单轴对称十字型钢混凝土柱静力性能及计算方法研究

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为实现型钢混凝土中节点“相连梁柱一侧平齐”的节点构造形式,在型钢混凝土中柱中配置单轴对称十字型钢,从而形成单轴对称十字型钢混凝土(Monosymmetric Crossshaped Steel Reinforce Concrete,简称MCSRC)柱。目前,国内外关于MCSRC柱受力性能的相关研究较为缺乏,不能为实际工程提供技术支持。鉴于此,本文采用试验研究、数值模拟及理论分析等方法,对MCSRC柱静力性能及其承载力计算方法进行系统研究,主要内容如下:(1)MCSRC柱受压性能试验研究1)对9根MCSRC短柱进行轴心加载,主要参数为十字型钢偏置率、混凝土强度、配钢率和箍筋间距。从试件破坏模式、荷载-应变曲线和荷载-变形曲线等方面揭示MCSRC柱轴压受力机理,深入分析了上述参数对MCSRC短柱轴压承载力和变形能力的影响规律。2)对8根MCSRC中长柱进行偏心加载,试验参数为十字型钢偏置率和荷载偏心率,根据试件的破坏模式、侧向挠度、偏压承载力和峰值跨中挠度,深入分析了各参数对MCSRC中长柱偏压性能的影响规律。(2)MCSRC柱轴压荷载-变形曲线计算方法研究根据MCSRC柱中箍筋和型钢约束范围的不同,将组合柱截面划分不同的约束区。以MCSRC芯柱为对象,重点分析单轴对称十字型钢对混凝土的约束机理,基于Mander约束混凝土本构模型,建立适用于不同截面形状的型钢约束混凝土应力-应变模型。最终,基于静力平衡及变形协调,提出MCSRC柱轴压荷载-变形曲线计算方法。(3)采用有限元软件ABAQUS对MCSRC柱静力性能进行参数分析基于ABAQUS有限元软件,建立了MCSRC柱有限元模型,在验证有限元模型建模方法正确性的基础上,采用MCSRC柱足尺模型进行参数拓展分析,研究结果表明:1)增加型钢强度和纵筋强度,对组合柱荷载-变形曲线前期刚度影响不大,组合柱轴压承载力和后期变形能力提高;在一定范围内,增加箍筋强度,组合柱轴压承载力和后期变形能力有提高;纵筋配筋率增加,组合柱荷载-变形曲线初始刚度略有提高,峰值荷载后,曲线下降较为平缓;增加长细比,组合柱前期刚度及轴压承载力下降,但组合柱变形能力显著上升。2)型钢强度提高,组合柱偏压承载力和极限弯矩上升;纵筋强度和配筋率增加,发生大偏心受压破坏的组合柱偏压承载力和极限弯矩提高的幅度较大;增加混凝土强度和箍筋强度,发生小偏心受压破坏的组合柱偏压承载力和极限弯矩上升;增加长细比,组合柱偏压承载力和极限弯矩显著降低,特别是对于发生小偏心受压破坏的试件。3)在一定范围内增加轴压比,组合柱抗剪承载力提高,当轴压比超过一定范围,增加轴压比,组合柱抗剪承载力降低;剪跨比增大,组合柱荷载-跨中挠度曲线前期刚度和抗剪承载力均减小;提高混凝土强度,组合柱抗剪承载力增加,但组合柱后期变形能力下降;增大纵筋强度,对组合柱抗剪承载力和变形性能影响较小;箍筋间距提高,组合柱抗剪承载力及后期变形能力均有所降低。(4)MCSRC柱承载力计算方法研究1)根据对MCSRC柱截面约束区的划分,将MCSRC柱轴压承载力分成5部分,基于提出的型钢约束混凝土应力-应变模型计算方法,计算不同型钢约束区混凝土强度,将五部分承担的轴力叠加,建立考虑型钢和箍筋约束作用的MCSRC柱轴压承载力计算方法。2)首先,采用理论分析,提出MCSRC柱偏心距放大系数计算方法;然后,按强度等效原则,将偏置H型钢腹板等效至其翼缘;然后,根据平截面假定,利用极限平衡法,提出了MCSRC柱偏压受压承载力计算方法。3)将MCSRC柱分成型钢和钢筋混凝土两部分,采用桁架-拱模型,计算钢筋混凝土柱部分抗剪承载力,然后,采用叠加原理,将钢筋混凝土部分和型钢部分抗剪承载力叠加,建立了MCSRC柱的抗剪承载力计算方法。
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