長期荷載作用下圓鋼管再生混凝土柱靜動力性能研究

鋼管再生混凝土克服了再生混凝土抗壓強度低、延性差、收縮徐變大等缺點，兼有鋼管混凝土承載力高、抗震性能好、施工方便和再生混凝土節(jié)約資源、綠色環(huán)保的優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。然而再生混凝土模量低、徐變大，長期荷載作用下，構(gòu)件截面內(nèi)力發(fā)生重分布，鋼管應(yīng)力顯著增大，導(dǎo)致鋼管提前進入塑性或屈服，從而降低構(gòu)件承載力和抗震性能。目前關(guān)于長期荷載對鋼管再生混凝土柱力學性能影響的研究相對較少，特別是長期荷載作用下的抗震性能研究尚屬空白。本項目工作如下： 1）進行再生混凝土的受壓力學性能系統(tǒng)試驗（150個立方體和60個棱柱體），獲得其抗壓強度、彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，建立了考慮不同再生粗骨料取代率的再生混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線計算模型。 2）進行再生混凝土徐變試驗（40個棱柱體），考察基體混凝土水灰比與目標水灰比對試件徐變性能的影響；建立了考慮基體混凝土水灰比影響的再生混凝土徐變模型，該模型的預(yù)測精度高于其它模型，與現(xiàn)有試驗結(jié)果相差不超過15%。 3）進行鋼管再生混凝土長期試驗（42個短柱），考察混凝土強度、再生粗骨料取代率和加載齡期對試件長期性能的影響。基于混凝土體積無窮大假設(shè)，提出鋼管再生混凝土徐變模型，其預(yù)測精度高于現(xiàn)有其它模型，與現(xiàn)有試驗結(jié)果相差不超過10%。通過系統(tǒng)參數(shù)分析，確定了有效模量法、平均應(yīng)力法、齡期調(diào)整有效模量法這三種簡化計算方法在預(yù)測鋼管再生混凝土長期性能時的適用范圍。 4）通過系統(tǒng)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，在常用參數(shù)范圍內(nèi)，持荷50年后，鋼管再生混凝土的長期變形增幅可達136%，時效作用可使構(gòu)件的穩(wěn)定承載力降低約10%，在工程設(shè)計中應(yīng)予以考慮。 5) 設(shè)計加工了鋼管混凝土柱長期加載持荷和滯回試驗的配套裝置。進行滯回性能研究，基于試驗結(jié)果提出了恢復(fù)力模型。

鋼管再生混凝土克服了再生混凝土抗壓強度低、延性和耗能能力差、收縮徐變大等缺點，兼有鋼管混凝土承載力高、抗震性能好、施工方便和再生混凝土節(jié)約資源、綠色環(huán)保的優(yōu)點，是將廢棄混凝土資源化的有效途徑之一，應(yīng)用前景廣闊。研究表明，長期荷載作用將導(dǎo)致鋼筋混凝土柱的剛度和耗能能力降低40%以上。而再生混凝土模量低、徐變大，在長期荷載作用下，截面內(nèi)力發(fā)生重分布，使鋼管縱向應(yīng)力顯著增大；同時，鋼管兼作施工骨架普遍存在較大初應(yīng)力；兩者再與使用荷載作用下的應(yīng)力相疊加，則可能導(dǎo)致鋼管提前進入塑性，甚至發(fā)生局部屈曲，從而降低構(gòu)件承載力和抗震性能。故長期荷載對鋼管再生混凝土柱力學性能影響不容忽視，特別是長期荷載作用下的抗震性能研究尚屬空白。本項目將對圓鋼管再生混凝土長期性能和抗震性能進行深入研究，建立再生混凝土收縮徐變計算模型，提出考慮長期荷載影響的圓鋼管再生混凝土柱抗震承載力設(shè)計方法，從而完善其計算理論與設(shè)計方法。

活性粉末混凝土（RPC）可與鋼管共同工作形成新型組合結(jié)構(gòu)，在超高層建筑中推廣鋼管RPC是綠色建筑的重要發(fā)展方向，但關(guān)于圓鋼管RPC柱靜動力性能和設(shè)計方法的研究尚未見報道。針對此問題，首先進行圓鋼管RPC短柱循環(huán)和單調(diào)軸壓荷載下試驗，提出循環(huán)軸壓荷載下核心區(qū)RPC應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線計算方法和加卸載規(guī)則；其次，進行圓鋼管RPC柱低周反復(fù)水平荷載作用下試驗，研究圓鋼管RPC柱承載力、抗側(cè)剛度、延性和耗能能力的變化規(guī)律，引入與荷載水平相關(guān)的核心區(qū)RPC約束效應(yīng)的考慮方法，建立圓鋼管RPC壓彎構(gòu)件的截面彎矩-曲率恢復(fù)力模型和荷載-位移恢復(fù)力模型；最終，基于試驗和數(shù)值分析結(jié)果，揭示軸壓比、套箍系數(shù)、鋼材屈服強度、RPC強度等對鋼管RPC柱滯回性能的影響規(guī)律，提出鋼管RPC柱抗震設(shè)計方法，為相關(guān)規(guī)范的編制或修訂提供依據(jù)。

本項目針對新型圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱，以圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土膨脹性能研究為基礎(chǔ)，以圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱力學性能研究為主線，重點解決靜力荷載和低周反復(fù)荷載作用下圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱的破壞形態(tài)、約束機理、受力性能、計算理論等關(guān)鍵問題。（1）開展鋼渣混凝土材料配合比試驗研究，分析鋼渣摻量、鋼渣取代率、鋼渣砂粒徑范圍、水灰比等因素對鋼渣混凝土抗壓強度和膨脹性能的影響規(guī)律，揭示鋼渣混凝土的破壞形態(tài)與膨脹機理，提出適用于鋼管自應(yīng)力混凝土的鋼渣混凝土配合比、抗壓強度和膨脹率的計算方法。在此基礎(chǔ)上，開展補償收縮鋼渣混凝土柱軸壓試驗研究，揭示補償收縮鋼渣混凝土柱破壞形態(tài)和機理，建立補償收縮鋼渣混凝土柱強度、變形、彈性模量、泊松比及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的計算模型。（2）開展圓鋼管鋼渣混凝土柱膨脹性能研究，分析鋼管約束下鋼渣混凝土的自應(yīng)力發(fā)展過程、特點及其影響因素，揭示構(gòu)件的膨脹機理，提出構(gòu)件自應(yīng)力的計算方法。在此基礎(chǔ)上，開展圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱靜力性能研究，分析長徑比、徑厚比、鋼渣混凝土膨脹率和偏心距等因素對構(gòu)件承載性能與破壞機理的影響，提出構(gòu)件承載力、變形、剛度的計算方法，建立構(gòu)件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、荷載-撓度關(guān)系和彎矩-曲率關(guān)系的計算模型。（3）開展圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱抗震性能研究，分析軸壓比、剪跨比、徑厚比和鋼渣混凝土膨脹率等因素對破壞形態(tài)、破壞機理、承載力、剛度、延性、滯回曲線、骨架曲線以及耗能能力的影響規(guī)律。提出低周反復(fù)荷載作用下構(gòu)件的承載力、軸壓比限值、剛度、延性系數(shù)的計算方法，確定構(gòu)件骨架關(guān)系曲線和滯回規(guī)則，建立構(gòu)件的恢復(fù)力模型。本項目研究為固體廢棄物大宗量利用提供一種有效的途徑，保護環(huán)境，節(jié)約自然資源。同時為工程結(jié)構(gòu)提供更為經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系，顯著降低工程造價，具有廣闊的工程應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

活性粉末混凝土（RPC）可與鋼管共同工作形成新型組合結(jié)構(gòu)，在超高層建筑中推廣鋼管RPC是綠色建筑的重要發(fā)展方向，但關(guān)于圓鋼管RPC柱靜動力性能和設(shè)計方法的研究尚需完善。針對此問題，本項目完成了7根圓鋼管RPC短柱的單調(diào)軸壓力學性能試驗和6根圓鋼管RPC短柱循環(huán)軸壓荷載作用下試驗，分析了套箍系數(shù)、徑厚比等參數(shù)對軸壓試件荷載-應(yīng)變曲線和破壞特征的影響規(guī)律；利用ABAQUS有限元軟件，建立了圓鋼管RPC柱有限元計算模型，揭示了套箍系數(shù)、核心RPC軸心抗壓強度和鋼材屈服強度等對鋼管RPC柱力學性能的影響規(guī)律，提出了鋼管RPC短柱軸壓承載力計算公式。具體工作如下： 1.完成了7根圓鋼管RPC短柱軸壓性能試驗，考察了截面尺寸、套箍系數(shù)對其受力性能的影響，獲得了鋼管RPC短柱的荷載-應(yīng)變、荷載-位移曲線、破壞形態(tài)及極限承載力。結(jié)果表明：套箍系數(shù) 在0.63~0.88時，試件荷載-位移曲線在到達峰值后出現(xiàn)下降段，呈現(xiàn)為剪切破壞； 時，試件在到達極限荷載后承載力下降幅度明顯減小或出現(xiàn)回升趨勢，呈現(xiàn)為腰鼓形破壞。在達到極限荷載的85%之前，試件處于彈性階段，鋼管縱向應(yīng)變大于橫向應(yīng)變；彈塑性階段，鋼管橫向應(yīng)變增加較快，鋼管橫向受拉屈服先于縱向受壓屈服。隨著軸壓力增加，核心RPC的橫向變形系數(shù)超過鋼管的泊松比，致使鋼管對RPC約束力逐漸增加，鋼管屈服后環(huán)向應(yīng)力迅速增大。 2.利用ABAQUS有限元軟件，提出了核心RPC的塑性損傷模型參數(shù)的取值建議，實現(xiàn)了對圓鋼管RPC短柱軸壓受力全過程分析。研究了套箍系數(shù)、核心RPC軸心抗壓強度和鋼材強度對鋼管RPC力學性能的影響規(guī)律：當套箍系數(shù)小于0.5時，鋼管RPC柱荷載-位移曲線不存在強化段；當套箍系數(shù)大于0.5時，鋼管RPC柱荷載-位移曲線出現(xiàn)強化段；當套箍系數(shù)達到1時，強化段極限荷載相對于承載力的提升將超過30%。當截面尺寸相同時，隨核心RPC軸心抗壓強度和鋼材強度的提高，鋼管對核心RPC的約束作用下降?；谠囼灪蛿?shù)值分析結(jié)果，建立了直徑不大于1020mm的圓鋼管RPC軸壓短柱軸壓承載力的計算公式。 3.完成了6根圓鋼管RPC軸壓短柱滯回性能試驗，得到了循環(huán)荷載下鋼管RPC短柱破壞模式和荷載-應(yīng)變滯回曲線，分析了核心RPC應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，建立了有限元計算模型并進行對比分析，提出了預(yù)測圓鋼管RPC短柱的極限抗壓強度的計算公式。