钢管约束钢筋混凝土和型钢混凝土构件静动力性能研究

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钢管约束钢筋混凝土是将薄壁钢管外包于钢筋混凝土柱,钢管约束型钢混凝土是将薄壁钢管外包于型钢混凝土柱,用钢管替代箍筋,钢管不直接承担纵向荷载,只对核心混凝土起约束作用。  本文对钢管约束混凝土轴压短柱、钢管约束钢筋混凝土和钢管约束型钢混凝土压弯构件进行了系统的试验研究和理论分析,具体工作如下:  (1)以钢管的径厚比和混凝土强度为主要参数进行了18个圆钢管约束高强混凝土轴压短柱的试验研究。试验结果表明,圆钢管约束高强混凝土短柱的轴压承载力高于同条件的圆钢管混凝土构件,但两种形式轴压构件的延性无明显差别。  建立了圆钢管约束混凝土短柱的轴压承载力公式,公式计算结果与试验结果吻合较好;且公式形式简单,概念清晰,有利于工程实用。根据试验结果,对Mander提出的约束混凝土滞回模型进行了修正,使模型适合于约束高强混凝土。  (2)以钢管的宽厚比和混凝土强度为主要参数进行了23个方钢管约束混凝土轴压短柱的试验研究。试验结果表明,当钢管的宽厚比为70左右时,方钢管约束混凝土短柱的轴压承载力明显高于普通方钢管混凝土构件;当钢管的宽厚比小于47时,方钢管约束混凝土短柱的轴压承载力则低于普通方钢管混凝土构件;但两种构件的延性无显著差别。  建立了方钢管约束混凝土短柱的轴压承载力公式,公式计算结果与试验结果吻合较好;公式形式简单,概念清晰,利于工程应用。  (3)以混凝土强度、轴压比和钢管约束作用为参数进行了4个圆钢管约束钢筋混凝土压弯构件和1个普通钢筋混凝土对比试件的滞回性能试验研究,试验结果表明:由于圆钢管对核心混凝土的有效约束,核心钢筋混凝土压弯构件的抗弯承载力、延性和耗能能力得到了显著提高,有效地改善了高强混凝土压弯构件在高轴压比条件下的脆性破坏;随轴压比的提高,圆钢管约束钢筋混凝土压弯构件的承载力提高,但轴压比对试件的延性无明显影响;随混凝土强度的提高,圆钢管约束钢筋混凝土压弯构件的承载力提高,但混凝土强度对试件的延性无显著影响。  (4)以混凝土强度、轴压比和钢管约束作用为参数进行了4个方钢管约束钢筋混凝土压弯构件和1个方形截面普通钢筋混凝土对比试件的滞回性能试验研究,试验结果表明:方钢管对核心混凝土的有效约束显著提高了试件的抗弯承载力、延性和耗能性能,有效地改善了高强混凝土在高轴压比条件下的脆性破坏;随轴压比的提高,方钢管约束钢筋混凝土压弯构件的承载力和耗能能力提高,但延性下降;随混凝土强度的提高,方钢管约束钢筋混凝土压弯构件的承载力提高,但延性降低。  对圆钢管约束钢筋混凝土和方钢管约束钢筋混凝土压弯构件的力学性能进行了对比分析。研究结果表明,圆钢管约束钢筋混凝土压弯构件的性能优于方钢管约束钢筋混凝土压弯构件;混凝土强度越高或轴压比越大的情况下,相对于方钢管约束钢筋混凝土,圆钢管约束钢筋混凝土压弯构件的抗震性能越优越。  (5)以轴压比和钢管约束作用为参数进行了2个圆钢管约束型钢混凝土压弯构件和1个圆形截面普通型钢混凝土对比试件的滞回性能试验研究,试验结果表明:圆钢管对核心柱的约束有效地提高了高轴压比条件下型钢混凝土压弯构件的抗弯承载力、延性和耗能性能;随轴压比的提高,圆钢管约束型钢混凝土压弯构件的承载力提高,但轴压比对构件的延性无显著影响。  (6)以轴压比和钢管约束作用为参数进行了2个方钢管约束型钢混凝土压弯构件和1个方形截面普通型钢混凝土对比试件的滞回性能试验研究,试验结果表明:方钢管对核心型钢混凝土柱的约束有效地提高了高轴压比条件下型钢混凝土压弯构件的抗弯承载力、延性和耗能性能;随轴压比的提高,方钢管约束型钢混凝土压弯构件的承载力提高,但延性下降。  对比了圆钢管约束型钢混凝土和方钢管约束型钢混凝土压弯构件的力学性能:当轴压比较低时,圆钢管约束型钢混凝土与方钢管约束型钢混凝土构件的力学性能基本相同;而随轴压比的提高,圆钢管约束型钢混凝土的承载力和延性逐渐高于方钢管约束型钢混凝土构件。  (7)基于本文的研究,建议采用修正的ACI方法计算圆钢管和方钢管约束钢筋混凝土压弯构件的截面抗弯承载力;采用修正的EC4方法计算圆钢管和方钢管约束型钢混凝土压弯构件的截面抗弯承载力。  (8)建立了钢管约束钢筋混凝土和钢管约束型钢混凝土压弯构件的纤维模型数值计算方法,首次引进了随荷载的增加而不断增大钢管对核心混凝土的约束效应的方法。数值计算方法与试验结果吻合较好。建立了钢管约束钢筋和钢管约束型钢混凝土压弯构件的恢复力模型,可为结构的弹塑性分析提供参考。  (9)利用纤维模型数值程序进行了参数分析,研究了钢管约束钢筋混凝土与普通钢筋混凝土、钢管混凝土压弯构件的抗震性能的差异;同时分析了钢管约束型钢混凝土和普通型钢混凝土压弯构件的抗震性能的差异。根据参数分析结果,提出了合理的设计建议。  
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