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部分预制装配型钢混凝土柱轴压性能试验研究

部分预制装配型钢混凝土柱轴压性能试验研究

作者：林夏如西安建筑科技大学

学位级别：硕士

部分预制装配型钢混凝土(PPSRC)结构是指对型钢混凝土结构的外壳部分进行预制、内部进行现浇的一种新型组合结构形式,它具有型钢混凝土结构承载力高、抗震性能好的性能优势,又能差异化选择内部与外部的混凝土材料,合理配置,提高经济性... 详细信息

部分预制装配型钢混凝土(PPSRC)结构是指对型钢混凝土结构的外壳部分进行预制、内部进行现浇的一种新型组合结构形式,它具有型钢混凝土结构承载力高、抗震性能好的性能优势,又能差异化选择内部与外部的混凝土材料,合理配置,提高经济性。本文主要开展PPSRC柱轴压性能的试验研究和数值模拟分析,并提出轴压承载力计算公式,主要研究内容如下:首先,设计8个PPSRC实心柱和2个PPSRC空心柱进行轴压试验,研究了破坏形态、应变发展和荷载-轴向变形曲线,分析了内部混凝土强度、矩形螺旋箍筋间距、截面形式以及十字型钢翼缘是否焊接抗剪栓钉等参数对PPSRC柱轴压性能的影响。结果表明:所有试件在达到承载能力极限状态时均发生材料破坏,破坏形态基本一致;试件的轴压承载力随内部混凝土强度的提高而提高,承载力增幅随内部混凝土强度的提高而增大;试件的轴压承载力随矩形螺旋箍筋间距的减小而提高,承载力增幅随间距的减小而增大;内部混凝土强度对试件的轴压承载力影响最大,其次是箍筋间距,是否布置栓钉对承载力影响较小。其次,采用有限元软件ABAQUS对PPSRC柱的轴压性能进行数值模拟分析,各试件的破坏形态、承载力和荷载-相对轴向变形曲线的模拟结果与试验结果吻合较好。在验证模型有效性的基础上开展影响参数扩展分析,研究截面配钢率ρ、截面配筋率ρ和截面尺寸(比例因子μ)对轴压承载力的影响,模拟结果表明:试件的轴压承载力随着ρ、ρ和μ的增大而提高,承载力增幅随着ρ、ρ的增大而增大,与ρ、ρ近似呈线性关系,延性也随着ρ、ρ的增大而增大;在每组对比试件中,实心试件与空心试件相比表现出更好的延性、更高的承载力和剩余承载力;20个实心试件在破坏状态下的柱截面混凝土应力云图呈现出明显的分布规律,在强约束区内,在型钢翼缘内侧与型钢腹板周围应力最大,应力峰值分布区域呈现出明显的十字型,应力值随着与型钢翼缘和腹板距离的增大而逐渐递减,最终在内部八边形区域内的四个角呈现出明显的抛物线;在弱约束区内,纵筋所在位置及周围呈现出较高的应力值。最后,在试验研究及数值模拟的基础上,分析了矩形螺旋箍筋和十字型钢对不同约束区域混凝土的有效侧向压应力,探究了不同约束区域混凝土轴心抗压强度的计算方法,并在已有理论的基础上提出了强约束区混凝土轴心抗压强度的简化计算方法;使用强度叠加法建立PPSRC柱轴压承载力计算公式,并用10个试验值和24个模拟值对公式进行验证,结果显示公式可靠有效。

关键词：部分预制装配型钢混凝土柱轴压性能轴压承载力横向约束作用试验研究数值模拟

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部分预制装配型钢混凝土柱受剪性能试验研究

部分预制装配型钢混凝土柱受剪性能试验研究

作者：冯涛西安建筑科技大学

学位级别：硕士

部分预制装配型钢混凝土柱(Partially Prefabricated Steel Reinforce Concrete Column,简称PPSRC柱)是在工厂提前预制含有型钢、钢筋骨架的空心外壳,在施工现场现浇内部核心混凝土,二阶段施工形成完整的柱体结构。兼具了预制装配式结... 详细信息

部分预制装配型钢混凝土柱(Partially Prefabricated Steel Reinforce Concrete Column,简称PPSRC柱)是在工厂提前预制含有型钢、钢筋骨架的空心外壳,在施工现场现浇内部核心混凝土,二阶段施工形成完整的柱体结构。兼具了预制装配式结构便捷施工与型钢混凝土结构受力良好等方面的诸多优点,同时,进一步提高和推动了型钢混凝土柱工厂预制装配化的程度和工业化模式的发展。完成了18根PPSRC柱在承受水平轴力和侧向集中荷载复合作用下的受剪性能静力试验。同时,设计制作了试验加载时施加轴向荷载的自平衡框架。试验的主要参数包括轴压比、剪跨比、内部现浇混凝土强度等级、截面形式(空心、实心)。通过观察试验现象和破坏形态,并结合试验数据获得了荷载-位移曲线,承载力变化图,材料荷载-应变曲线以及延性系数。试验结果表明:轴压比越大受剪承载力越高,超过一定的限值,轴压比影响作用不大,甚至会降低受剪承载力;剪跨比越大受剪承载力越低,随剪跨比的增大,剪跨比对受剪承载力的影响作用不明显;内部现浇混凝土强度等级的越大受剪承载力越高,但是增长的幅度不大;空心截面试件与实心截面试件对比,发现其也具有良好的承载能力。采用三种组合结构规程中的公式计算PPSRC柱的受剪承载力,所得的计算结果偏于安全,材料的利用率低。基于此,通过对受剪参与贡献的要素讨论分析,提出改进的受剪承载力计算公式,计算结果较为接近,但是离散性较大。提出PPSRC柱的桁架-拱模型,桁架部分的贡献采用修正压力场模型讨论,拱模型引入轴力对抗剪的影响,并考虑型钢对受剪切的贡献,建立了计算结果较为准确的PPSRC柱桁架-拱模型受剪计算方法,但是计算过程复杂。结合试验现象,分析讨论PPSRC柱的工作机理,影响因素,运用试验数据,提出统计回归分析公式,来准确的计算PPSRC柱抗剪承载力,并将所采用的所有计算方法对比分析,统计公式计算结果吻合度较好,离散性小,计算过程简便,建议工程设计应用。

关键词：预制装配结构部分预制装配型钢混凝土柱受剪承载力桁架-拱模型试验研究

部分预制装配型钢混凝土柱火灾后轴压性能试验研究

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部分预制装配型钢混凝土柱火灾后轴压性能试验研究

作者：张林西安建筑科技大学

学位级别：硕士

部分预制装配型钢混凝土柱（partially prefabricated steel reinforced concrete column,PPSRC柱）是指在工厂预制型钢混凝土柱外壳,施工现场吊装、装配并完成现浇部分混凝土浇筑的型钢混凝土柱构件。目前,对于火灾后部分预制型钢混凝... 详细信息

部分预制装配型钢混凝土柱（partially prefabricated steel reinforced concrete column,PPSRC柱）是指在工厂预制型钢混凝土柱外壳,施工现场吊装、装配并完成现浇部分混凝土浇筑的型钢混凝土柱构件。目前,对于火灾后部分预制型钢混凝土柱的力学性能研究较少,极大地制约了该组合结构的应用和推广。本文运用试验研究、数值模拟以及理论分析,对PPSRC柱的火灾后轴压力学性能进行深入研究:首先,以现浇混凝土强度、配箍间距以及截面尺寸为参数,开展了9个PPSRC短柱轴压性能试验,其中包括8个火灾后轴压试验试件和1个常温轴压试验对比试件。通过试验观察试验现象和试件破坏形态,并获得了标准火灾下试件柱中截面测点温度-时间曲线、轴压下荷载-位移曲线和剩余承载力等试验数据,并在此基础上分析了试件延性和刚度退化规律。试验结果表明:箍筋间距、现浇混凝土强度对截面温度场影响不大,型钢保护层越大,截面内部温度升高越慢且历程最高温度越低。随着现浇混凝土强度的增加,试件剩余承载力增大但承载力影响系数提高有限,刚度退化变化也不大。箍筋间距减小对火灾后试件剩余承载力和延性提高都是有利的,对试件轴压刚度影响不大。高温作用后试件延性较常温下增加,空心试件较实心试件火灾后延性要差,刚度退化也更为严重。其次,在合理选取钢材和混凝土的热工参数和本构关系的基础上,运用有限元分析软件ABAQUS对PPSRC柱进行标准火灾下温度场和火灾后轴压性能模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,证明了模型的有效性。在此基础上,对PPSRC柱进行火灾高温损伤评估,并对不同保护层厚度、受火时间、型钢强度和含钢率下PPSRC柱进行高温后轴压承载力参数分析。分析结果表明,火灾后试件剩余承载力影响系数随着型钢保护层厚度的增加而增加,随着受火时间增加而减小,型钢强度和含钢率在一定范围内可以提高试件的火灾后剩余承载力影响系数。最后,依照相关规范和约束混凝土理论,对常温下部分预制装配型钢混凝土轴压短柱的轴压承载力进行理论计算,计算值与试验值较为接近。并以极限平衡理论为基础,给出了火灾后部分预制装配型钢混凝土轴压短柱的剩余承载力计算公式,计算结果与试验结果和有限元模拟结果接近且偏于安全。

关键词：部分预制装配型钢混凝土柱火灾试验剩余承载力试验活性粉末混凝土有限元分析试验研究

部分预制装配型钢混凝土柱火灾后偏压性能试验研究

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部分预制装配型钢混凝土柱火灾后偏压性能试验研究

作者：龚志超西安建筑科技大学

学位级别：硕士

部分预制装配型钢混凝土(Partial Prefabricated Steel Reinforced Concrete,简称PPSRC)柱指在工厂预制型钢混凝土柱外壳,在施工现场吊装、装配并完成现浇部分的柱构件,具有承载力高、刚度大的性能,并且易于吊装、施工便捷。目前国内外... 详细信息

部分预制装配型钢混凝土(Partial Prefabricated Steel Reinforced Concrete,简称PPSRC)柱指在工厂预制型钢混凝土柱外壳,在施工现场吊装、装配并完成现浇部分的柱构件,具有承载力高、刚度大的性能,并且易于吊装、施工便捷。目前国内外尚未发现关于PPSRC柱的抗火性能相关研究,极大地限制了该组合结构的应用和推广。PPSRC柱抗火性能研究的开展对其抗火设计、火灾后性能评估及加固修复具有重要意义。基于此,本文对1个常温下PPSRC柱及6个火灾后PPSRC柱开展了偏压性能试验研究。具体内容及结论如下:(1)进行了6个PPSRC试件在ISO-834标准升温曲线下的明火试验。试验结果表明,火灾升温过程中,PPSRC试件截面测点温度升至100℃左右时,存在一个明显的温度平台,内部温度变化存在明显的滞后现象。火灾后,PPSRC柱表面未发生混凝土爆裂现象,混凝土对型钢具有较好的保护作用,大幅降低了温度对型钢的影响。(2)进行了1个常温下及6个火灾后PPSRC柱偏压试验,得到了各试件截面平均应变分布、剩余承载力、荷载-挠度曲线,并对试件抗弯刚度及延性性能进行了分析。试验结果表明,在偏压荷载下,火灾后PPSRC柱在荷载小于64%的极限荷载以前,截面的应变分布基本呈线性,符合平截面假定。试件剩余承载力及抗弯刚度随偏心率的增大而降低,随火灾升温时间的增长而降低。试件曲率延性系数随偏心率的增大而增大,随火灾升温时间的增加而增大。(3)基于ABAQUS有限元软件对火灾下PPSRC柱截面温度场进行了模拟分析并与试验结果进行对比,同时对截面温度损伤情况进行了简要分析。结果表明,模拟计算值与试验值吻合较好。受火升温120min下,核心为空心、C30、RPC100试件的截面严重损伤面积占截面总面积的比值分别达到40.8%、32.4%、31.9%;受火时间越长,截面损伤越严重,在火灾升温120min、150min下,试件截面严重损伤面积占截面总面积的比值分别达到32.4%、43.6%。(4)基于强度等效原理提出了火灾后PPSRC试件混凝土强度折算系数。依照极限平衡理论并考虑火灾后截面减缩及混凝土强度折算,给出了火灾后部分预制装配型钢混凝土柱偏压剩余承载力计方法,计算值与试验值吻合较好,表明所提方法能较好的计算火灾后PPSRC柱偏压剩余承载力。

关键词：部分预制装配型钢混凝土柱火灾试验剩余承载力抗弯刚度曲率延性系数温度场