圆钢管型钢再生混凝土柱抗震性能试验研究及非线性分析

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圆钢管型钢再生混凝土(CSTSRRC)柱是一种结合了再生混凝土绿色环保优点和组合结构能够充分发挥材料优势的新型构件。该组合柱不仅为废弃混凝土提供了有效的处理途径,降低了对天然资源的开采需求量,还克服了再生混凝土材料性能不足的问题,并且其施工方便,符合我国工程建设绿色环保的发展需要,具有较高的应用价值。本文通过试验研究和有限元分析相结合的方法,对CSTSRRC柱的抗震性能进行了研究,并提出了相关的设计方法。设计制作了 11根CSTSRRC柱缩尺模型并进行了低周反复荷载试验,研究主要针对再生粗骨料取代率、钢管径厚比、型钢配钢率、轴压比以及内置型钢截面形式等参数对组合柱抗震性能的影响进行了分析。获取了不同参数影响下CSTSRRC柱的滞回曲线、骨架曲线及特征值,分析了延性系数、位移转角、能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数、强度衰减及刚度退化等抗震性能指标;对组合柱各部位应变规律进行了整理研究,获取了破坏过程中的应变发展规律;定量地研究了试验设计参数对CSTSRRC柱抗震性能的影响程度。试验研究结果表明:CSTSRRC柱试件在低周反复荷载作用下的滞回曲线呈饱满的“纺梭形”;不同参数组合柱试件延性变形能力与能量耗散能力较强,刚度与强度退化稳定,再生粗骨料取代率对组合柱抗震性能影响不大,增加外钢管壁厚与型钢配钢率能够显著提高组合柱承载能力及延性变形能力,轴压比的增大对组合柱延性不利。在试验研究的基础上,利用Abaqus有限元软件建立数值模型对组合柱进行了抗震性能有限元分析,计算曲线与试验获取的滞回曲线及骨架曲线吻合良好,各数值特征点误差在工程允许范围内,证明了有限元数值模型的准确性。利用已建立的有限元模型对CSTSRRC柱试验参数进行了更为全面的分析,并且添加了再生混凝土强度、内置型钢与外部圆钢管钢材强度搭配、组合柱剪跨比和缩尺比等参数进行拓展分析。有限元计算结果表明:再生混凝土强度的提高可以提高组合柱的承载能力、刚度,但其增长幅度随着再生混凝土强度的增加而降低,并且增加再生混凝土强度会使组合柱延性降低;内置型钢强度的提升对组合柱承载能力提升相对较小,但提高内置型钢强度可稳定的提升组合柱延性变形能力;而提升组合柱外钢管钢材强度可以较为明显的提升组合柱的水平承载能力,组合柱延性变形能力随着外钢管钢材强度的增加略有提升;有限元模型未能全面的反映出缩尺比对组合柱性能的影响。在试验研究及有限元研究结果的基础上,利用极限平衡法推导出了 CSTSRRC柱的水平承载力计算公式,对比发现所提公式与试验值吻合良好,可作为该种组合柱抗震承载力的计算公式。
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