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分类号密级
UDC 编号
博士学位论文
螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱
受力机理及抗震性能研究
学科专业 结构工程
螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱受力机理及抗震性能研究
摘要
随着现代建筑不断向高耸和大跨方向发展,对结构柱承载能力和抗震
性能的要求日益提高。本文针对空腹式型钢混凝土柱因承载能力和抗震性
能不足,而在抗震要求更高的重载结构中的应用受到限制这一问题,结合
螺旋箍筋约束混凝土的优势,提出一种满足重载要求的新型结构柱:螺旋
筋约束增强空腹式型钢混凝土柱。该新型结构柱是将螺旋箍筋配置于空腹
式型钢混凝土柱的核心,即不影响梁柱节点的穿筋,又能与型钢骨架共同
工作,对核心混凝土形成复合约束,以提高其承载和抗震能力。通过对其
受力机理和抗震性能的系列研究,主要取得以下成果:
(1)通过19组不同尺寸螺旋箍筋约束混凝土试件的轴压试验,分析了
各参数,尤其是试件尺寸对其强度、变形、应力-应变关系、裂缝发展和破
坏模式的影响;采用多因素效应的析因分析法,研究了螺旋箍筋约束混凝
土宏观力学性能的尺寸效应特征,结果表明螺旋箍筋约束混凝土存在尺寸
效应;最后,结合国内外约束混凝土的应力-应变模型,基于试验结果,探
讨了螺旋箍筋约束混凝土的强度和变形计算方法。
(2)通过47个螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱试件、13个型钢混
凝土柱及复合螺旋箍筋混凝土柱对比试件的轴心受压静力加载试验,获取
了试件在轴压作用下的破坏过程和形态;通过对其荷载-变形曲线特性、截
面应变分布规律、以及损伤演化过程的分析,揭示了该新型柱的复合约束
轴压受力机理;分析了各变化参数对其极限承载力、轴压刚度和延性的影
响;并且,通过与空腹式型钢混凝土柱和复合螺旋箍筋混凝土柱的对比分
析,探讨了该新型柱承载力、刚度、延性及损伤等力学性能的改善效果。
结果表明,相比空腹式型钢混凝土柱和复合螺旋箍筋混凝土柱,该新型柱
在轴压下的承载力、刚度和延性均有很大的提高,能够满足重载的要求。
(3)通过28个螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱试件、9个型钢混
凝土柱及复合螺旋箍筋混凝土柱对比试件的偏心受压静力加载试验,观察
了压弯作用下试件的受力破坏过程及形态,获得了试件的荷载-挠度曲线、
荷载-应变曲线、刚度退化曲线和截面应变分布特征等;通过对非均匀受压
截面约束特性的分析,揭示了该新型柱的复合约束偏压受力机理;并分析
了各影响因素对其偏压承载力和抗弯刚度的影响;最后通过对比分析,探
讨了该新型柱偏压承载力和抗弯刚度的改善效果。结果表明,相比空腹式
型钢混凝土柱和复合螺旋箍筋混凝土柱,该新型柱在偏压下的承载能力和
抗弯刚度均有提高,其中对抗弯刚度的改善更为显著。
(4)在对螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱受力机理和失效模式的
研究基础上,考虑了混凝土所受到的复合约束效应,提出两种轴心受压承
载力计算方法:基于各国组合结构规范的修正计算方法和基于Mander本构
的分区计算方法。此外,探讨了非均匀受压下约束混凝土的有效约束力,
基于考虑了应变梯度修正的Mander本构,根据极限平衡理论和叠加原理,
提出了螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱偏心受压承载力计算方法。采
用上述计算方法对试件承载力进行计算,计算结果与试验结果的吻合均较
好;对于轴压承载力,采用基于Mander本构的分区计算方法精度更高。
(5)通过8个螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱、1个型钢混凝土柱
和1个复合螺旋箍筋混凝土柱的低周反复加载试验,观察了试件的损伤演
II
化过程,揭示其在反复荷载作用下
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