轻钢-混凝土芯柱组合体系单柱性能研究

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轻钢-混凝土芯柱组合体系是薄壁钢管与混凝土组合而成的新型结构体系,目前在国内的研究还是一个新领域,其中轻钢-混凝土芯柱组合体系又以柱子作为主要承重构件,因此有必要对轻钢-混凝土芯柱组合体系中的柱子进行研究,以了解柱子的竖向承载力、水平抗剪承载力、水平抗侧刚度、变形特征、破坏模式等性能。本文对6根轻钢-混凝土芯柱组合体系短柱进行了轴压试验,得出了不同截面形式下短柱承受轴向压力的受力性能;同时通过2根方芯柱和方柱的低周反复荷载试验,得到了柱子在低周水平荷载作用下的破坏形态、P滞回曲线以及抗震性能;最后本文用有限元程序对柱子进行了模拟分析,得出了与试验比较符合的有限元模型。本文通过对试验和分析,得出了如下结论:(1)片芯柱的离散性很大,加载速度、混凝土振捣密实程度,试件制作误差,初始偏心等因素均会影响片芯柱的抗压承载力,因此建议工程中不单独使用轻钢-混凝土芯柱组合体系中的片芯柱承受竖向荷载。(2)方芯柱虽然用蝶形连接件将四根方柱连接,具有一定的约束作用,但方芯柱的方钢管与混凝土并未完全形成一个整体共同作用。管内灌注混凝土后,单根方钢管与其内混凝土形成比较理想的钢管混凝土受力模式,整体性能较好。当方芯柱管内不灌灌混凝土时,在承受轴压荷载时,钢管的受力性能不能充分发挥,更接近素混凝土受力模式。(3)滞回性能试验研究表明,由于有混凝土作用,方芯柱FXZ-1100的初始刚度大于方柱FZ-1100的初始刚度,滞回环比后者饱满,方芯柱FXZ-1100的水平承载力约为方柱FZ-1100的3.5倍,延性系数约为2倍,说明在方柱加上混凝土组合之后,可很好的改善结构的受力性能。(4)柱子端部连接件由于其约束作用,可有效改善柱子端部受力,在工程应用中应尽量将基础梁上方第一个连接件靠近柱子端部放置。(5)Abaqus分析结果表明:对于无混凝土的方柱,连接件与方钢管间采用点与面连接模式的模型一与试验结果较为接近;而对于有混凝土的方芯柱,采用混凝土损伤模型建立的模型三能较好地模拟试验构件的荷载随位移变化情况。
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