UHPC预制管混凝土组合柱极限承载力研究

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当前,大量钢筋混凝土(Reinforced concrete,简称RC)柱墩的病害调查资料表明,由于超载作用、环境腐蚀和泥沙冲刷等因素,造成RC柱墩普遍出现较为严重的病害,如混凝土保护层出现碳化、截面开裂、钢筋锈蚀鼓胀等,修复难度大,后期维护成本高,存在诸多不可预见的风险。因此,为从根本上解决现有RC柱墩的病害,本研究基于超高性能混凝土(Ultra high performance concrete,简称UHPC)的超高强度、高耐久性和强抗裂抗渗能力,提出了以预制的配筋UHPC为外模,内浇素混凝土,形成UHPC预制管混凝土组合柱,预期其可有效提升组合柱的耐久性和承载力。然而,目前对UHPC预制管混凝土组合柱的试验和理论研究较为少见。为此,本文将对UHPC预制管混凝土组合柱开展轴压与偏压试验及极限承载力研究,具体内容如下:(1)以配箍率和长细比为主要参数,对6根UHPC预制管混凝土组合柱、1根常规钢筋混凝土柱和1根UHPC预制管空心柱开展轴压试验研究,深入探讨其受力特性、面内整体破坏机理、荷载-位移曲线、紧箍效应、极限承载力等。轴压试验研究表明,随着配箍率的增加,组合柱整体刚度增大,紧箍效应逐渐增强,构件极限承载力有明显提升;随着长细比的增加,构件轴向位移明显增大,延性改善,极限承载力逐渐降低。(2)以偏心率为主要参数,对3根UHPC预制管混凝土组合柱开展偏心受压试验研究,获得了UHPC预制管混凝土组合柱在偏压荷载下的破坏模式、挠度分布曲线、荷载-应变曲线以及极限承载力等特性,深入了解该类组合柱的受力过程和紧箍效应。偏压试验研究表明,随着偏心率的增加,试件表现出更为明显的面内弯曲,组合柱整体刚度和极限承载力均逐渐降低,UHPC预制管对内部混凝土的紧箍效应更早发生且不断增大。(3)应用ABAQUS通用程序,选取合适的材料本构关系、边界条件和加载制度等,建立了UHPC预制管混凝土组合柱的有限元计算模型,并拓展参数分析,参数包括UHPC强度、径厚比、配箍率、箍筋屈服强度、配筋率、混凝土强度、长细比和偏心率。参数分析结果表明,UHPC强度、径厚比、混凝土强度、配箍率、长细比和偏心率是影响UHPC预制管混凝土组合柱极限承载力的重要参数。(4)在试验研究、参数分析结果和理论推导的基础上,借鉴钢管混凝土结构设计规范,提出轴压组合短柱承载力、稳定系数及偏压承载力折减系数的计算公式,并最终建立了简捷实用的UHPC预制管混凝土组合柱轴压和偏压极限承载力的计算方法。公式计算结果与试验值和有限元分析值均吻合良好,同时得到工程实例的验证。
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