钢管约束混凝土短柱的静力性能和抗震性能研究

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本文对钢管约束混凝土短柱的力学性能进行了理论分析和试验研究,主要包括圆(方)钢管约束混凝土短柱的轴压力学性能,圆(方)钢管约束钢筋混凝土框架短柱与超短柱的滞回性能。具体工作如下:进行了10个圆钢管约束钢筋混凝土短柱和4个圆钢管约束型钢混凝土短柱试件的轴压力学性能试验研究,试验主要参数为钢管径厚比。分析了试件的破坏模式,分析了内置型钢和钢筋对圆钢管约束混凝土短柱轴压力学性能的影响,测得了试件的荷载-位移关系曲线、荷载-钢管全过程应变曲线。建立了圆钢管约束混凝土轴压短柱在最大承载力时的力学模型,首次从理论上推导了钢管在轴压峰值荷载时的力学平衡方程组,并求出了钢管在峰值荷载时应力的表达式,分析了钢管与混凝土之间的摩擦对圆钢管约束混凝土短柱轴压力学性能的影响。建立了短柱的有限元模型,基于有限元模型分析了钢管与混凝土之间的摩擦系数对钢管约束混凝土短柱承载力的影响。在试验研究、理论分析和有限元分析的基础上,建立了圆钢管约束混凝土短柱的轴压承载力公式。设计了2个圆钢管约束钢筋混凝土框架短柱试件和2个框架超短柱试件,进行了恒定轴压力作用下的低周往复水平加载试验,首次试验研究了圆钢管约束钢筋混凝土框架超短柱在水平往复荷载作用下的剪切破坏模式。测得了各试件的滞回曲线、荷载-钢管应变关系;对各试件的滞回性能、承载力和变形能力进行了分析。对钢管的应力进行了弹塑性全过程分析。分析了不同破坏模式下框架短柱与超短柱的破坏机理,以及钢管和混凝土之间的组合效应。建立了圆钢管约束钢筋混凝土柱受剪力学模型,提出了抗剪承载力计算公式。进行了9个方钢管约束钢筋混凝土短柱和4个方钢管约束型钢混凝土短柱的轴压力学性能试验研究,试验主要参数为钢管径厚比。分析了试件的破坏模式,分析了内置型钢和钢筋对方钢管约束混凝土短柱轴压力学性能的影响,测得了各试件的荷载-位移关系曲线、荷载-钢管(混凝土)全过程应变曲线。通过有限元模型分析了钢管与混凝土之间的摩擦系数对方钢管约束混凝土短柱轴压承载力的影响和轴压承载力的尺寸效应。根据试验结果,建立了方钢管约束混凝土的截面有效约束力模型。在试验研究、理论分析及有限元分析的基础上,建立了方钢管约束混凝土短柱的轴压承载力公式。设计了2个方钢管约束钢筋混凝土框架短柱试件和2个框架超短柱试件,进行了恒定轴压力作用下低周往复水平加载试验,测得了各试件的滞回曲线、荷载-钢管应变关系;对各试件的滞回性能、能量耗散规律和变形能力进行了分析同上。对钢管的应力进行了弹塑性全过程分析。分析了不同破坏模式下短柱与超短柱的破坏机理,以及钢管和混凝土柱之间的组合效应,研究了钢管加劲对钢管与混凝土之间组合效应的影响,建立了方钢管约束钢筋混凝土柱抗剪力学模型,提出了抗剪承载力计算公式。本文的主要创新点如下:(1)首次建立了考虑摩擦的圆钢管约束混凝土轴压短柱的力学模型,并建立了考虑临界剪应力与摩擦系数的有限元分析模型。理论模型与有限元分析及试验结果吻合较好。建立了物理意义明确的圆钢管约束混凝土短柱的统一轴压承载力公式。(2)首次试验得到了圆钢管约束混凝土框架柱的抗震剪切破坏模式,明确了其剪切破坏机理。采用有限元方法研究了摩擦系数和轴压比对其受剪力学性能的影响,建立了受剪力学模型,提出了抗剪承载力公式。(3)首次试验研究了纵筋失稳对方钢管约束钢筋混凝土短柱轴压力学性能的影响。分析了摩擦系数、钢管倒角等对短柱轴压力学性能的影响。首次建立了物理意义明确的截面外接圆有效约束模型和统一轴压承载力公式。(4)首次对方钢管约束钢筋混凝土框架柱进行了地震作用下的钢管应力弹塑性分析。研究了斜拉加劲肋对抗剪组合效应的影响,分析了摩擦系数和轴压比对其受剪力学性能的影响,建立了受剪力学模型,提出了抗剪承载力公式。
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