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型钢轻骨料混凝土(SRLC)是一种新型结构形式,在高层、大跨结构中有广阔应用前景。粘结滑移问题是混凝土(RC)结构的基本问题,型钢轻骨料混凝土结构中同样存在这个问题。SRLC结构、构件的设计需要考虑粘结滑移的影响,但是,目前国内外对此研究较少,SRLC结构、构件的设计也没有相应的标准可参考。因此,有必要开展SRLC构件粘结滑移性能的研究,并把粘结滑移的影响引入到SRLC结构构件的设计中。
本文采用试验研究和理论分析相结合的方法对SRLC构件的粘结滑移性能进行了研究。提出了SRLC的粘结强度、粘结滑移本构关系模型;通过引入局部粘结滑移本构关系,对推出试验和SRLC梁进行了有限元分析:最后,在粘结滑移分析的基础上提出了SRLC梁正截面抗弯和斜截面抗剪承载力计算公式,该公式具有足够的精度,可为工程设计人员参考。论文主要研究内容和成果如下:
通过推出试验研究了SRLC的粘结滑移性能。试验中考虑了混凝土强度、保护层厚度、配箍率、型钢埋置长度、剪力连接件等因素的影响,并制作了三组型钢普通混凝土(SRC)对比试件。试验考察了试件破坏形态、型钢应变和混凝土应变沿锚长分布规律、加载端和自由端滑移。根据试验结果,统计回归了特征粘结强度、特征滑移值计算公式。研究结果表明:型钢埋置长度与型钢截面高度的比值和轻骨料混凝土强度对粘结强度影响较显著;剪力连接件的设置降低了粘结强度,设计中应单独考虑自然粘结强度或剪力连接件传递剪力,不能对二者进行叠加;型钢轻骨料混凝土相对于型钢普通混凝土有较小的粘结强度和较陡的荷载滑移下降段。
由型钢微段受力平衡可推得型钢局部粘结应力,并拟合了粘结应力沿锚长分布的负指数函数曲线。翼缘局部最大粘结应力约为腹板的1.5倍,不能忽略腹板对粘结力的贡献,给出了局部最大粘结应力表达式。从粘结机理和正交分析两个角度探讨了平均极限粘结强度的影响因素,相对锚固长度对粘结强度影响最大,配箍率和混凝土强度其次。基于所得平均粘结强度,推导了临界锚固长度表达式。临界锚固长度计算中提出了临界锚固长度系数,当混凝土保护层厚度、配箍率和混凝土强度不变时,不同型号工字钢临界锚固长度系数取值趋于一致,临界锚固长度系数的引入可用于计算锚固长度的上限值,并对影响临界锚固长度的因素进行了分析,建议了锚固长度的合理取值范围。
根据平均粘结应力和加载端滑移建立了劈裂破坏和推出破坏的粘结滑移基本本构关系模型,该模型和试验曲线吻合较好,能从宏观上反映了平均粘结应力和滑移的关系。通过型钢和对应位置处混凝土的实测应变,由改进法获得了局部滑移沿锚固长度分布的试验曲线,对该曲线进行了负指数函数拟合。基于弹性理论,推导了局部滑移沿锚长分布的理论曲线,给出了各级荷载下加载端滑移计算值,局部滑移理论值比试验值偏大。在局部粘结应力和局部滑移沿锚长分布规律的研究基础之上,给出了位置函数,确定了随位置变化的粘结滑移本构关系。该本构关系适用于滑移较小时,即滑移发生在粘结滑移曲线的上升段。由于加载端附近点的粘结应力经历了一个从上升段到下降段完整的发展过程,据此,建立了局部粘结应力滑移本构关系。由理论分析给出了加载端滑移和荷载之间的关系,计算了理论极限荷载。理论极限荷载比试验值小,可用作极限荷载的下限。极限粘结强度下的极限荷载与试验值之比为1.06,可对自然粘结力估算。
结合国内外几种轻骨料混凝土应力-应变关系方程,推导了分段式应力-应变关系表达式。上升段采用二次函数,下降段用有理分式,方程中唯一常数B可由关键点坐标确定。该方程形式简单,下降段有明显的拐点和收敛点,可用于非线性有限元分析。通过引入轻骨料混凝土应力-应变关系和局部粘结滑移本构关系,对推出试验进行了ANSYS模拟。有限元模拟结果表明:型钢应力分布、裂缝形态、荷载-滑移曲线与试验结果吻合较好。用上述方法对不同剪跨比的SRLC梁进行了ANSYS分析,分析结果表明:SRLC梁的破坏形态、裂缝形态和SRC梁相似;计算承载力与试验值之比为98.7%;荷载-挠度曲线与试验曲线吻合较好。
考虑型钢与混凝土的粘结作用,提出了正截面抗弯承载力计算的改进叠加法和斜截面抗剪承载力预测模型,和试验结果的对比表明上述方法不仅适用于SRLC梁也适用于SRC梁,且能较好地预测试验结果。在斜截面抗剪承载力计算中考虑了可能发生的剪切粘结破坏,推导了钢骨翼缘临界宽度比计算公式,对其影响因素进行了分析。经验证:钢骨翼缘临界宽度比可用于判别剪切破坏类型,从而对斜截面抗剪承载力预估。