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结构物的维修、加固、改造技术的开发和研究是21世纪结构工程工作者面临的重大课题。虽然目前有一些针对混凝土结构物的主要承重构件之一的钢筋混凝土柱的加固方法,但这些方法仍存在局限性,因此有必要寻求一种技术先进、经济合理、施工快捷、适用范围较广的钢筋混凝土柱加固方法。采用钢套方法来加固混凝土柱是一种合理的选择,该法根据加固后截面形状的不同可分为圆形钢套管和角钢一钢箍套加固两种形式,其中对圆形钢套管加固的混凝土柱国内外研究很少,对角钢一钢箍套形式虽有一定的试验研究,但缺乏系统的理论与试验基础。
本研究首先通过对模型短柱试件在轴心、偏心受压荷载作用下以及模型中长柱试件在轴心受压荷载作用下的试验研究,就钢套加固混凝土柱的试件破坏特点、极限承载力、荷载一变形曲线特点等构件基本力学性能进行了探讨,分析了各种因素对加固后构件极限承载力和变形等力学特性的影响。其次,针对加固前后柱内混凝土的特点,采用不同的混凝土本构关系,编制了钢套加固混凝土柱的模拟全过程分析程序,并进行了计算结果与试验结果对比。利用分析程序,进一步分析了不同参数变化对钢套加固后构件力学性能的影响;同时通过对具体算例的计算,对不同钢套形式的经济性进行对比分析。最后,基于试验结果和既有的钢管混凝土、配箍钢筋混凝土柱的计算理论,分别提出了适用于钢套管加固和角钢一钢箍套加固混凝土柱的极限承载力计算方法,利用大量模拟试件的计算结果,对所提计算公式的合理性和适用性进行验证。
本研究取得的主要创新性成果如下。
(1)进行了采用圆形钢套管加固混凝土柱构件的轴心受压短柱、轴心受压中长柱和偏心受压短柱基本力学性能的系统试验研究以及模拟全过程分析研究。采用圆形钢套管加固混凝土柱能较大程度地提高柱的极限承载能力和延性。圆形钢套管加固混凝土柱的极限承载力随着加固钢套管厚度的增加而增大,随着柱的长细比的增加、偏心率的增大而减少。在完全卸载及不完全卸载加固的情况下,加固前柱的初始轴压力的大小对加固柱的极限承载力影响不明显。
(2)进行了采用角钢(钢板)---钢箍套加固混凝土柱构件的轴心受压短柱基本力学性能的较系统试验研究以及模拟全过程分析研究。角钢(钢板)---钢箍套加固混凝土柱的极限承载力随着加固角钢(钢板)的含钢率的增加而增大,随着加固钢箍套的间距、柱的长细比的增加、偏心率的增大而减少。加固前柱的初始轴压力的大小对加固柱的极限承载力影响也不明显。
(3)基于圆形钢套管加固混凝土柱构件的试验结果和既有的钢管混凝土计算理论,提出了适用于圆形钢套管加固混凝土柱构件极限承载力的计算方法。基于角钢(钢板)一钢箍套加固混凝土柱构件的试验结果和既有的配箍钢筋混凝土柱构件的计算理论,提出了适用于角钢(钢板)一钢箍套加固混凝土柱构件极限承载力的计算方法。所提出的关于这两种加固混凝土柱的计算方法的公式形式简单、力学概念清晰,计算结果和模拟全过程分析结果吻合较好,可直接应用于工程实践。
(4)针对加固混凝土柱的角钢(钢板)—铜箍套方法,构造了和不同梁柱节点形式相配套的节点区加固角钢(钢板)方法,通过系列试验对这些节点区方法的可行性进行论证,结果表明,加固节点区的承载力能够得到提高,但由于节点区难于保证较密的钢箍套的设置,承载力提高的幅度较柱身的小。