高轴压比下圆钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究与有限元分析

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:p244150486
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再生混凝土(RAC)是指将废弃混凝土经过一定工序加工成再生粗骨料,再按一定比例用其替代天然骨料配制而成的新型混凝土材料。再生混凝土的力学性能和耐久性能均差于天然骨料混凝土,这限制了再生混凝土在混凝土结构中的运用,而钢管再生混凝土结构(RACFST)是一种将再生混凝土运用于实际承重结构中的可行方案。目前,国内外学者对钢管再生混凝土结构的受压性能及抗震性能都进行了一定量的研究,但是对高轴压比下钢管再生混凝土柱抗震性能的研究尚未见到报道。本课题通过对8根圆钢管再生混凝土柱进行恒定轴力下的水平低周反复加载试验,探讨了轴压比、长细比、钢管壁厚、再生骨料取代率等因素对该类构件抗震性能的影响规律,并在试验研究的基础上对该类构件进行了有限元模拟分析以及恢复力模型理论分析,主要得到了以下结论。(1)在恒定轴力作用下,圆钢管再生混凝土柱的水平低周反复加载会经历弹性上升、弹塑性上升和弹塑性下降三个阶段;试件的最终破坏形式一般为柱底压弯破坏,柱底钢管壁鼓曲破坏的同时柱底内部混凝土压碎破坏,柱底形成可以转动的塑性铰;随着钢管壁厚、轴压比、长细比等参数的变化,圆钢管再生混凝土柱的破坏过程和破坏特征存在一定的差异。(2)在低轴压比的情况下,圆钢管再生混凝土柱的滞回曲线较为平滑饱满,具有良好的延性性能和耗能能力;在高轴压比或者大长细比的情况下,试件的滞回曲线在达到荷载峰值时均存在明显的承载力和刚度突降现象,耗能能力和延性较差。(3)在低轴压比的情况下,圆钢管再生混凝土柱的骨架曲线下降段较为平缓,说明试件在达到峰值荷载后的变形能力较好;在高轴压比或大长细比的情况下,试件的骨架曲线在峰值荷载处出现突降,后期变形能力较差。(4)随着轴压比的增加,试件的水平承载力有所增大,延性系数明显变小,试件的延性变差;随着长细比的增大,试件的水平承载力和延性系数都明显降低;再生骨料替代率对试件的水平承载力和延性系数无明显影响;壁厚的增加会提升试件的水平承载力和延性系数。(5)当试件的轴压比为0.4时,试件的平均破坏位移角介于1/27~1/26之间,而当试件的轴压比为0.7时,试件的平均破坏位移角介于1/67~1/37之间。这表明高轴压比的试件在发生破坏时位移角较小,变形能力较差,因此在设计钢管再生混凝土柱时需对其轴压比进行限制,保证其具有足够延性。(6)各试件刚度退化曲线基本一致,前期快,后期慢。轴压比和壁厚的增加可以增大试件在加载初期的刚度,但是轴压比较大的试件刚度退化速度更快;长细比的增加会降低试件的刚度;再生骨料的添加基本不会影响试件的刚度退化。(7)试件破坏时的等效粘滞阻尼系数ξeq在0.24~0.37之间,说明钢管再生混凝土柱具有较为优秀的耗能能力,优于钢筋混凝土柱。随着轴压比的增加,试件在破坏点的等效粘滞阻尼系数有减小趋势;再生骨料的添加对试件的等效粘滞阻尼系数基本没有影响;随着钢管壁厚的增加,试件在破坏点的等效粘滞阻尼系数稍有增大。(8)本文采用ABAQUS有限元分析软件建立了圆钢管再生混凝土柱在恒定轴力和水平低周反复荷载作用下的有限元模型,并将模型分析结果与试验结果进行了比对,验证了所建有限元模型的合理性与有效性。然后在所建有限元模型合理有效的基础上,通过改变模型参数,拓展研究了轴压比、钢材强度、钢管壁厚等因素对该类试件抗震性能的影响规律。拓展研究的结果表明:当试件的轴压比大于等于0.7时,随着轴压比的增加,试件的承载力和延性明显下降;在恒定轴压比0.7的情况下,增加钢材强度和加大钢管壁厚均能提升该类试件的承载力和延性。(9)本文采用试验拟合法建立了高轴压比下圆钢管再生混凝土柱的理论恢复力模型并进行了计算验证。该模型能较好地反映试件的荷载与位移的滞回关系,可用于圆钢管再生混凝土结构的弹塑性反应分析。
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