带约束拉杆圆端形钢管混凝土短柱轴压性能研究

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钢管混凝土组合构件充分利用了钢管和混凝土材料的组合优势,钢管能对核心混凝土提供良好的约束作用,同时施工方便且经济合理,其截面形式也为了满足不同的使用要求而不断向圆形、矩形、多腔异形等形状发展演变。目前,关于带约束拉杆圆端形钢管混凝土相关的研究较少,且已有的研究表明,圆端形钢管混凝土两端约束较强,中间平直段约束较弱,而在其他截面形式钢管混凝土中,约束拉杆能较好的提高和改善钢管混凝土的受力性能,为此,文中提出了在圆端形钢管混凝土中加入约束拉杆来提高构件的界面粘结性能。研究带约束拉杆圆端形钢管混凝土构件的轴压工作机理,最后给出轴压承载力推荐公式并验证其合理性。具体工作如下:
  (1)进行了11个带约束拉杆的圆端形钢管混凝土短柱和3个普通圆端形钢管混凝土短柱的轴压试验,研究拉杆轴向间距、拉杆直径、拉杆排数及截面含钢率对圆端形钢管混凝土短柱轴压性能的影响。从结果可以看出:随着截面含钢率、拉杆直径、拉杆排数的提高,短柱构件的承载力和延性均得到提高,带约束拉杆圆端形钢管混凝土短柱的极限应变随高宽比增大而减小,与普通构件相比最高可提高41.6%,不带约束拉杆的普通圆端形钢管混凝土短柱构件发生破坏时,靠近上下端部形成鼓曲变形,产生剪切破坏。约束拉杆能有效的参与全截面受力,使钢管对核心混凝土的约束效应增强。而随着约束拉杆设置密度的增加,构件形成的鼓曲变形越来越靠近跨中截面,且鼓曲变形分布更加均匀,内部混凝土和约束拉杆发生剪切破坏。
  (2)带约束拉杆圆端形钢管混凝土相对于其他截面钢管混凝土受力性能更加复杂,对带约束拉杆圆端形钢管混凝土截面进行强弱约束分区,将圆端形钢管混凝土截面切分为矩形和半圆形,并分别采用不同的混凝土本构关系修正,提出一种新的圆端形钢管混凝土本构关系式。利用有限元软件对57个模型构件进行精细化分析。改变拉杆直径、混凝土强度、拉杆间距、截面含钢率、高宽比等进行参数研究,结果表明:随着截面含钢率、拉杆直径、拉杆排数的提高和拉杆轴向布置间距的减小,构件的承载力和延性均得到提高;而混凝土强度的增加能提高构件的承载力但会导致延性降低。
  (3)在带约束拉杆圆端形钢管混凝土轴压短柱试验研究的基础上,利用叠加原理,将圆端形截面划分为中部矩形区及两端半圆区,通过回归分析提出适用于带约束拉杆圆端形钢管混凝土承载力的计算方法。在有限元精细化全过程模拟分析与实验结果吻合较好的情况下,在此基础之上进行了参数扩大化有限元数值分析,研究各参数对承载力的影响程度,并利用试验数据验证回归得到的承载力公式。采用极限平衡和双剪切统一强度理论开展承载力分析,用Python语言编制基于纤维模型法的承载力计算程序,最后与美国ACI(2005)、欧洲EC4(2004)、钢管混凝土结构技术规范GB50936-2014进行对比,得到最合理的承载力计算方法。
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