高温下型钢与活性粉末混凝土粘结滑移的试验研究

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随着近年来新型材料的研究以及高层建筑的发展,型钢混凝土(Steel Reinforced Concrete)结构和活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete)材料受到了学者们的关注,而二者的结合继承了SRC的高强度、抗震性能好等优点,同时也具有RPC高耐久性能等特点。型钢活性粉末混凝土(SRRPC)结构因具备以上特点,近年来成为了研究的热点。另外,由于近年来火灾的高频发率,国内外研究学者对火灾下、火灾后型钢混凝土组合结构的力学性能、耐火性能以及相应有限元模拟进行了大量的研究,揭示了型钢混凝土组合结构在高温条件下的反应和破坏机理,得到了许多重要的成果。尽管如此,国内外对于型钢活性粉末混凝土结构的研究目前还停留在常温阶段,没有相关文献研究其高温中的性能,而相同火灾条件下,由于型钢活性粉末混凝土的高含钢率,使得其相比其他结构构件破坏更加严重。因此高温下型钢活性粉末混凝土的性能研究具有重大指导意义,本文通过对7个不同温度下(20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃)的型钢活性粉末混凝土试件进行推出试验,探究温度对高温下粘结性能的影响,分析了试件裂缝分布、荷载-滑移曲线(P-S曲线)。提出了高温下型钢与RPC粘结滑移分段本构方程,为火灾下型钢活性粉末混凝土结构的抗火设计理论的发展提供理论支持和火灾损伤评估提供依据。通过高温下型钢活性粉末混凝土推出试验结果分析和后续理论推导可知:型钢活性粉末混凝土试件加载端与自由端截面破坏形态基本相同,裂缝形态主要为延型钢翼缘处45°斜裂缝,延型钢翼缘处水平裂缝。随着温度的升高,裂缝方向由水平方向向45°方向转变。在升温试验中,试件各测点温度增长趋势基本相同,温度曲线呈“S”形,最终各测点温度趋于一致。部分高温试件,如SRRPC-5~SRRPC-7试件产生了高温爆裂现象,使得部分测点升温速率明显加快。给出了型钢活性粉末混凝土粘结荷载-滑移(P-S)曲线,按照变化趋势将曲线分为五个阶段:纵向段、增长段、突变段、下降段和水平段。随着温度的升高,P-S曲线中纵向段消失,下降段范围逐渐减小。分析了高温对粘结滑移机理的影响,随着温度的升高,摩擦力在粘结力中的比例逐渐增大,并给出了高温下摩擦力占比计算公式。随着温度的增加,型钢活性粉末混凝土试件极限粘结荷载P_u和残余粘结荷载P_r逐渐下降。温度达到300°C之前时,P_u和P_r以较快的速率下降,温度达到300°C之后P_u和P_r的下降速率明显变缓。相比SRRPC-1(常温试件),SRRPC-2~SRRPC-7试件极限粘结荷载下降幅度为18.59%、35.59%、71.90%、81.18%、84.64%和92.2%;SRRPC-2~SRRPC-7试件残余粘结荷载下降幅度为14.97%、31.43%、67.24%、75.07%、77.25%和87.62%。随着温度的升高,SRRPC-2~SRRPC-7试件极限滑移量逐渐增大。通过数据拟合,给出了高温下型钢活性粉末混凝土极限粘结荷载,极限粘结荷载对应的滑移量以及残余粘结荷载的计算公式。根据τ-S曲线有无纵向段,将τ-S曲线分成两类,给出了不同曲线的模型简图和高温下型钢活性粉末混凝土的粘结滑移本构方程。本构方程所得到的τ-S曲线与试验τ-S曲线基本吻合,能较好地反映型钢活性粉末混凝土柱在高温下的粘结滑移曲线形态特征,对型钢活性粉末混凝土柱的抗火设计具有指导意义。本文介绍了型钢活性粉末混凝土试件粘结滑移模型的以及弹簧单元在ABAQUS中的建立过程,并给出了有助于弹簧生成划分方式以及弹簧分布图。模拟得到的P-S曲线和与试验P-S曲线基本吻合,型钢活性粉末混凝土粘结滑移模型的具有一定的有效性,得出的模拟结果也可以用于验证试验结果。给出了型钢在到达极限粘结荷载前不同时刻下的应力云图,结合应力云图中弹簧单元的变化,对型钢活性粉末混凝土粘结过程进行分析,验证在试验分析中的推论。
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