橫向約束鋼管混凝土柱低周疲勞性能的研究

本項(xiàng)目圍繞鋼管混凝土柱和約束鋼管混凝土柱的抗震性能，開展了試驗(yàn)研究與理論分析工作。主要成果如下：1. 完成9根圓鋼管混凝土柱的低周疲勞荷載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：鋼管混凝土柱在地震荷載作用下通常出現(xiàn)鋼管的局部屈曲破壞，即“象腿”破壞；采用不同的地震序列加載程序會導(dǎo)致柱腳鋼管的斷裂破壞；鋼管破壞形態(tài)的區(qū)別，影響了對核心混凝土的約束能力，導(dǎo)致核心混凝土的破壞形態(tài)存在一定程度的差異。 2. 完成7根CFRP約束鋼管混凝土柱的抗震試驗(yàn)，通過四種不同約束方法的對比試驗(yàn)確定最優(yōu)的約束形式，試驗(yàn)結(jié)果表明：用正交法纖維進(jìn)行約束的試件能夠有效的提高碳纖維的整體約束性能，緩沖墊層能夠有效延緩碳纖維的開裂時(shí)間，雙向正交的約束方法有利于提高塑性鉸區(qū)碳纖維的整體約束能力。 3. 采用ABAQUS軟件對CFRP約束鋼管混凝土柱進(jìn)行有限元模擬，分析結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱，碳纖維對鋼管的附加約束在峰值點(diǎn)后效果明顯，限制了鋼管的局部屈曲，增大了對核心混凝土的約束作用，提高了整個(gè)構(gòu)件的承載力、延性和耗能能力。4. 收集整理國內(nèi)外266個(gè)方鋼管混凝土軸壓短柱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立方鋼管混凝土軸壓短柱試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，比較國內(nèi)外規(guī)范及現(xiàn)有纖維模型計(jì)算方鋼管混凝土軸壓短柱承載力的差異性。結(jié)果表明，中國規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果最為接近，美國規(guī)范與日本規(guī)范偏于保守，歐洲規(guī)范相比試驗(yàn)結(jié)果稍顯保守。5. 編寫Visual Basic計(jì)算程序?qū)A鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)行全過程非線性力與變形分析，通過與已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證了所提出方法的有效性。將提出的方法推廣應(yīng)用到約束鋼管混凝土軸壓短柱的彈塑性全過程分析。6. 完成了162種地震工況下的鋼管混凝土柱彈塑性時(shí)程分析，提出了基于損傷指標(biāo)的鋼管混凝土柱累積損傷評估方法，從概率角度對鋼管混凝土柱的累積損傷進(jìn)行評估。 2100433B

鋼管混凝土(CFT)結(jié)構(gòu)因能夠形成鋼和混凝土兩種材料的組合效應(yīng)得到了越來越多的工程應(yīng)用。但以往的研究顯示鋼管混凝土柱中的鋼管在地震荷載下會受到屈曲和拉直的壓縮和拉伸往復(fù)作用，最終導(dǎo)致低周疲勞破壞。項(xiàng)目申請者提出的新型鋼管混凝土：約束鋼管混凝土(CCFT)體系能夠有效的推遲或防止鋼管局部屈曲，從而進(jìn)一步改善了其力學(xué)性能，尤其是延性。本項(xiàng)目擬通過一系列試驗(yàn)于理論分析，研究約束鋼管混凝土柱低周疲勞特性，在申請人已有的有關(guān)鋼管混凝土低周疲勞損傷模型研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立考慮橫向約束的更加合理和精確的統(tǒng)一損傷模型。最終用于指導(dǎo)鋼管混凝土和約束鋼管混凝土的工程抗震設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用。

在強(qiáng)震下，螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中桿件與節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷了數(shù)次塑性應(yīng)變的過程，其破壞形態(tài)具有超低周疲勞破壞的特征。因此為探究螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的超低周疲勞性能，課題采用試驗(yàn)研究和模擬分析相結(jié)合的方法，從螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的典型組合構(gòu)件、常用支座節(jié)點(diǎn)以及整體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的層面，系統(tǒng)進(jìn)行了循環(huán)加載下的螺栓球節(jié)點(diǎn)超低周疲勞性能試驗(yàn)、循環(huán)加載支座節(jié)點(diǎn)超低周疲勞性能試驗(yàn)、兩端帶螺栓球節(jié)點(diǎn)的圓鋼管試件超低周疲勞性能試驗(yàn)及螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)大位移往復(fù)加載試驗(yàn)；并采用SEM掃描電鏡進(jìn)一步研究了鋼管、螺栓等關(guān)鍵部件的典型斷面，從微觀層面揭示了螺栓球結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的超低周斷裂機(jī)理，并得到了計(jì)及節(jié)點(diǎn)影響、材料塑性損傷累積、隨動(dòng)強(qiáng)化、Bauschinger效應(yīng)和多次屈曲剛度退化的典型桿件的骨架曲線，結(jié)果表明強(qiáng)震下螺栓球網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的超低周疲勞性能直接關(guān)系著結(jié)構(gòu)的安全性能。 本項(xiàng)目由節(jié)點(diǎn)至桿件、自支座到結(jié)構(gòu)，積累了豐富的螺栓球網(wǎng)架超低周疲勞數(shù)據(jù)，為強(qiáng)震下螺栓球網(wǎng)架的疲勞驗(yàn)算和安全性能評定提供了有力的數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保障，具有較大的工程實(shí)踐意義和學(xué)術(shù)參考價(jià)值。 2100433B

該課題完成了原定的研究任務(wù)，研究規(guī)劃合理，方法先進(jìn)，進(jìn)行了147個(gè)試件的試驗(yàn)，其中包括高強(qiáng)砼抗拉、抗壓和抗彎疲勞性能的試驗(yàn)和無腹筋約束梁疲勞抗剪性能的試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)和理化分析，提出了S-N-R-P疲勞強(qiáng)度方程；疲勞強(qiáng)度與總應(yīng)變和殘余應(yīng)變的關(guān)系曲線，對P-M疲勞破壞準(zhǔn)則提出了修正建議；提出了新Ⅲ級鋼疲勞強(qiáng)度值和等幅荷載下正截面受彎疲勞設(shè)計(jì)方法；提出了無腹筋梁的抗剪疲勞強(qiáng)度的分析模型及其設(shè)計(jì)值。研究成果為制定高能混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。該課題成果在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，在抗拉、抗剪方面的試驗(yàn)研究達(dá)到了國際先進(jìn)水平。 2100433B

材料在多軸非比例載荷下的低周疲勞性能與單軸載荷下有明顯的不同，其疲勞壽命將大大減少。對焊接接頭在多軸載荷下的低周疲勞，研究其在多軸比例和非比例局部應(yīng)力應(yīng)變下循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特性以及疲勞損傷積累和深化規(guī)律，建立多軸載荷下焊接接頭的疲勞壽命估算方法。本項(xiàng)目以焊接接頭為具體對象，將為焊接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 2100433B