高强方钢管再生混凝土短柱轴压和抗震性能研究

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近些年,我国在建筑领域的发展较为蓬勃,导致消耗了大量的商品混凝土,使得资源短缺问题日益突出。另外,由于城镇化建设以及频发的自然灾害,造成了数以万计的建筑废料,人们往往通过掩埋的方式来将其进行处理,这对于环境污染也是显而易见的。为有效解决上述问题,有学者提出再生混凝土这一新材料概念。它一则可以节省天然骨料,减少对自然资源的掠夺,二则可以使得废弃混凝土回收再利用,使污染问题得到缓解。但鉴于再生混凝土的多种力学性能劣于普通混凝土,故将其填注至钢管内,组成钢管再生混凝土结构,该结构优点体现在:一方面再生混凝土因被钢管所约束,故其抗压强度提高显著,且其相关力学性能会有所改善,另一方面结构具有一定的承载能力,可替代传统的钢筋混凝土结构,节省钢筋绑扎、支、拆模等繁琐工序,对提高施工效率大有裨益。钢管再生混凝土结构由于截面形式的不同,受力情况也是不一样的。方形截面相比于圆形截面,虽然其承载力不占优势,但其截面抵抗弯曲变形能力较大、节点构造较为简单以及便于装修等特点,受到广大学者的广泛关注。故本文着重研究方形截面的钢管再生混凝土结构的力学性能,又因方钢管混凝土结构的承载能力有限,不能满足大跨及高层建筑的使用要求,故本文将普通方钢管置换为高强方钢管,形成高强方钢管再生混凝土新式组合结构,它一方面可以继承方钢管再生混凝土结构材料优势,另一方面因其具备较高的承载能力,故可将结构的截面尺寸缩小,使得在大跨、高层建筑中获得更大的使用空间,提高建筑物使用功能。当前,关于高强方钢管再生混凝土的力学性能研究还未见报道,故本文着重对该组合短柱的轴压和抗震性能展开了非线性仿真研究,主要完成了以下工作:(1)本文通过选取合理的单元类型、高强钢管及再生混凝土应力-应变关系、界面接触关系、网格划分技术、相应的边界条件以及加载方式,来进行组合短柱的仿真建模工作,并对相关的参数设置进行了详细的介绍,具有一定的科研应用价值。(2)本文通过相关试验结果验证了轴压短柱有限元模型的可行性,并对组合短柱的轴压受力机理展开了分析。另外,以再生粗骨料取代率、再生混凝土强度等级、高强钢管屈服强度以及含钢率为控制参数,研究这些参数对16根组合短柱的轴压力学指标的影响。研究表明:再生粗骨料取代率对组合短柱轴压性能影响不大,而再生混凝土强度、高强钢管屈服强度以及含钢率对该类构件的承载力有较大影响。(3)本文通过将仿真结果与基于两种理论的国内外规程承载力计算公式结果进行对比,获得了高强方钢管再生混凝土短柱轴压设计的可行性,并通过线性回归的方式拟合出轴压短柱承载力计算公式,依据相关试验结果验证其具有一定的有效性。(4)本文基于已验证好的有限元模型,对17根高强方钢管再生混凝土短柱的抗震性能展开了非线性仿真研究,简述了基准构件的破坏形态,并以再生粗骨料取代率、高强钢管屈服强度、含钢率以及轴压比作为控制参数,分析各参数对组合短柱相关抗震性能力学指标的影响。研究表明:再生粗骨料取代率对组合柱抗震性能影响不明显,而高强钢管屈服强度、含钢率以及轴压比对组合柱的抗震性能影响显著。
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