论文部分内容阅读
在大跨度、大型重载工业厂房及抗震设防烈度较高的高层、超高层建筑结构中,短柱是难以避免的竖向承重构件,其抗震性能的好坏,对建筑结构的安全性有着重大意义。由于混凝土是一种脆性材料,使得型钢混凝土短柱在遭受地震作用时混凝土保护层依然会大面积压碎、剥落,造成纵筋压屈、箍筋拉脱,使内部型钢较早地失去有效约束而发生屈曲等现象,从而降低了型钢混凝土短柱的承载力、抗震性能和耐损修复性。同时型钢混凝土短柱耐火和耐久性较差,且容易造成施工困难。基于此,本文为充分地发挥型钢与超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)各自的优势,将具有优良应变硬化、多缝开裂和高韧性特征的UHTCC代替普通混凝材料与型钢组合成型钢超高韧性水泥基复合材料(SUHTCC)组合结构,具体开展的工作及主要结论如下:首先,通过5个短柱推出试验,研究了锚固长度与栓钉抗剪连接件对UHTCC与型钢粘结滑移性能的影响,并与型钢混凝土试件进行了对比分析,回归给出了型钢UHTCC粘结强度的预测公式及粘结-滑移本构模型。结果表明:1)用UHTCC材料替代混凝土后,裂缝形态更为细密,型钢UHTCC试件名义峰值粘结强度略有降低,但具有较高的残余承载力和残余粘结强度,粘结韧性与粘结耗能大幅增加,且损伤轻微,明显改善了型钢混凝土的界面粘结滑移性能;2)随锚固长度的增加,型钢UHTCC试件的峰值和残余粘结承载力增大,但名义峰值和名义残余粘结强度呈现略微降低的趋势,且粘结韧性与粘结耗能均降低;3)UHTCC试件型钢翼缘设置栓钉后,明显提高了型钢UHTCC试件峰值前的粘结滑移性能,但峰值后粘结性能尤其是粘结韧性与粘结耗能减小;4)对比了已有用于计算型钢混凝土粘结强度的计算式,最后回归给出了型钢UHTCC粘结强度的预测公式;5)结合试验结果,建立了适用的型钢UHTCC粘结-滑移本构模型,且模型曲线与试验曲线吻合良好。其次,为了研究地震作用下型钢超高韧性水泥基复合材料短柱(SUHTCC)的抗震性能,通过改变轴压比、体积配箍率、加载制度和型钢翼缘有无布置栓钉对8根型钢超高韧性水泥基复合材料短柱及1根型钢混凝土短柱试件进行了试验研究。结果表明:1)用UHTCC取代混凝土与型钢结合后,UHTCC与型钢表现出了更好的变形能力和抗震性能,改善了短柱的脆性剪切破坏模式,在大变形下具有高的耐损性和可修复性,即使SUHTCC短柱在高轴压比和低配箍率情况下仍然具有良好的耗能能力与抗震性能;2)低周往复加载模式会降低SUHTCC短柱的承载力,且峰值后荷载下降变快,变形能力和延性降低;3)随轴压比增大,SUHTCC短柱耗能能力和延性有所下降,但SUHTCC短柱在高轴压比下仍具有较好的非线性变形能力和抗震性能;4)不同配箍率的试件峰后滞回曲线均饱满,配箍率最大的SUHTCC短柱表现出了更好的耗能能力,但配箍率最小的SUHTCC短柱仍具有较好的耗能能力、延性和抗震性能;5)型钢翼缘布置栓钉后,SUHTCC短柱的承载力和耗能能力得到了较大提高,但对延性的提高有限。加栓钉能够大幅提高较低轴压比SUHTCC短柱滞回性能和耗能能力,但对较高轴压比SUHTCC短柱提高幅度有限;6)最后采用不同规范给出的用于计算型钢混凝土柱斜截面受剪承载力计算公式计算了试验SUHTCC短柱的承载力。结果表明,我国组合规范(JGJ138-2016)用于剪跨比不超过2.0的型钢超高韧性水泥基复合材料短柱受剪分析和设计是可行的。最后,从构件层次上,对型钢超高韧性水泥基复合材料组合柱基于变形和损伤的抗震损伤进行评估,得到以下结论:1)将试验SUHTCC短柱抗震性态水平可划分为六个等级,建立了该类结构柱处于不同损伤破坏状态下的性能目标;2)以位移角为变形性能控制参数,采取两种方法定义了不同性能水平下位移角的取值原则,并给出了位移角限值取值范围。结果表明,使用UHTCC代替混凝土用于型钢混凝土可以放宽各性能水平的变形限值;3)结合现有不同性能水平的损伤指数范围以及试验的损伤过程,划分了试验SUHTCC组合柱各性能水平下的损伤指数取值范围;4)以经典的Park-Ang模型和Kratzig模型为基础,提出了改进的M-Park-Ang双参数损伤模型与改进的M-Kratzig损伤模型。结果表明,改进后两个地震损伤模型可更真实反映型钢超高韧性水泥基复合材料组合柱的损伤行为。