端部型钢开孔混凝土柱抗震性能研究

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型钢混凝土柱作为型钢混凝土结构中重要的构件之一,在整体结构中不仅要承担上部结构传递的竖向荷载,而且还要承担梁传递的水平荷载及竖向荷载产生的附加弯矩。因此在抗震设计中,型钢混凝土柱需具备一定的承载力、刚度、延性及耗能能力。为充分发挥型钢混凝土柱的抗震性能,在实际工程中常在型钢表面布置抗剪连接件以确保型钢与混凝土之间具有较好的协同受力性能。开孔型钢抗剪连接件具有施工方便及抗剪性能优越等特点。将该连接件应用至型钢混凝土柱中,可有效增大型钢截面面积或减小构件尺寸。此外,穿孔箍筋会提高对核心混凝土的约束作用,可进一步增强型钢混凝土柱的抗震性能,但翼缘开孔会对型钢的刚度造成一定的削弱。鉴于开孔型钢抗剪连接件对型钢混凝土柱的抗震性能具有既加强又削弱的特性,将该连接件应用至型钢混凝土柱中,对其抗震性能进行研究具有一定的实际应用价值。因此,本文通过拟静力试验、数值模拟及理论分析对端部型钢开孔混凝土柱的抗震性能开展相关研究,主要内容及研究结果如下:(1)对轴压比为0.25、剪跨比为2.5的端部型钢开孔混凝土柱进行低周往复加载试验,分析其破坏现象及破坏形态,同时对滞回曲线、骨架曲线、耗能能力及延性等进行分析。结果表明:布置开孔型钢抗剪连接件的型钢混凝土柱滞回曲线饱满且无捏缩,承载力达到峰值荷载后下降缓慢,具有较好的延性及抗震性能,试件最终发生弯曲破坏。(2)运用有限元软件ABAQUS建立试件的验证模型,在数值模拟方法的准确性及适用性得到验证后,探究轴压比、剪跨比、开孔直径、开孔间距、开孔排数及含钢率对柱抗震性能的影响,并给出相应的设计取值范围。此外,对采用栓钉作为抗剪连接件的型钢混凝土柱进行数值模拟分析。结果表明:验证模型的数值模拟结果与试验结果较为吻合,裂缝发展及最终破坏位置基本一致;开孔直径、开孔排数及开孔间距的改变对端部型钢开孔混凝土柱承载力影响较小,但对延性影响较大;随着剪跨比的增大,试件的峰值荷载呈下降趋势,延性不断提高,累积耗能先上升后下降;随着轴压比的增大,试件的峰值荷载先上升后下降,延性及累积耗能不断下降;随着含钢率的提高,试件的承载能力、延性及耗能能力均有不同程度的提升;采用栓钉抗剪连接件的型钢混凝土柱虽然峰值荷载高出端部型钢开孔混凝土柱13.9%,但延性相对较弱。(3)依照试验设计参数,采用国内外的相关规程对型钢混凝土柱的正截面承载力进行计算并对比分析。基于改进叠加法提出适用于端部型钢开孔混凝土柱正截面承载力的修正公式,与试验和有限元结果进行对比,结果表明三者吻合良好,可应用于实际工程中端部型钢开孔混凝土柱正截面承载力的计算。
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