钢管ECC构件受扭性能研究

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钢管混凝土具有承载力高、易于施工、抗震性能优越以及良好的经济效益等优势,在桥梁、高层建筑以及工业建筑中具有广泛的应用。高韧性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)克服了混凝土拉伸应变低、脆性破坏等缺点,具有显著的受拉应变硬化特性、较高的拉应变以及优异的裂缝控制能力。将ECC取代核心混凝土内填于钢管中,形成钢管ECC构件。相比于钢管混凝土,钢管ECC构件能够有效提高构件的承载力、变形能力、延性、耗能能力,其细密裂缝开展机制能够有效提高构件的耐久性,但少有文献对钢管ECC构件的受扭性能进行研究。因此,本文针对钢管ECC构件的受扭力学性能展开了研究,以构件的长细比(4,7,13)和外部钢材(Q235钢,302不锈钢,6061铝合金)为变化参数,以钢管混凝土构件及空钢管为对比试件,结合试验研究及数值模拟,分析了钢管ECC构件在纯扭状态下的受扭力学性能。主要结果如下:(1)钢管的屈服强度越高时构件的受扭承载力越高;随着长细比的增加,构件的整体稳定性下降,构件的延性系数逐渐减小;在长细比相同时,构件的延性系数从大到小依次为:302不锈钢>6061铝合金>Q235钢;且302不锈钢管构件在水养以后外表面光滑,并未出现锈蚀,可在海水等易腐蚀的环境下工作。(2)当外部钢材相同时,构件的受扭承载力从大到小依次为:钢管ECC构件>钢管混凝土>空钢管;随着长细比的增加,构件受扭承载力逐渐减小,在45°方向产生的应变值逐渐增大,构件更易发生失稳从而导致破坏逐渐严重。(3)利用有限元模型对构件进行参数分析可知,当选取抗压强度为30MPa的ECC和90MPa的混凝土作为钢管内部填充材料时,钢管ECC构件的抗扭承载力高于钢管混凝土;随着长细比的增加,构件的抗扭承载力逐渐下降,且下降幅度越来越小,构件达到临界扭矩所对应的扭转角越大。(4)基于金伟良教授提出的钢管混凝土抗扭承载力计算公式,考虑构件的约束扭转剪切效应,修正了钢管混凝土的受扭承载力计算方法,并提出了钢管ECC构件受扭承载力计算方法,计算结果与试验结果吻合较好。
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