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型钢与混凝土之间的粘结是影响型钢混凝土结构破坏形态、承载能力、裂缝和变形的重要因素,也是进行结构或构件非线性有限元分析的关键问题。为改进型钢混凝土结构的强度、刚度、变形、裂缝宽度计算理论以及进行有限元分析提供试验依据,进行了12个型钢混凝土试件的推出试验,对型钢混凝土的粘结机理、粘结强度和粘结滑移本构关系等进行了研究。主要成果如下:
(1)采用型钢内贴应变片的方法,分析了型钢和混凝土之间粘结应力的产生和应力模式的转换规律。
(2)应用应变梯度塑性理论,分析了混凝土滑移带内部的剪切应变规律,推导了剪应力与剪切滑动位移的关系及剪切滑移切向速度表达式。
(3)试验表明,局部最大粘结应力发生在试件加载端,并与混凝土立方体抗压强度成线性增长关系;型钢翼缘和腹板表面粘结应力沿粘结锚固方向呈指数分布,且翼缘表面的粘结应力大于腹板表面的应力。
(4)考虑混凝土强度、混疑土保护层厚度、横向配箍率、型钢锚固长度与截面高度比对型钢混凝土极限粘结强度的影响,提出了极限粘结力的计算公式;通过对粘结滑移试验曲线模型化和粘结应力分析,建立了型钢-混凝土的粘结滑移本构关系。
另外,随着高强钢材和高强高性能混凝土的应用,用高强材料制成的型钢混凝土柱子变的更加细长。要合理地建立长柱的强度、刚度和变形计算方法,就必须对钢骨混凝土柱在较大长厚比(l/h)范围内承受轴压和偏压的情况进行系统的研究。为此,本文进行了6根型钢高强混凝土轴压长柱和10根偏压长柱的试验研究,编写了型钢混凝土长柱全过程分析程序,对3000根不同材料强度、偏心率和长厚比等参数组合的长柱进行了数值计算,通过与试验结果对比,提出了长柱的刚度和承载力计算方法。
研究取得的主要成果如下:
(1)随着初始偏心距及长厚比的增大,偏心受压长柱的承载力降低;随着混凝土强度的提高,轴心受压长柱的承载力提高较大,而偏心受压长柱尤其是大偏压长柱的承载能力提高的很小。在极限荷载时偏压柱混凝土的极限压应变随试件长厚比和偏心距的增大而降低,钢材强度也得不到充分利用。因此,建议钢骨混凝土偏压长柱的偏心率应当控制在0.5以内,长厚比应当控制在20以内。钢骨混凝土轴心受压长柱的长厚比应控制在23以内。 (2)随着偏心距的增大,柱子的刚度降低;但是,随着长厚比的增大,柱子的刚度在增大,在接近极限荷载时型钢和纵向钢筋的非弹性性质也对柱子刚度有一定影响。
(3)考虑材料非线性、几何非线性以及型钢与混凝土的粘结滑移,编制了型钢混凝土长柱的荷载-变形全过程分析程序,进行了3000根模拟柱的分析,对短期荷载作用下,影响型钢混凝土组合长柱抗弯刚度的参数进行了理论分析和数值模拟,提出了两种刚度设计表达式,并提出了一种估计混凝土和型钢截面初始尺寸的方法。
(4)随着初始偏心距和长厚比的增大,偏心受压试件的安全储备降低。通过探讨强度叠加原理对于SRC长柱设计的适用原则,在试验研究和数值分析的基础上对传统的强度叠加法的公式进行了修改,提出了型钢混凝土长柱的承载力计算公式。