圓鋼管自應力鋼渣混凝土柱約束機理及力學性能研究

本項目針對新型圓鋼管自應力鋼渣混凝土柱，以圓鋼管自應力鋼渣混凝土膨脹性能研究為基礎，以圓鋼管自應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荷載作用下圓鋼管自應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、泊松比及應力-應變關系的計算模型。（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力發(fā)展過程、特點及其影響因素，揭示構件的膨脹機理，提出構件自應力的計算方法。在此基礎上，開展圓鋼管自應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件承載性能與破壞機理的影響，提出構件承載力、變形、剛度的計算方法，建立構件應力-應變關系、荷載-撓度關系和彎矩-曲率關系的計算模型。（3）開展圓鋼管自應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。提出低周反復荷載作用下構件的承載力、軸壓比限值、剛度、延性系數(shù)的計算方法，確定構件骨架關系曲線和滯回規(guī)則，建立構件的恢復力模型。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。同時為工程結構提供更為經(jīng)濟合理的結構體系，顯著降低工程造價，具有廣闊的工程應用前景和發(fā)展空間。

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-位移關系的計算方法，建立圓鋼管鋼渣混凝土柱的應力-應變關系模型。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。

第一章 緒論

1．1 研究背景

1．2 FRP對性能不足的混凝土柱修復和加固的應用研究

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 應力-應變關系模型

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

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

2．1 引言

2．2 軸壓下FRP約束混凝土應力-應變關系統(tǒng)一模型

2．2．1 應力-應變關系曲線

2．2．2 轉折點應力和應變

2．2．3 極限破壞點應力

2．2．4 極限破壞點應變

2．2．5 模型驗證

2．3 FRP對混凝土強弱約束的判別模型

2．3．1 已有的強弱約束判別模型

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)值模型驗證

2．4．5 數(shù)值結果分析

2．5 本章小結

第三章 FRP約束混凝土柱的軸壓性能研究Ⅱ：強度和極限應變模型

3．1 引言

3．2 已有模型

3．2．1 主要影響參數(shù)

3．2．2 已有的強度模型

3．2．3 已有的極限應變模型

3．3 對已有模型的評估

3．3．1 試驗數(shù)據(jù)采集

3．3．2 對已有強度模型的評估

3．3．3 對已有極限應變模型的評估

3．4 建議模型

3．5 本章小結

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)值模型驗證

4．2．4 數(shù)值結果分析

4．3 基于數(shù)值模型的數(shù)值試驗

4．3．1 試驗設計及結果分析

4．3．2 柱中部受壓區(qū)混凝土最大應力和最大應變的計算

4．4 偏壓下FRP約束鋼筋混凝土柱承載力計算模型

4．4．1 承載力分析模型

4．4．2 承載力設計模型

4．5 偏壓下FRP約束鋼筋混凝土柱P-M關系模型

4．5．1 P-M關系簡化計算模型

4．5．2 簡化模型驗證

4．5．3 基于簡化計算模型的參數(shù)分析

4．6 本章小結

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力-應變關系理論模型

5．2．1 變形協(xié)調(diào)假定

5．2．2 平面應變條件下受力分析

5．2．3 材料本構關系及破壞準則選取

5．2．4 理論模型計算流程

5．2．5 理論模型驗證

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)值模型驗證

5．3．4 數(shù)值結果分析

5．4 加載方式對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

第六章 結論與展望

6．1 主要工作及結論

6．2 主要創(chuàng)新點

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資料

附錄B FRP約束鋼筋混凝土柱偏壓試驗資料

附錄C FRP-混凝土-鋼混合雙管柱軸壓試驗資料

參考文獻 2100433B

鋼管約束鋼筋混凝土柱具有承載力高、抗震性能好、節(jié)點構造簡單等優(yōu)點，在高層建筑與大跨空間結構中得到應用。目前國內(nèi)外尚無關于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無設計規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點不同，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，應對其抗火性能展開研究。此外，相關研究表明，實際結構中受火柱受到相鄰構件的約束，受力機理和抗火性能與單體構件顯著不同，有必要考慮端部約束作用。為此，本項目將以方鋼管約束鋼筋混凝土柱為研究對象，采用試驗研究與理論分析相結合的方式，重點研究火災下無端部約束構件的溫度、變形與耐火極限，并提出抗火設計方法；在此基礎上，引入端部約束作用，分析其對火災下方鋼管約束鋼筋混凝土柱受力機理與耐火極限的影響，提出可考慮端部約束作用的抗火設計建議。本項目的研究成果將進一步完善鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設計理論，促進該類構件的應用與發(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)點構造簡單等優(yōu)點，在高層建筑與大跨空間結構中得到了應用。目前國內(nèi)外尚無關于方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能的研究，更無設計規(guī)范或規(guī)程可供參考。因受力特點不同，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。因此對方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火性能開展了試驗研究與理論分析，并提出了相應的抗火設計方法。首先進行了方鋼管約束鋼筋混凝土柱足尺明火試驗，實測了標準火災作用下構件截面關鍵測點溫度、軸向變形、柱頂轉角、側向變形、耐火極限和破壞模式，獲得了荷載比和偏心距對火災下構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)對溫度場和耐火極限的影響規(guī)律，提出了標準火災作用下鋼管、鋼筋與混凝土溫度的計算方法與耐火極限的計算方法。實際結構中受火柱受到相鄰構件的約束，受力機理和抗火性能與單體構件顯著不同，因此分析了端部軸向約束與轉動約束作用對構件抗火性能的影響。獲得了軸向約束剛度比和轉動約束剛度比對構件耐火極限的影響規(guī)律，提出了火災下構件計算長度計算公式，以及考慮端部約束的方鋼管約束鋼筋混凝土柱抗火設計方法。本項目揭示了火災下方鋼管約束鋼筋混凝土柱的工作機理，建立了方鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗火設計方法，為該類構件的防火設計奠定了基礎，進一步完善了鋼管約束鋼筋混凝土柱的設計理論。 2100433B