波纹腹板H型钢部分包裹混凝土柱偏压性能与设计方法研究

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波纹腹板H型钢部分包裹混凝土柱(简称波纹腹板PEC柱)是在PEC柱的研究基础上,为了提高PEC柱的压弯性能,结合波纹腹板的设计理念而设计出的具有重大意义和创新性的钢-混凝土组合柱。本文进行了波纹腹板PEC柱的偏压试验,对极限承载力进行理论分析并采用ABAQUS软件进行了有限元模拟分析,对波纹腹板PEC柱的偏压性能进行了研究,本文开展的主要工作及研究成果如下:1.开展了12根波纹腹板PEC柱以及2根平腹板PEC柱的偏压试验,考察了腹板波纹方向、翼缘宽厚比、荷载偏心距对波纹腹板PEC柱的影响,研究发现:波纹腹板PEC柱在偏心受压下的变形趋势基本一致,先是受拉区混凝土产生裂缝,裂缝向受压区延伸,峰值荷载后,受压翼缘逐渐鼓曲,受压区混凝土脱落。2.波纹腹板PEC柱中的型钢和横向连杆对混凝土产生了明显的套箍效应。翼缘宽厚比越小,套箍效应越强。小偏心荷载下,竖向波纹腹板对混凝土的套箍效应更强,大偏心荷载作用下,横向波纹腹板对混凝土的套箍效应更强。3.对波纹腹板PEC柱的荷载-位移曲线、挠度和侧向挠曲变形以及力学性能特征点进行分析,研究表明:(1)不同腹板波纹方向的PEC柱的峰值承载力以及初始刚度大小关系为竖向波纹腹板PEC柱>平腹板PEC柱>横向波纹腹板PEC柱,小偏心荷载时横向波纹腹板PEC柱的延性更好。(2)随着翼缘宽厚比的减小,波纹腹板PEC柱的延性提高,峰值承载力及初始刚度增大,峰值后变形能力下降,侧向抗弯刚度增大。(3)随着荷载偏心距的增大,波纹腹板PEC柱的峰值承载力及初始刚度下降,延性提高,峰值后变形能力提高,对侧向抗弯刚度影响较小。4.通过介绍国外的PEC柱设计规范及国内的型钢混凝土柱设计规范,并基于已有规范,结合有限元模拟和公式拟合推导出了波纹腹板PEC柱在偏心受压下的极限承载力计算公式,计算值与试验值吻合较好,验证了公式的可靠性,可以为后续的波纹腹板PEC柱的研究提供一定的参考。5.利用ABAQUS软件建立了波纹腹板PEC柱的有限元模型,并对应第三章的偏压试验进行了有限元模拟,与相应的试验结果做了对比。通过有限元模拟可以看出:建立的有限元模型能够明显的模拟出型钢翼缘的鼓曲变形,实现型钢翼缘与混凝土的逐渐分离可视化,模拟结果与试验结果吻合度较高;横向波纹腹板PEC柱模型强力约束区域集中在混凝土与翼缘接触区域,竖向波纹腹板PEC柱模型强力约束区域集中在混凝土与横向连杆的接触区域。
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