圆钢管再生自密实混凝土偏压柱力学性能试验研究与理论分析

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钢管混凝土作为一种主要的组合结构,具有承载力高、用钢量少、延性和耐火性好、施工方便和造价低等特点。在城市化进程中,需要开采大量的天然骨料,同时,很多改造工程、旧构筑的拆除将产生大量废弃混凝土,这既导致了环境的破坏又造成了资源的浪费,将再生混凝土应用于结构工程领域,可以实现对废弃混凝土的回收再生利用,已有研究表明,再生混凝土能满足材料功能和结构使用的要求。但混凝土在钢管中密实效果不佳,钢管中易出现蜂窝等缺陷,不仅影响核心混凝土的强度,还导致钢管对核心混凝土的约束作用得不到有效发挥。自密实混凝土在自身重力或轻微振捣的情况下就能达到良好的自密实效果,不仅保证了核心混凝土的密实度,而且简化施工程序、缩短工期,显著降低工程造价。因此,本文开展偏心受压作用下的圆钢管再生自密实混凝土柱力学性能试验研究与理论分析。开展圆钢管再生自密实混凝土柱偏压性能试验研究,考虑再生粗骨料取代率、混凝土强度等级、长径比和偏心距对试件刚度、延性、承载力、应变、挠度、曲率的影响。结果表明,圆钢管再生自密实混凝土偏压短柱发生弯曲屈曲破坏,属于强度破坏,圆钢管再生自密实混凝土偏压中长柱最终因丧失稳定而发生破坏,属于弹塑性失稳破坏。随着再生粗骨料取代率的增加,试件极限承载力降低但降低幅度不明显,延性系数增大,刚度退化减缓,应变增长速度增大,挠度和曲率增长速度增大。随着混凝土强度等级的增加,试件极限承载力增大,延性系数有所提高,刚度退化减缓,应变增长速度减慢,挠度增长速度增大而曲率增长速度减小。随着长径比或偏心距的增加,试件极限承载力显著降低,试件延性系数降低,刚度退化加快,应变、挠度和曲率增长速度均加快。在试验研究基础上,考虑再生粗骨料取代率影响,提出钢管对再生自密实混凝土等效紧箍力的计算公式,根据极限平衡法和压溃原理,推导偏压短柱承载力计算公式。根据轴力-弯矩方程,引入再生粗骨料取代率影响系数和稳定系数,提出偏压中长柱承载力计算公式。考虑再生粗骨料取代率和长径比修正系数的影响,通过曲率法建立试件刚度计算模型,提出圆钢管再生自密实混凝土偏压柱的截面刚度计算公式。基于分层法,利用MATLAB软件,进行圆钢管再生自密实混凝土偏压柱的全过程分析,考虑钢材屈服强度、含钢率、混凝土强度等级和长径比对试件承载机理的影响规律。在试验研究的基础上,采用两阶段方程分别代表试件的弹性阶段和塑性变形阶段,建立试件应力-应变关系模型、弯矩-曲率关系模型和荷载-挠度关系模型,考虑再生粗骨料取代率、长径比、偏心距和套箍系数对关系模型的影响,模型计算结果与试验结果吻合较好。合理选取钢材和再生自密实混凝土的应力-应变关系,借助有限元分析软件ABAQUS,定义实体间的接触和约束,创建荷载和边界条件,设置分析步,确定单元类型与划分网格,建立圆钢管再生自密实混凝土偏压柱有限元分析模型,分析钢材屈服强度、含钢率和混凝土强度等级对关系模型的影响,揭示钢管与核心再生自密实混凝土在加载过程中的工作机理。
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