双C轻钢部分包裹FSLC组合柱(强轴)压弯性能研究

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装配式轻钢房屋是实现绿色建筑产业化升级的重点,但轻钢构件竖向承载能力低,且抗侧刚度不足、易失稳,制约轻钢房屋向多层发展。鉴于此,课题组将双C轻钢与纤维增强自密实轻骨料混凝土(FSLC)两种轻质材料相结合,提出一种新型双C轻钢部分包裹FSLC组合柱以提高轻钢构件力学性能和稳定性。该新型组合结构可充分发挥两种轻质材料“1+1>2”的组合优势。力学性能方面,轻钢与FSLC互相约束,提高构件承载能力和抗侧刚度,改善轻钢构件的抗屈曲能力;施工方面,具有施工速度快、节省模板、可预制性及可装配性等优点;防火保护、防腐涂装方面,相比纯钢构件具有防火、防腐性能好等优点。因此,新型组合构件在已建轻钢结构中钢构件的加固、改造,以及多层轻钢房屋的设计使用中有广阔的应用前景。目前,尚未见“双C轻钢部分包裹FSLC组合柱”体系的系统报道。轴压柱、压弯柱是工程应用中最基本的受力构件,明确新型组合柱的破坏机理及受压特性能够为组合柱的推广应用提供理论支撑。课题组前期研究了组合柱在轴压下的力学特性,但对组合柱在压弯作用下的力学特性尚未开展相关研究,鉴于此,本文采用试验研究、有限元模拟和理论分析相结合的方法,针对新型组合柱开展其在压弯作用下的破坏机理及力学性能研究。主要研究内容及研究结论如下:(1)双C轻钢部分包裹FSLC压弯柱的破坏机理分析:通过对试件破坏形态和有限元模拟分析,发现新型组合柱的压弯性能既有传统钢筋混凝土柱的破坏特征,同时具备与型钢部分包裹混凝土(PEC)组合柱相似的钢与混凝土协同工作特性;相对偏心距较小的试件,从混凝土开裂至试件破坏时间历程短,无明显破坏预兆,为脆性破坏;相对偏心距较大的试件,从混凝土开裂至试件破坏时间历程长,破坏预兆明显,为延性破坏。(2)双C轻钢部分包裹FSLC压弯柱的试验全过程分析:结合试验现象和量测结果分析可知,新型组合柱的压弯受力模式与上下两端铰接状态的静定柱相吻合,柱中控制截面的沿截面高度竖向应变分布基本符合平截面假定;偏心距的增大会使压弯柱的承载能力和正常使用阶段抗弯刚度显著降低,但延性系数显著提高;混凝土强度等级和缀板间距对压弯柱的承载能力、延性系数和正常使用阶段抗弯刚度影响较小;轻钢厚度和翼缘宽度的提高,能有效提高压弯柱的承载能力、延性系数及正常使用阶段抗弯刚度。(3)双C轻钢部分包裹FSLC压弯柱的承载力计算公式分析:基于极限强度理论,建立压弯柱力和弯矩的平衡方程,以此得到压弯柱的极限承载力计算公式,并提出承载力的修正系数,修正后的公式计算值精度更高且偏于安全。研究意义:双C轻钢部分包裹FSLC组合柱有望破解轻钢房屋向多层发展的技术难题,实现“材料高性能”向“结构高性能”的跨越;而双C轻钢部分包裹FSLC压弯柱的研究将为双C轻钢部分包裹FSLC组合柱的推广应用提供理论依据。
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