【摘要】：在地震區(qū)的高層建筑中,鋼-混凝土組合柱截面形式得到了廣泛的應(yīng)用。其中,鋼管混凝土疊合柱(ST-RC柱)由于其良好的承載力、延性、耐久性等得到了更為廣泛研究與應(yīng)用。然而,試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明,ST-RC柱外層混凝土延性遠(yuǎn)小于中部鋼管混凝土,兩者協(xié)同變形能力較差,外層混凝土容易發(fā)生剝離,且核心鋼管混凝土的峰值荷載滯后于外層鋼筋混凝土,降低了疊合柱的極限承載力;同時(shí),混凝土是一種準(zhǔn)脆性材料,抗拉強(qiáng)度低,容易開裂,ST-RC柱在地震水平反復(fù)荷載作用下,外層混凝土受拉易發(fā)生開裂,并引起其與鋼筋和鋼管的粘結(jié)強(qiáng)度的迅速退化而發(fā)生剝離破壞,降低了結(jié)構(gòu)的抗震性能、耐久性和抗火性能,制約了ST-RC柱在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。ECC(Engineered cementitious composites)是一種具有超高韌性和優(yōu)越耗能性能的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,將其應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中能大大提高構(gòu)件的抗震性能。本文提出鋼筋增強(qiáng)ECC-鋼管混凝土疊合柱(R/ECC-CFST柱)的截面形式,擬將ECC材料替代疊合柱中管外混凝土,以期提高其抗震性能。具體工作如下:(1)基于鋼筋混凝土和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理論,采用合理的本構(gòu)模型和假定,對R/ECC-CFST柱正截面軸壓、偏壓承載力計(jì)算方法進(jìn)行研究。給出了簡化的計(jì)算模型和計(jì)算公式,且與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好,誤差均控制在10%范圍以內(nèi)。(2)設(shè)計(jì)了7個(gè)R/ECC-CFST柱試件和4個(gè)ST-RC柱對比試件,通過對11個(gè)試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn),對不同軸壓比、配箍率和鋼管直徑下疊合柱試件的破壞形態(tài)、滯回曲線、強(qiáng)度、剛度、延性、耗能和應(yīng)變等力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,相比與ST-RC柱,所有R/ECC-CFST柱表現(xiàn)出更好的延性和耗能性能,滯回曲線更為飽滿,且無明顯“捏縮”效應(yīng)。提高軸壓比,試件承載力可提高約24.6%,延性和耗能降低;提高配箍率和鋼管直徑,在一定程度上可以提高試件的承載力、延性和耗能,但影響不顯著;同等條件下,ST-RC柱試件的累計(jì)耗能約為R/ECC-CFST柱試件的50%。(3)利用有限元軟件ABAQUS模擬了R/ECC-CFST柱在低周反復(fù)荷載作用下的破壞過程,并將有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。在模擬結(jié)果可靠的基礎(chǔ)上,研究了疊合柱在低周反復(fù)荷載作用下的破壞機(jī)理,并討論了不同參數(shù)對疊合柱低周反復(fù)性能的影響。分析結(jié)果表明,提高縱筋屈服強(qiáng)度、鋼管屈服強(qiáng)度、含管率和縱筋率,試件承載力和延性均提高;提高核心混凝土強(qiáng)度和管外ECC強(qiáng)度,試件初始剛度和承載力提高;提高管外ECC的極限抗拉應(yīng)變,試件延性及強(qiáng)度提高;提高軸壓比,試件初始剛度和承載力提高,延性和耗能能力降低。(4)基于普通鋼筋混凝土和鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的恢復(fù)力模型的相關(guān)計(jì)算理論,采用疊合柱的抗震性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),確定了疊合柱柱的恢復(fù)力模型為退化三線型,進(jìn)而給出了疊合柱恢復(fù)力模型的計(jì)算公式,并描述了恢復(fù)力模型的滯回規(guī)則。利用該模型計(jì)算的各疊合柱試件的特征點(diǎn)值,與試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好,誤差均控制在10%范圍以內(nèi);利用該模型描繪的滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
【圖文】：

從材料角度來說，低纖維含量的纖維混凝土（FRC）可有效改善混凝土的韌性，但是對裂縫開展的控制能力仍不夠理想，在拉伸荷載下仍然表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，如圖1.2所示。超高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料ECC（EngineeredCementitiousComposites）是一種具有應(yīng)變硬化特性和多裂縫開展機(jī)制的高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，，在 2%的纖維體積摻量下極限拉應(yīng)變穩(wěn)定地超過 3%，是混凝土的 300 倍左右，極限拉應(yīng)變時(shí)平均裂縫寬度控制在 100 μm以內(nèi)[6-7]，如圖 1.3 所示。ECC 材料是基于細(xì)觀力學(xué)，通過分析纖維、基體及界面的力學(xué)行為進(jìn)行設(shè)計(jì)，以超高延性為目標(biāo)而“策劃”出來的新型建筑材料，具有類似于鋼材的彈塑性延性變形行為和能量吸收能力。采用 ECC 材料替代混凝土不僅能夠顯著提高構(gòu)件所需的延性，而且在塑性變形階段

混凝土疊合柱在地震水平反復(fù)荷載作用下，外層混凝土受拉易發(fā)生開裂，并引起其與鋼筋和粘結(jié)強(qiáng)度的迅速退化而發(fā)生剝離破壞，降低了結(jié)構(gòu)的抗震性能、耐久性和抗火性能，制約了凝土疊合柱在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用[4]。研究表明，在混凝土中加入適量的纖維，可以改善混凝土的脆性性能，限制裂縫的開展，凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、延性、韌性、抗疲勞、抗沖擊等性能[5]。從材料角度來說，低纖維含量的纖土（FRC）可有效改善混凝土的韌性，但是對裂縫開展的控制能力仍不夠理想，在拉伸荷載下現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，如圖1.2所示。超高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料ECC（EngineeredCementimposites）是一種具有應(yīng)變硬化特性和多裂縫開展機(jī)制的高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，在纖維體積摻量下極限拉應(yīng)變穩(wěn)定地超過 3%，是混凝土的 300 倍左右，極限拉應(yīng)變時(shí)平均裂縫制在 100 μm以內(nèi)[6-7]，如圖 1.3 所示。ECC 材料是基于細(xì)觀力學(xué)，通過分析纖維、基體及界面行為進(jìn)行設(shè)計(jì)，以超高延性為目標(biāo)而“策劃”出來的新型建筑材料，具有類似于鋼材的彈塑變形行為和能量吸收能力。采用 ECC 材料替代混凝土不僅能夠顯著提高構(gòu)件所需的延性，而性變形階段，由于鋼筋與 ECC 之間變形協(xié)調(diào)，界面粘結(jié)應(yīng)力能夠大大降低，從而減少縱向劈和混凝土剝落的發(fā)生，有效保證結(jié)構(gòu)的整體性。同時(shí)，ECC 材料在制備過程中大量利用了工粉煤灰，大幅度降低了水泥的用量，符合我國節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU398.9;TU352.11

【參考文獻(xiàn)】

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1 寇佳亮;孫方輝;梁興文;鄧明科;;箍筋約束纖維增強(qiáng)混凝土軸心受壓性能試驗(yàn)研究[J];建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào);2015年07期

2 紀(jì)曉東;張明亮;劉平;康洪震;錢稼茹;趙作周;胡紅松;;鋼管混凝土組合柱累積損傷性能試驗(yàn)研究[J];建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào);2013年12期

3 郭全全;趙羽西;李芊;尚坤;;鋼管混凝土疊合柱偏心受壓性能試驗(yàn)研究[J];建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào);2013年12期

4 堯國皇;廖飛宇;李永進(jìn);郭明;;國內(nèi)鋼管混凝土核心柱的研究與應(yīng)用綜述[J];特種結(jié)構(gòu);2013年01期

5 聶建國;王宇航;陶慕軒;譚文勇;;鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土梁外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J];建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào);2012年07期

6 徐世p

本文編號：2663779