焊接栓钉型钢混凝土柱复合受扭性能试验研究

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型钢混凝土结构具有承载力、抗震性能优良的特点,广泛应用在高层、大跨、重载结构。由于型钢表面光滑,为提高其与混凝土间黏结,通常在型钢表面焊接一定数量栓钉。实际工程中,型钢混凝土结构往往处于压弯剪扭复合受力作用下,尤其在地震作用下,扭矩的存在更加剧了构件的破坏。但目前关于复合受扭作用下型钢混凝土结构抗震性能研究不多,我国组合结构设计工程应用过程中也缺乏规范条文的科学性指导,因此,开展针对复合受扭作用下焊接栓钉型钢混凝土抗震性能的研究,为型钢混凝土结构的推广应用提供依据,意义重大。本文考虑了截面配钢率、纵筋配筋率、箍筋配箍率、栓钉间距及栓钉布置形式,设计了12个复合受扭作用下焊接栓钉型钢混凝土构件进行拟静力加载,观察了构件破坏形态发展,获取了全过程荷载、位移等数据,分析了各因素对构件的强度、刚度、耗能、延性等抗震性能的影响规律,给出合理的构造措施建议。考虑压弯剪扭相关性,结合等效叠加原理,提出了复合受扭下焊接栓钉型钢混凝土柱的抗扭承载力理论计算公式。最后,结合试验数据对理论计算公式进行改进,得到抗扭承载力经验计算公式。主要结论如下:(1)压弯剪扭复合作用下焊接栓钉型钢混凝土抗震性能试验构件最终破坏时,各面斜裂缝交叉连通,形成空间螺旋裂缝,为典型的扭形破坏。构件中、下部水平受拉裂缝与竖向受压裂缝间、斜向交叉裂缝间大面积混凝土压碎脱落。纵筋受拉屈服、箍筋、栓钉外露,构件破坏严重。(2)构件荷载-位移滞回曲线及扭矩-转角滞回曲线受截面配钢率、纵筋配筋率、箍筋配箍率、栓钉间距及栓钉布置形式等因素影响不大,前者呈饱满的梭形,后者呈反“S”形,捏拢特征明显。不同因素构件的骨架曲线上升段斜率相近,但下降段差异较大。焊接栓钉型钢混凝土抗弯耗能占主导地位,约为抗扭耗能的1.05~1.65倍,扭矩的存在对构件抗弯变形产生了不利影响。(3)随着截面配钢率、配筋率、配箍率的提高,构件抗弯、抗扭抗震性能均有改善。适当缩小栓钉间距对构件等抗弯抗震性能有提高作用,但提升效果并不是一直随着栓钉间距缩小而增大,过密的栓钉间距反而降低提高的效果。箍筋采用细而密的配置较粗而疏的配置对构件耗能能力、刚度退化、延性、变形等扭转抗震性能提升效果更好。栓钉布置形式中,单双、“X”形栓钉布置对构件变形、延性、耗能等抗震性能提升效果最优,翼栓钉较腹板栓钉更能发挥抗扭作用。(4)基于变角空间桁架模型理论,采用等效、简化原理,得到复合受扭作用下焊接栓钉型钢混凝土统一强度方程,再结合叠加理论得到构件扭矩承载力理论计算公式。最后,考虑型钢与混凝土协同工作增强作用、栓钉增强作用,结合试验数据给出了压弯剪扭复合作用下焊接栓钉抗扭承载力拟合计算公式。
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