束作用,试件竖向承载力提高幅度在14%左右。添加粉煤灰后柱的承载力有提高的趋势,具有一定离散性。(3)试件的轴向刚度和侧向刚度随着再生骨料的取代率的增加呈减小的趋势;随着偏心率和长细比的增大,试件的轴向刚度和侧向刚度下降,长细比的变化对试件的轴向刚度影响与偏心率有关,随着偏心率增大,长细比大的试件的初始轴向刚度降幅越大;随着方钢管壁厚增加,柱轴向刚度明显增大,侧向刚度稍有增大,破坏时的变形能力显著增加。(4)试验获得的试件侧向挠度变形曲线表明,偏心受压试件发生整体弯曲破坏时,挠曲线与正弦半波曲线比较吻合,在理论计算中可按正弦半波曲线假定采用。偏心受压试件发生端部压曲破坏时,在弹性阶段挠曲线符合正弦半波曲线,试件进入弹塑性阶段和承载力下降阶段,挠曲线上、下不对称,采用正弦半波曲线具有一定的近似性。(5)试件轴向荷载-纵、横向应变关系曲线对于两种不同破坏形式有着一定差异。发生整体弯曲破坏的试件,其上端头和跨中纵向压应变和横向拉应变均超过屈服应变值,方钢管对核心再生混凝土起到很好的约束作用。发生端头压曲破坏的试件,加载过程中上端头较跨中和下端头的纵向应变变化显著,上端头的横向应变超过屈服应变值。试件下端头增设加劲肋后方钢管壁变形受到良好的约束,管壁纵、横向应变数值相对较小,试件破坏时未达屈服。(6)采用有限元软件ABAQUS对方钢管再生混凝土单偏压长柱的受力性能进行数值模拟分析,深入认识了偏心受压长柱的工作机理,以再生混凝土强度、钢材强度、偏心率和含钢率为主要变化参数,研究了各个参数对偏心受压柱性能的影响规律,并采用敏感度法对影响柱竖向承载力的各个因素的影响程度进行判定。分析表明,单偏压长柱的竖向承载力对偏心率、含钢率的敏感度最大,对钢材和再生混凝土强度敏感度相对较小。(7)采用极限平衡法导出的方钢管再生混凝土单向偏压柱理论计算公式,考虑再生骨料混凝土力学性能差于天然骨料混凝土,引入再生混凝土强度折减系数η_1。参照本次试验结果,当再生粗骨料取代率为100%时η_1取0.95,取代率为0%时η_1取1.0,其间采用插入法。计算值和试验值比较吻合,公式离散性较小。对6根方钢管再生混凝土长柱进行了恒定轴力下的水平低周反复加载试验,考虑长细比、轴压比和含钢率等影响因素,探讨了试件破坏形态、受力性能、滞回性能、延性指标、耗能能力、承载力和刚度退化等抗震性能。在试验研究的基础上,进行理论分析和有限元模拟,得到如下结论。(1)方钢管再生混凝土长柱在恒定轴力和水平低周往复荷载共同作用下,经历了弹性、弹塑性上升和弹塑性下降三个受力阶段,试件破坏时,在柱底形成可沿加载方向转动的塑性铰,此区段内管壁鼓曲,再生混凝土压坏,属于典型的压弯破坏。随着钢管壁厚、轴压比、长细比等参数的变化破坏过程和破坏特征存在一定的差异。(2)试件的滞回曲线均较饱满,具有良好的延性性能和耗能能力。壁厚较小的试件滞回曲线丰满程度稍差;轴压比大的试件滞回曲线略显丰满;长细比大的试件滞回曲线呈“捏拢”状。试件的骨架曲线下降段较为平缓,后期变形能力和延性较好。随钢管壁厚增加,抗侧刚度略微增大,水平承载力明显增加。长细比大的试件抗侧刚度较小,水平承载力降低;随轴压比增大,试件的水平承载力有所增大,骨架曲线下降段趋陡。(3)试件的延性系数在2.61~3.46之间,在达到此延性系数后,仍能维持承载力缓慢下降经历较大的变形,试件的屈服位移角介于1/86~1/64之间,破坏位移角在1/29~1/20之间,具有良好的抗倒塌能力。随钢管壁厚和长细比的增加,试件延性系数呈增长趋势;随轴压比的增加,试件的延性系数减小。(4)随着循环位移的增加,试件的等效粘滞阻尼系数ξ_(eq)逐渐增大,试件屈服时ξ_(eq)介于0.141~0.157之间,峰值时ξ_(eq)介于0.221~0.240之间,极限时ξ_(eq)介于0.340~0.394之间,说明方钢管再生混凝土柱具有良好的能量耗散能力。在位移相同的情况下,壁厚大的试件ξ_(eq)略大于壁厚小的试件;长细比大的试件的等效粘滞阻尼系数ξ_(eq)偏小;轴压比较大试件的等效粘滞阻尼系数ξ_(eq)偏大。(5)采用ABAQUS有限元软件模拟得到试件的滞回曲线和骨架曲线,计算值与试验值吻合较好。表明所建立的分析模型对方钢管再生混凝土柱进行抗震分析是合理可行的。根据敏感度分析理论研究了再生混凝土强度等级、钢材等级、钢管壁厚、轴压比、长细比等影响因素对方钢管再生混凝土柱水平承载力的影响程度。方钢管再生混凝土柱水平承载力对长细比最敏感,依次是含钢率、钢材屈服强度、轴压比和再生混凝土抗压强度。(6)利用试验数据分析了P-Δ二阶效应对试件承载力和变形的影响。采用国家标准GB50936-2014计算方钢管再生混凝土柱的压弯承载力计算值和试验值吻合较好。建议在柱的抗侧刚度计算时,引入再生混凝土弹性模量折减系数η_2,按此计算的抗弯刚度与实测弹性刚度吻合度较好。(7)采用试验拟合法建立了方钢管再生混凝土长柱的三折线恢复力模型。将曲线型骨架曲线分为从原点到屈服点、屈服点到峰值点和峰值点到破坏点三折线段,再由试验实测数据,对各个试件在特征点处的荷载和位移进行无量纲化处理,给出了简化的三折线骨架曲线模型,可用于方钢管再生混凝土结构的弹塑性反应分析。(8)采用多种地震损伤评估模型对钢管再生混凝土长柱损伤指标D进行计算分析。参照《建筑地震破坏等级划分标准》中的层间位移量化指标,结合试验过程中试件破坏形态,以及综合分析各种累积损伤分析模型计算结果的基础上,给出了方钢管再生混凝土长柱基于抗震性能水准的损伤量化指标。
【图文】：

再生骨料,外观形态,基本性能

项目细度（%）需水量比（%）烧失量（%）含水量（%）SO3（%）安定性（mm）性能指标 4.5 89 3.12 0.06 0.21 3（3）再生骨料再生骨料由建筑物拆除废弃混凝加工而成，见图 2.1。参照相关试验标准[204对再生骨料的表观密度、含水率、吸水率等基本性能指标进行了试验测定。经测定再生骨料的基本性能见表 2.4。表 2.4 再生粗骨料的基本性能Tab.2.4 Basic performance index of recycled aggregate项目粒径范围（mm）压碎指标（%）含水率（%）吸水率（%）表观密度（kg·m-3）微粉含量（%）性能指标 5~25 16 1.8 4.7 2627 3.3

再生混凝土,试验加载装置,柱顶

（a）浇筑与振捣（b）柱顶抹平（c）柱顶补平图 2. 3 浇筑再生混凝土Fig 2.3 Recycled concrete pouring2.1.3 试验装置与加载方案1. 试验加载装置试验在合肥工业大学结构实验室进行，，试验加载装置采用 500t 的 YES-500 型压力试验机，加载装置及试件安装如图 2.4 所示。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9;TU352.11

【参考文献】