高温后方钢管型钢混凝土短柱轴向力学性能研究

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钢管型钢混凝土结构是在传统钢管混凝土内部加入型钢而形成的一种新型组合结构。该结构较好地融合了钢管混凝土结构与型钢混凝土结构的优点,具有承载能力大、延性好、抗震性能和抗火性能好,施工方便等优点,非常适合应用于高层、大跨度以及重载结构中。目前关于常温下钢管型钢混凝土短柱的力学性能研究已较为成熟,但针对其抗火性能的研究相对较少,尤其是关于火灾后该结构的力学性能研究非常有限。据此,本文以钢管型钢混凝土短柱为研究对象,综合应用试验研究、数值模拟和理论分析等手段对其高温后的力学性能展开了系统性研究,工作内容如下:(1)以混凝土强度、方钢管的宽厚比、型钢含钢率和加热时间为主要试验参数,设计了135个方钢管型钢混凝土短柱,分析了试件高温后破坏模式、荷载位移曲线,剩余承载力、延性和刚度等力学性能。结果表明:高温后钢管型钢混凝土短柱的主要破坏模式为鼓曲破坏,部分加热时间超过100min的试件出现斜截面剪切破坏;试件高温后的剩余承载力随加热时间的增加而下降,受型钢含钢率的影响最大,其次是钢管壁厚和混凝土抗压强度;当型钢含钢率靠近9%时,试件的剩余承载力基本保持不变;高温对方钢管型钢混凝土短柱的延性影响最为显著,随着加热时间的增加,延性平均提高了2.1%~51.59%;钢管宽厚比由42提高到55,延性系数平均提升28.52%,进一步提高宽厚比,延性系数没有明显提升;型钢含钢率对延性影响不明显。试件的弹性刚度随着钢管壁厚和混凝土抗压强度的增加有明显提升。试件经历高温后弹性刚度退化显著,加热时间从30min增加至130min,弹性刚度平均降低了44.41%;随着加热时间的增加和含钢率(钢管和型钢)的提高,试件的刚度退化减缓,表明此类组合短柱具有良好的承载力和变形能力。(2)利用有限元软件建立了方钢管型钢混凝土短柱的常温分析数值模型,研究了试件轴压过程中钢管、混凝土、型钢的受力机理,结果表明:在加载过程中混凝土承担了大部分的轴向荷载,且随着荷载增加,其承受荷载的比例逐渐增大,型钢反之。当钢管和型钢的总含钢率在14.83%~19.28%之间,内外含钢率比为0.47时,钢材对承载力的贡献最大,利用效益最大化。(3)基于混凝土约束模型,提出了常温下和火灾后方钢管型钢混凝土短柱轴压承载力计算公式,公式计算结果与试验结果基本一致,可应用于工程实践。
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