型钢混凝土复合受扭构件受力性能试验和数值模拟
作者单位：苏州科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：邵永健
授予年度：2021年
学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程]
摘 要：型钢混凝土是一种钢—混凝土组合结构,由于配置了型钢,使得该结构有着更高的承载力和抗变形能力。与普通钢筋混凝土结构相比,由于配置型钢可突破配筋率的限制,可以在维持构件截面不变的前提下大幅提高承载力,非常适合高层和超高层等大负载场合。而相比于纯钢结构,型钢混凝土具有更强的耐火性、耐腐蚀性和抗冲击性能,且由于截面积大于纯钢构件,使得该结构几乎不会出现失稳屈曲的现象,能够充分利用钢材高强度的优势。因型钢混凝土结构具有的诸多优点,在国内外都成为众多学者研究的热门方向。相较于日本和欧美等国家,我国对型钢混凝土结构的研究起步较晚,且初期参照了相当多的国外经验与理论。尽管我国已颁布了自己的型钢混凝土规范,但依然有诸多需要完善之处。例如现行规范并未涉及型钢混凝土柱抗扭内容,而实际工程中柱体往往处于多种荷载叠加的复合受扭状态,因此这一部分的研究亟待完善。为研究型钢混凝土柱在压、弯、剪、扭组合的复合受扭状态下的受力性能及影响因素,本文将从力学试验与数值模拟两方面着手。力学试验方面,设计了15根试件,以轴压比、扭弯比、配箍率、配置栓钉、配钢形式和加载方式为设计参数,进行了复合受扭力学试验。根据试验结果,在本文试验参数范围内型钢混凝土柱在复合受扭作用下属延性破坏,呈现扭型破坏的特征。加载过程可分为3个阶段:混凝土开裂前的线弹性阶段、开裂后屈服强化阶段和破坏软化阶段,且达到极限状态时型钢大部分未屈服,材料未得到充分利用。在低周反复荷载作用下滞回曲线呈Z形,型钢与混凝土之间出现显著滑移现象。轴压比由0.1提高至0.3,极限扭矩变化不大但延性会降低12.3%～20.2%。扭弯比由0.336提升至0.672可同时提高3.8%～23.2%的极限扭矩和12.5%～67.8%的延性。箍筋间距由100 mm降至50 mm可使极限扭矩提升24.6%～28.4%,但使延性降低24.1%～40.4%。配置栓钉对极限扭矩影响不大,但导致延性降低24.4%～26.4%。低周反复荷载相比单调荷载平均削弱24.3%的极限扭矩与34.1%的延性,但受不同设计参数影响的程度更小。配十字型钢相比配H型钢可提升8.2%的极限扭矩和46.0%的延性。数值模拟方面,通过分析ABAQUS混凝土损伤塑性模型(CDP)计算原理并结合应力云图指出其存在以下不足:CDP模型的单元应力与应变有关,由于其无法模拟客观上的裂缝抑制过程,使得混凝土受拉开裂后开裂应变持续快速扩大从而导致受拉强度迅速下降。该不足在本次复合受扭的模拟中会导致剪压叠加区开裂后被迅速拉坏,从而抗压强度一并骤减,最终使得模拟结果远低于试验值。而试验中由于裂缝发展被抑制,混凝土在开裂后强度仍能保持提升。为解决该问题,提出截断受拉本构曲线的思路来抵消剪压区混凝土强度异常下降的问题,经研究截断位置在0.5 f时模拟结果与试验结果较为吻合。最后使用该思路在上述试件中选取12根进行数值模拟验证,模拟与试验结果对比显示,二者的扭矩—扭率曲线全程相符较好,对于单调试件峰值扭矩和极限扭矩与试验误差控制在4%以内,而低周反复试件的双向峰值扭矩和极限扭矩平均值与试验值误差在7%以内,且滞回曲线呈现出明显的捏缩特征,表明本文建模方法可用于型钢混凝土柱复合受扭模拟分析。
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