圓鋼管活性粉末混凝土柱靜動力性能與設計方法

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，鋼管縱向應變大于橫向應變；彈塑性階段，鋼管橫向應變增加較快，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-應變滯回曲線，分析了核心RPC應力-應變關(guān)系曲線，建立了有限元計算模型并進行對比分析，提出了預測圓鋼管RPC短柱的極限抗壓強度的計算公式。

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應力-應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-曲率恢復力模型和荷載-位移恢復力模型；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柱抗震設計方法，為相關(guān)規(guī)范的編制或修訂提供依據(jù)。

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，鋼管應力顯著增大，導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、彈性模量及應力-應變關(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力-應變關(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，提出鋼管再生混凝土徐變模型，其預測精度高于現(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、平均應力法、齡期調(diào)整有效模量法這三種簡化計算方法在預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%，在工程設計中應予以考慮。 5) 設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，應用前景廣闊。研究表明，長期荷載作用將導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，使鋼管縱向應力顯著增大；同時，鋼管兼作施工骨架普遍存在較大初應力；兩者再與使用荷載作用下的應力相疊加，則可能導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計方法，從而完善其計算理論與設計方法。

本項目以圓鋼管自應力鋼渣混凝土柱為研究對象，采用試驗研究、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，研究圓鋼管自應力鋼渣混凝土的膨脹性能，分析鋼管約束下鋼渣混凝土的自應力發(fā)展特點，揭示圓鋼管鋼渣混凝土的膨脹機理，提出圓鋼管鋼渣混凝土自應力的計算方法。研究靜力荷載作用下圓鋼管自應力鋼渣混凝土柱承載性能與破壞機理，提出軸壓和偏壓荷載作用下圓鋼管鋼渣混凝土柱承載力、剛度、變形、荷載-位移關(guān)系的計算方法，建立圓鋼管鋼渣混凝土柱的應力-應變關(guān)系模型。研究低周反復荷載作用下圓鋼管自應力鋼渣混凝土柱破壞形態(tài)、受力機理和耗能機制，分析各因素對構(gòu)件動力特性與抗震性能的影響規(guī)律，提出圓鋼管自應力鋼渣混凝土柱承載力、剛度退化、軸壓比限值和延性系數(shù)的計算方法，建立圓鋼管自應力鋼渣混凝土柱的恢復力模型。本項目研究為鋼管鋼渣混凝土柱的設計以及在土木工程中的應用奠定基礎，同時促進固體廢棄物的再利用，具有重要的理論意義與現(xiàn)實意義。