内置高强螺旋箍筋方钢管混凝土柱轴压力学性能试验研究

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方钢管混凝土柱具有承载力高、抗震性能好、外形美观、基地适应性强、施工方便、环境污染少和经济效益显著等特点,伴随着我国国民经济的快速发展,目前被广泛应用于地震频繁区域高层建筑、大跨度公路、高铁桥梁和桥墩、海洋石油平台、电视塔、高压输电塔等土木工程结构中,并已成为抵御地震荷载最为重要的结构类型之一。但是方钢管混凝土对核心混凝土的约束作用十分有限,尤其是当处于高轴压比下时,管壁极易受压屈曲,方钢管混凝土柱的延性会大幅降低,严重限制了方钢管混凝土柱在高烈度地震区抗震结构中的应用。为了解决上述问题,在方钢管内部设置高强度螺旋箍筋来进一步约束核心混凝土,一方面螺旋箍筋可以在方钢管鼓曲变形之后继续为核心混凝土提供约束作用,提高结构的承载能力;另一方面,高强度螺旋箍筋的屈服应变较高,会为结构提供良好的变形能力。为研究高强螺旋箍筋方钢管复合约束混凝土柱的轴压性能,本文对20根内置高强螺旋箍筋方钢管混凝土柱,5根内置普通螺旋箍筋方钢管混凝土柱以及4根普通方钢管混凝土柱进行了轴压性能研究试验。从试验现象、柱子的破坏模式、荷载位移曲线、方钢管及螺旋箍筋的应变发展以及各组材料之间的内力分配情况等展开分析,并且同普通方钢管混凝土柱作对比。之后,进行试件参数分析,考察螺旋箍筋间距、混凝土抗压强度、方钢管外管壁厚以及螺旋箍筋屈服强度等参数对轴压性能的影响,并提出了极限承载力的简化计算方法,为工程应用提供依据。具体的研究内容如下:1)对29根柱构件进行轴压静载试验,试验结果为:内置高强螺旋箍筋能大幅度提高方钢管混凝土柱构件的承载力和变形能力,并且螺旋箍筋的间距越小承载力和延性就越高;通过内部螺旋箍筋的失效模式以及外钢管的鼓曲形态可以知道:高强螺旋箍筋的加入能有效阻止方钢管外管壁屈服后立即达到峰值承载力,弥补方钢管对内部混凝土约束不均匀的现象。与NSS螺旋相比,HSS螺旋的使用进一步提高了CFST柱的极限强度。在钢管混凝土柱的强度提高中,增加螺旋箍筋的数量比增加相同体积的钢管要有效得多。2)通过试验设计的参数分析可以清楚发现:螺旋箍筋的加入能够显著提高柱构件的承载力,并且螺旋箍筋间距越大(体积含箍率越高)构件的极限承载力和延性就越大;混凝土的抗压强度越大,柱构件的承载力就越大,相反延性就越低;方钢管外管壁越厚,柱构件的承载力就越大,延性发展也越大;结合箍筋应变和钢管应变分布情况,我们可以知道外钢管核心混凝土在受到方钢管约束产生不均匀变形后,螺旋箍筋会对变形起到一定的约束作用,从而使得核心混凝土受到的约束作用趋于均匀布置,减少不必要的非均匀形变。3)在参数分析的基础上,通过观察内置螺旋箍筋方钢管混凝土柱轴压全过程荷载分配图可以发现:螺旋箍筋主要作用是进入弹塑性阶段之后,一直持续到钢管混凝土的塑性变形阶段,并且螺旋箍筋间距越大,螺旋箍筋的内力贡献就越大。综合分析,这是因为螺旋箍筋的间距约密,对内部核心混凝土的约束就越充分,在方钢管屈服之后,外钢管开始出现鼓曲,内部核心混凝土约束不足承载力降低,这时螺旋箍筋开始发挥主要作用,螺旋箍筋间距越高(体积配箍率越大)这种作用效果就越明显。与此同时,提出了螺旋箍筋和方钢管复合约束核心混凝土柱构件的极限承载力计算公式,该简化计算结果与试验结果和理论结果吻合良好,验证了计算方法的准确性。
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