圆钢管自应力钢渣混凝土柱约束机理及力学性能研究

本项目针对新型圆钢管自应力钢渣混凝土柱，以圆钢管自应力钢渣混凝土膨胀性能研究为基础，以圆钢管自应力钢渣混凝土柱力学性能研究为主线，重点解决静力荷载和低周反复荷载作用下圆钢管自应力钢渣混凝土柱的破坏形态、约束机理、受力性能、计算理论等关键问题。（1）开展钢渣混凝土材料配合比试验研究，分析钢渣掺量、钢渣取代率、钢渣砂粒径范围、水灰比等因素对钢渣混凝土抗压强度和膨胀性能的影响规律，揭示钢渣混凝土的破坏形态与膨胀机理，提出适用于钢管自应力混凝土的钢渣混凝土配合比、抗压强度和膨胀率的计算方法。在此基础上，开展补偿收缩钢渣混凝土柱轴压试验研究，揭示补偿收缩钢渣混凝土柱破坏形态和机理，建立补偿收缩钢渣混凝土柱强度、变形、弹性模量、泊松比及应力-应变关系的计算模型。（2）开展圆钢管钢渣混凝土柱膨胀性能研究，分析钢管约束下钢渣混凝土的自应力发展过程、特点及其影响因素，揭示构件的膨胀机理，提出构件自应力的计算方法。在此基础上，开展圆钢管自应力钢渣混凝土柱静力性能研究，分析长径比、径厚比、钢渣混凝土膨胀率和偏心距等因素对构件承载性能与破坏机理的影响，提出构件承载力、变形、刚度的计算方法，建立构件应力-应变关系、荷载-挠度关系和弯矩-曲率关系的计算模型。（3）开展圆钢管自应力钢渣混凝土柱抗震性能研究，分析轴压比、剪跨比、径厚比和钢渣混凝土膨胀率等因素对破坏形态、破坏机理、承载力、刚度、延性、滞回曲线、骨架曲线以及耗能能力的影响规律。提出低周反复荷载作用下构件的承载力、轴压比限值、刚度、延性系数的计算方法，确定构件骨架关系曲线和滞回规则，建立构件的恢复力模型。本项目研究为固体废弃物大宗量利用提供一种有效的途径，保护环境，节约自然资源。同时为工程结构提供更为经济合理的结构体系，显著降低工程造价，具有广阔的工程应用前景和发展空间。

本项目以圆钢管自应力钢渣混凝土柱为研究对象，采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合方法，研究圆钢管自应力钢渣混凝土的膨胀性能，分析钢管约束下钢渣混凝土的自应力发展特点，揭示圆钢管钢渣混凝土的膨胀机理，提出圆钢管钢渣混凝土自应力的计算方法。研究静力荷载作用下圆钢管自应力钢渣混凝土柱承载性能与破坏机理，提出轴压和偏压荷载作用下圆钢管钢渣混凝土柱承载力、刚度、变形、荷载-位移关系的计算方法，建立圆钢管钢渣混凝土柱的应力-应变关系模型。研究低周反复荷载作用下圆钢管自应力钢渣混凝土柱破坏形态、受力机理和耗能机制，分析各因素对构件动力特性与抗震性能的影响规律，提出圆钢管自应力钢渣混凝土柱承载力、刚度退化、轴压比限值和延性系数的计算方法，建立圆钢管自应力钢渣混凝土柱的恢复力模型。本项目研究为钢管钢渣混凝土柱的设计以及在土木工程中的应用奠定基础，同时促进固体废弃物的再利用，具有重要的理论意义与现实意义。

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 FRP对性能不足的混凝土柱修复和加固的应用研究

1．3 FRP约束混凝土柱受压性能的国内外研究现状

1．3．1 轴心受压性能

1．3．2 应力-应变关系模型

1．3．3 偏心受压性能

1．3．4 数值模拟

1．3．5 FRP-混凝土-钢新型组合柱

1．4 主要研究内容及意义

1．5 本章小结

第二章 FRP约束混凝土柱的轴压性能研究Ⅰ：应力-应变关系模型和数值模拟

2．1 引言

2．2 轴压下FRP约束混凝土应力-应变关系统一模型

2．2．1 应力-应变关系曲线

2．2．2 转折点应力和应变

2．2．3 极限破坏点应力

2．2．4 极限破坏点应变

2．2．5 模型验证

2．3 FRP对混凝土强弱约束的判别模型

2．3．1 已有的强弱约束判别模型

2．3．2 建议模型

2．4 轴压下FRP约束混凝土柱的数值模拟

2．4．1 问题的提出

2．4．2 单元类型和材料模型选取

2．4．3 有限元模型

2．4．4 数值模型验证

2．4．5 数值结果分析

2．5 本章小结

第三章 FRP约束混凝土柱的轴压性能研究Ⅱ：强度和极限应变模型

3．1 引言

3．2 已有模型

3．2．1 主要影响参数

3．2．2 已有的强度模型

3．2．3 已有的极限应变模型

3．3 对已有模型的评估

3．3．1 试验数据采集

3．3．2 对已有强度模型的评估

3．3．3 对已有极限应变模型的评估

3．4 建议模型

3．5 本章小结

第四章 FRP约束钢筋混凝土柱的偏压性能研究

4．1 引言

4．2 偏压下FRP约束钢筋混凝土柱的数值模拟

4．2．1 单元类型和材料模型选取

4．2．2 有限元模型

4．2．3 数值模型验证

4．2．4 数值结果分析

4．3 基于数值模型的数值试验

4．3．1 试验设计及结果分析

4．3．2 柱中部受压区混凝土最大应力和最大应变的计算

4．4 偏压下FRP约束钢筋混凝土柱承载力计算模型

4．4．1 承载力分析模型

4．4．2 承载力设计模型

4．5 偏压下FRP约束钢筋混凝土柱P-M关系模型

4．5．1 P-M关系简化计算模型

4．5．2 简化模型验证

4．5．3 基于简化计算模型的参数分析

4．6 本章小结

第五章 FRP-混凝土-钢混合双管柱的轴压性能研究

5．1 引言

5．2 FRP与钢双管约束混凝土应力-应变关系理论模型

5．2．1 变形协调假定

5．2．2 平面应变条件下受力分析

5．2．3 材料本构关系及破坏准则选取

5．2．4 理论模型计算流程

5．2．5 理论模型验证

5．2．6 基于理论模型的参数分析

5．3 轴压下FRP-混凝土-钢混合双管柱的数值模拟

5．3．1 单元类型和材料模型选取

5．3．2 有限元模型

5．3．3 数值模型验证

5．3．4 数值结果分析

5．4 加载方式对FRP-混凝土-钢混合双管柱轴压性能的影响

5．4．1 不同加载方式下轴压性能的理论分析

5．4．2 算例分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要工作及结论

6．2 主要创新点

6．3 有待解决的问题

附录

附录A FRP约束混凝土柱轴压试验资料

附录B FRP约束钢筋混凝土柱偏压试验资料

附录C FRP-混凝土-钢混合双管柱轴压试验资料

参考文献 2100433B

钢管约束钢筋混凝土柱具有承载力高、抗震性能好、节点构造简单等优点，在高层建筑与大跨空间结构中得到应用。目前国内外尚无关于方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的研究，更无设计规范或规程可供参考。因受力特点不同，方钢管约束钢筋混凝土柱不能套用钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱的抗火研究成果。因此，应对其抗火性能展开研究。此外，相关研究表明，实际结构中受火柱受到相邻构件的约束，受力机理和抗火性能与单体构件显著不同，有必要考虑端部约束作用。为此，本项目将以方钢管约束钢筋混凝土柱为研究对象，采用试验研究与理论分析相结合的方式，重点研究火灾下无端部约束构件的温度、变形与耐火极限，并提出抗火设计方法；在此基础上，引入端部约束作用，分析其对火灾下方钢管约束钢筋混凝土柱受力机理与耐火极限的影响，提出可考虑端部约束作用的抗火设计建议。本项目的研究成果将进一步完善钢管约束钢筋混凝土柱的抗火设计理论，促进该类构件的应用与发展。

钢管约束钢筋混凝土柱具有承载力高、抗震性能好、节点构造简单等优点，在高层建筑与大跨空间结构中得到了应用。目前国内外尚无关于方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的研究，更无设计规范或规程可供参考。因受力特点不同，方钢管约束钢筋混凝土柱不能套用钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱的抗火研究成果。因此对方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能开展了试验研究与理论分析，并提出了相应的抗火设计方法。首先进行了方钢管约束钢筋混凝土柱足尺明火试验，实测了标准火灾作用下构件截面关键测点温度、轴向变形、柱顶转角、侧向变形、耐火极限和破坏模式，获得了荷载比和偏心距对火灾下构件变形和耐火极限的影响规律。建立了方钢管约束钢筋混凝土柱温度场和耐火极限的有限元分析模型，分析了荷载比、截面尺寸、偏心率等参数对温度场和耐火极限的影响规律，提出了标准火灾作用下钢管、钢筋与混凝土温度的计算方法与耐火极限的计算方法。实际结构中受火柱受到相邻构件的约束，受力机理和抗火性能与单体构件显著不同，因此分析了端部轴向约束与转动约束作用对构件抗火性能的影响。获得了轴向约束刚度比和转动约束刚度比对构件耐火极限的影响规律，提出了火灾下构件计算长度计算公式，以及考虑端部约束的方钢管约束钢筋混凝土柱抗火设计方法。本项目揭示了火灾下方钢管约束钢筋混凝土柱的工作机理，建立了方钢管约束钢筋混凝土柱的抗火设计方法，为该类构件的防火设计奠定了基础，进一步完善了钢管约束钢筋混凝土柱的设计理论。 2100433B