圓鋼管活性粉末混凝土柱靜動(dòng)力性能與設(shè)計(jì)方法項(xiàng)目摘要

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(dòng)力性能和設(shè)計(jì)方法的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)此問(wèn)題，首先進(jìn)行圓鋼管RPC短柱循環(huán)和單調(diào)軸壓荷載下試驗(yàn)，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(jì)算方法和加卸載規(guī)則；其次，進(jìn)行圓鋼管RPC柱低周反復(fù)水平荷載作用下試驗(yàn)，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(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，揭示軸壓比、套箍系數(shù)、鋼材屈服強(qiáng)度、RPC強(qiáng)度等對(duì)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(jì)方法，為相關(guān)規(guī)范的編制或修訂提供依據(jù)。

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(dòng)力性能和設(shè)計(jì)方法的研究尚需完善。針對(duì)此問(wèn)題，本項(xiàng)目完成了7根圓鋼管RPC短柱的單調(diào)軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)和6根圓鋼管RPC短柱循環(huán)軸壓荷載作用下試驗(yàn)，分析了套箍系數(shù)、徑厚比等參數(shù)對(duì)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(jì)算模型，揭示了套箍系數(shù)、核心RPC軸心抗壓強(qiáng)度和鋼材屈服強(qiáng)度等對(duì)鋼管RPC柱力學(xué)性能的影響規(guī)律，提出了鋼管RPC短柱軸壓承載力計(jì)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(yàn)，考察了截面尺寸、套箍系數(shù)對(duì)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(shí)，試件荷載-位移曲線在到達(dá)峰值后出現(xiàn)下降段，呈現(xiàn)為剪切破壞； 時(shí)，試件在到達(dá)極限荷載后承載力下降幅度明顯減小或出現(xiàn)回升趨勢(shì)，呈現(xiàn)為腰鼓形破壞。在達(dá)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?cè)黾虞^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(guò)鋼管的泊松比，致使鋼管對(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)圓鋼管RPC短柱軸壓受力全過(guò)程分析。研究了套箍系數(shù)、核心RPC軸心抗壓強(qiáng)度和鋼材強(qiáng)度對(duì)鋼管RPC力學(xué)性能的影響規(guī)律：當(dāng)套箍系數(shù)小于0.5時(shí)，鋼管RPC柱荷載-位移曲線不存在強(qiáng)化段；當(dāng)套箍系數(shù)大于0.5時(shí)，鋼管RPC柱荷載-位移曲線出現(xiàn)強(qiáng)化段；當(dāng)套箍系數(shù)達(dá)到1時(shí)，強(qiáng)化段極限荷載相對(duì)于承載力的提升將超過(guò)30%。當(dāng)截面尺寸相同時(shí)，隨核心RPC軸心抗壓強(qiáng)度和鋼材強(qiáng)度的提高，鋼管對(duì)核心RPC的約束作用下降?；谠囼?yàn)和數(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(jì)算公式。 3.完成了6根圓鋼管RPC軸壓短柱滯回性能試驗(yàn)，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(jì)算模型并進(jìn)行對(duì)比分析，提出了預(yù)測(cè)圓鋼管RPC短柱的極限抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式。

鋼管再生混凝土克服了再生混凝土抗壓強(qiáng)度低、延性差、收縮徐變大等缺點(diǎn)，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(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。然而再生混凝土模量低、徐變大，長(zhǎng)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(jìn)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(zhǎng)期荷載對(duì)鋼管再生混凝土柱力學(xué)性能影響的研究相對(duì)較少，特別是長(zhǎng)期荷載作用下的抗震性能研究尚屬空白。本項(xiàng)目工作如下： 1）進(jìn)行再生混凝土的受壓力學(xué)性能系統(tǒng)試驗(yàn)（150個(gè)立方體和60個(gè)棱柱體），獲得其抗壓強(qiáng)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(jì)算模型。 2）進(jìn)行再生混凝土徐變?cè)囼?yàn)（40個(gè)棱柱體），考察基體混凝土水灰比與目標(biāo)水灰比對(duì)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(cè)精度高于其它模型，與現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果相差不超過(guò)15%。 3）進(jìn)行鋼管再生混凝土長(zhǎng)期試驗(yàn)（42個(gè)短柱），考察混凝土強(qiáng)度、再生粗骨料取代率和加載齡期對(duì)試件長(zhǎng)期性能的影響?；诨炷馏w積無(wú)窮大假設(shè)，提出鋼管再生混凝土徐變模型，其預(yù)測(cè)精度高于現(xiàn)有其它模型，與現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果相差不超過(guò)10%。通過(guò)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(jiǎn)化計(jì)算方法在預(yù)測(cè)鋼管再生混凝土長(zhǎng)期性能時(shí)的適用范圍。 4）通過(guò)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(zhǎng)期變形增幅可達(dá)136%，時(shí)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(jì)中應(yīng)予以考慮。 5) 設(shè)計(jì)加工了鋼管混凝土柱長(zhǎng)期加載持荷和滯回試驗(yàn)的配套裝置。進(jìn)行滯回性能研究，基于試驗(yàn)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(qiáng)度低、延性和耗能能力差、收縮徐變大等缺點(diǎn)，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(diǎn)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)，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(jìn)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(zhǎng)期荷載對(duì)鋼管再生混凝土柱力學(xué)性能影響不容忽視，特別是長(zhǎng)期荷載作用下的抗震性能研究尚屬空白。本項(xiàng)目將對(duì)圓鋼管再生混凝土長(zhǎng)期性能和抗震性能進(jìn)行深入研究，建立再生混凝土收縮徐變計(jì)算模型，提出考慮長(zhǎng)期荷載影響的圓鋼管再生混凝土柱抗震承載力設(shè)計(jì)方法，從而完善其計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法。

本項(xiàng)目以圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)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(yīng)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(yīng)力發(fā)展特點(diǎn)，揭示圓鋼管鋼渣混凝土的膨脹機(jī)理，提出圓鋼管鋼渣混凝土自應(yīng)力的計(jì)算方法。研究靜力荷載作用下圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱承載性能與破壞機(jī)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(jì)算方法，建立圓鋼管鋼渣混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。研究低周反復(fù)荷載作用下圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱破壞形態(tài)、受力機(jī)理和耗能機(jī)制，分析各因素對(duì)構(gòu)件動(dòng)力特性與抗震性能的影響規(guī)律，提出圓鋼管自應(yīng)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(jì)算方法，建立圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱的恢復(fù)力模型。本項(xiàng)目研究為鋼管鋼渣混凝土柱的設(shè)計(jì)以及在土木工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，同時(shí)促進(jìn)固體廢棄物的再利用，具有重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。