钢管地聚物混凝土柱轴压试验研究与数值分析

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地聚物混凝土具有绿色、低碳、环保的特点,钢管能有效发挥对混凝土的约束作用,钢管地聚物混凝土组合结构能有效地把地聚物混凝土和钢材两者的优点结合起来,钢材可高效发挥抗拉特性,地聚物混凝土可高效发挥抗压特性,两种材料的缺点得以弥补,对地聚物混凝土的脆性和强度问题进行了改善,故更应合理地对钢管地聚物混凝土组合构件设计,令其较好地对荷载及环境适应,在服役周期内,达到结构的安全性、适用性、耐久性标准。本文根据试验分析、理论计算和有限元数值模拟,探究了钢管地聚物混凝土柱的轴压性能。完成了以下研究内容:(1)钢管地聚物混凝土柱试件的轴压试验。设计了2根圆形空钢管柱和24根不同类型的钢管地聚物混凝土柱,研究的参数包括不同地聚物混凝土立方体抗压强度、不同钢管壁厚、不同长径比,对构件进行了单向重复荷载作用下的轴压试验,探究了构件受力过程及破坏形态,讨论了参数变化对各构件承载力、特征位移、刚度退化、延性、残余变形及耗能的影响。(2)在极限平衡理论基础上,建立了钢管地聚物混凝土柱的承载力计算表达式,探究了测压系数k1对运算结果的影响,将其与试验得到的结果进行比对,提供合适的取值;基于国内、国外现行规范,对各构件的极限承载力运算,对比探究了运算结果、试验结果和优化后的钢管地聚物混凝土柱承载力计算表达式。(3)利用ABAQUS软件建立了钢管地聚物混凝土柱有限元数值分析模型,分析了各构件的破坏状态,把运算得到的荷载-位移曲线与试验结果进行比对,验证了有限元数值分析的准确性。主要结论如下:(1)在轴心重复受压作用下,圆钢管柱破坏时,其峰值荷载较小,超过极限承载力后,轴向变形急剧增加;钢管地聚物混凝土短柱发生强度破坏;钢管地聚物混凝土中长柱发生明显侧向挠曲变形,属于典型的弹塑性破坏;钢管地聚物混凝土细长柱主要是失稳破坏而非强度破坏。(2)本试验中,提高地聚物混凝土强度、增加钢管壁厚、减小试件的长径比可以提高钢管地聚物混凝土柱试件的承载力。当地聚物混凝土强度等级越低,钢管厚度越大,试件的长径比越小时,当卸载到20k N时,与残余位移对应的数值也越大。各试件的刚度退化曲线趋势大致相同。地聚物混凝土的强度等级越强,钢管壁厚越大,长径比越小,试件的平均压缩力越大,试件的耗能能力越大。(3)采用极限平衡理论,计算的结果随着测压系数k1的增大递增,通过优化分析,建议取值3.07,计算结果与试验结果吻合度较高。参考国内外现行规范运算结果,《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)和实测值吻合程度更好。(4)依据有限元数值计算分析,得出对应的应力云图及荷载-位移曲线,大多数构件与实测结果吻合较好,表明建立的数值分析模型能有效模拟钢管地聚物混凝土柱的承载能力和变形性能。
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