圓鋼管自應(yīng)力鋼渣混凝土柱約束機(jī)理及力學(xué)性能研究

本項(xiàng)目針對(duì)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(xué)性能研究為主線，重點(diǎn)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(jī)理、受力性能、計(jì)算理論等關(guān)鍵問題。（1）開展鋼渣混凝土材料配合比試驗(yàn)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(duì)鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)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(jī)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(qiáng)度和膨脹率的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，開展補(bǔ)償收縮鋼渣混凝土柱軸壓試驗(yàn)研究，揭示補(bǔ)償收縮鋼渣混凝土柱破壞形態(tài)和機(jī)理，建立補(bǔ)償收縮鋼渣混凝土柱強(qiáng)度、變形、彈性模量、泊松比及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的計(jì)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(diǎn)及其影響因素，揭示構(gòu)件的膨脹機(jī)理，提出構(gòu)件自應(yīng)力的計(jì)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(duì)構(gòu)件承載性能與破壞機(jī)理的影響，提出構(gòu)件承載力、變形、剛度的計(jì)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(jì)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(duì)破壞形態(tài)、破壞機(jī)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(jì)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(xiàng)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(hù)環(huán)境，節(jié)約自然資源。同時(shí)為工程結(jié)構(gòu)提供更為經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系，顯著降低工程造價(jià)，具有廣闊的工程應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

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。

第一章 緒論

1．1 研究背景

1．2 FRP對(duì)性能不足的混凝土柱修復(fù)和加固的應(yīng)用研究

1．3 FRP約束混凝土柱受壓性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1．3．1 軸心受壓性能

1．3．2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

1．3．3 偏心受壓性能

1．3．4 數(shù)值模擬

1．3．5 FRP-混凝土-鋼新型組合柱

1．4 主要研究內(nèi)容及意義

1．5 本章小結(jié)

第二章 FRP約束混凝土柱的軸壓性能研究Ⅰ：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型和數(shù)值模擬

2．1 引言

2．2 軸壓下FRP約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系統(tǒng)一模型

2．2．1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2．2．2 轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變

2．2．3 極限破壞點(diǎn)應(yīng)力

2．2．4 極限破壞點(diǎn)應(yīng)變

2．2．5 模型驗(yàn)證

2．3 FRP對(duì)混凝土強(qiáng)弱約束的判別模型

2．3．1 已有的強(qiáng)弱約束判別模型

2．3．2 建議模型

2．4 軸壓下FRP約束混凝土柱的數(shù)值模擬

2．4．1 問題的提出

2．4．2 單元類型和材料模型選取

2．4．3 有限元模型

2．4．4 數(shù)值模型驗(yàn)證

2．4．5 數(shù)值結(jié)果分析

2．5 本章小結(jié)

第三章 FRP約束混凝土柱的軸壓性能研究Ⅱ：強(qiáng)度和極限應(yīng)變模型

3．1 引言

3．2 已有模型

3．2．1 主要影響參數(shù)

3．2．2 已有的強(qiáng)度模型

3．2．3 已有的極限應(yīng)變模型

3．3 對(duì)已有模型的評(píng)估

3．3．1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

3．3．2 對(duì)已有強(qiáng)度模型的評(píng)估

3．3．3 對(duì)已有極限應(yīng)變模型的評(píng)估

3．4 建議模型

3．5 本章小結(jié)

第四章 FRP約束鋼筋混凝土柱的偏壓性能研究

4．1 引言

4．2 偏壓下FRP約束鋼筋混凝土柱的數(shù)值模擬

4．2．1 單元類型和材料模型選取

4．2．2 有限元模型

4．2．3 數(shù)值模型驗(yàn)證

4．2．4 數(shù)值結(jié)果分析

4．3 基于數(shù)值模型的數(shù)值試驗(yàn)

4．3．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

4．3．2 柱中部受壓區(qū)混凝土最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的計(jì)算

4．4 偏壓下FRP約束鋼筋混凝土柱承載力計(jì)算模型

4．4．1 承載力分析模型

4．4．2 承載力設(shè)計(jì)模型

4．5 偏壓下FRP約束鋼筋混凝土柱P-M關(guān)系模型

4．5．1 P-M關(guān)系簡化計(jì)算模型

4．5．2 簡化模型驗(yàn)證

4．5．3 基于簡化計(jì)算模型的參數(shù)分析

4．6 本章小結(jié)

第五章 FRP-混凝土-鋼混合雙管柱的軸壓性能研究

5．1 引言

5．2 FRP與鋼雙管約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系理論模型

5．2．1 變形協(xié)調(diào)假定

5．2．2 平面應(yīng)變條件下受力分析

5．2．3 材料本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則選取

5．2．4 理論模型計(jì)算流程

5．2．5 理論模型驗(yàn)證

5．2．6 基于理論模型的參數(shù)分析

5．3 軸壓下FRP-混凝土-鋼混合雙管柱的數(shù)值模擬

5．3．1 單元類型和材料模型選取

5．3．2 有限元模型

5．3．3 數(shù)值模型驗(yàn)證

5．3．4 數(shù)值結(jié)果分析

5．4 加載方式對(duì)FRP-混凝土-鋼混合雙管柱軸壓性能的影響

5．4．1 不同加載方式下軸壓性能的理論分析

5．4．2 算例分析

5．5 本章小結(jié)

第六章 結(jié)論與展望

6．1 主要工作及結(jié)論

6．2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

6．3 有待解決的問題

附錄

附錄A FRP約束混凝土柱軸壓試驗(yàn)資料

附錄B FRP約束鋼筋混凝土柱偏壓試驗(yàn)資料

附錄C FRP-混凝土-鋼混合雙管柱軸壓試驗(yàn)資料

參考文獻(xiàn) 2100433B

鋼管約束鋼筋混凝土柱具有承載力高、抗震性能好、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑與大跨空間結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。目前國內(nèi)外尚無關(guān)于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點(diǎn)不同，方鋼管約束鋼筋混凝土柱不能套用鋼筋混凝土柱或鋼管混凝土柱的抗火研究成果。因此，應(yīng)對(duì)其抗火性能展開研究。此外，相關(guān)研究表明，實(shí)際結(jié)構(gòu)中受火柱受到相鄰構(gòu)件的約束，受力機(jī)理和抗火性能與單體構(gòu)件顯著不同，有必要考慮端部約束作用。為此，本項(xiàng)目將以方鋼管約束鋼筋混凝土柱為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方式，重點(diǎn)研究火災(zāi)下無端部約束構(gòu)件的溫度、變形與耐火極限，并提出抗火設(shè)計(jì)方法；在此基礎(chǔ)上，引入端部約束作用，分析其對(duì)火災(zāi)下方鋼管約束鋼筋混凝土柱受力機(jī)理與耐火極限的影響，提出可考慮端部約束作用的抗火設(shè)計(jì)建議。本項(xiàng)目的研究成果將進(jìn)一步完善鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計(jì)理論，促進(jìn)該類構(gòu)件的應(yīng)用與發(fā)展。

鋼管約束鋼筋混凝土柱具有承載力高、抗震性能好、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑與大跨空間結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用。目前國內(nèi)外尚無關(guān)于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點(diǎn)不同，方鋼管約束鋼筋混凝土柱不能套用鋼筋混凝土柱或鋼管混凝土柱的抗火研究成果。因此對(duì)方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能開展了試驗(yàn)研究與理論分析，并提出了相應(yīng)的抗火設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了方鋼管約束鋼筋混凝土柱足尺明火試驗(yàn)，實(shí)測(cè)了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下構(gòu)件截面關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)溫度、軸向變形、柱頂轉(zhuǎn)角、側(cè)向變形、耐火極限和破壞模式，獲得了荷載比和偏心距對(duì)火災(zāi)下構(gòu)件變形和耐火極限的影響規(guī)律。建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱溫度場和耐火極限的有限元分析模型，分析了荷載比、截面尺寸、偏心率等參數(shù)對(duì)溫度場和耐火極限的影響規(guī)律，提出了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下鋼管、鋼筋與混凝土溫度的計(jì)算方法與耐火極限的計(jì)算方法。實(shí)際結(jié)構(gòu)中受火柱受到相鄰構(gòu)件的約束，受力機(jī)理和抗火性能與單體構(gòu)件顯著不同，因此分析了端部軸向約束與轉(zhuǎn)動(dòng)約束作用對(duì)構(gòu)件抗火性能的影響。獲得了軸向約束剛度比和轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比對(duì)構(gòu)件耐火極限的影響規(guī)律，提出了火災(zāi)下構(gòu)件計(jì)算長度計(jì)算公式，以及考慮端部約束的方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目揭示了火災(zāi)下方鋼管約束鋼筋混凝土柱的工作機(jī)理，建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計(jì)方法，為該類構(gòu)件的防火設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善了鋼管約束鋼筋混凝土柱的設(shè)計(jì)理論。 2100433B