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薄壁圆钢管再生混合柱及其节点的试验研究与分析

作　者: 赵新宇
导　师: 吴波
学　校: 华南理工大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 薄壁圆钢管废弃混凝土柱节点抗震试验设计标准数值模拟
分类号: TU398.9
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

如何科学利用旧有建筑物拆除产生的固体废弃物，以尽量减少新建建筑物对新鲜水泥、石子、河砂等材料的消耗，是实现建筑业可持续发展、发展循环经济、践行“环保、节能、减排”国家战略目标所亟待解决的内容之一。本文针对混凝土废弃物的回收利用问题，就采用大尺度废弃混凝土的圆钢管再生混合柱及其节点的力学性能进行了较系统的试验研究和计算分析，并对钢管再生混合柱的工程应用进行了初步探讨。本文的主要工作和结论如下：1.通过36根薄壁圆钢管再生混合中长柱的轴压与偏压试验，考察了废弃混凝土取代率、钢管壁厚、荷载偏心距等因素对试件受压性能的影响。基于新、旧混凝土的组合强度，根据国内外钢管混凝土结构设计标准，对试件的受压承载力进行了计算对比。试验和分析结果发现：（1）采用25%或40%的废弃混凝土替换新混凝土后，钢管再生混合中长柱的受压承载力分别比全现浇钢管混凝土中长柱降低5.77%~9.71%和10.65%~15.63%，但前者的初始刚度、屈服性能和延性特征与后者基本相当；（2）为使钢管再生混合中长柱的计算受压承载力具有与全现浇钢管混凝土中长柱相近的安全性，可对前者计算结果乘以调整系数0.95；（3）总体来看，设计标准DBJ13-51-2003和ANSI/AISC360-05对轴压试件受压承载力的预测结果相对较好，JCJ01-89对偏压试件受压承载力的预测结果相对较好。2.基于纤维梁单元的计算框架，在积分点截面引入随机生成和投放废弃混凝土块体的技术，建议了钢管再生混合柱受压承载力的一种随机数值分析方法，并据此编写了相应的纤维梁单元计算程序。通过程序计算结果与试验结果的对比，初步验证了该方法的有效性。运用该方法考察了柱子长径比、钢管壁厚、废弃混凝土取代率，以及新、旧混凝土强度差等参数对圆钢管再生混合柱受压承载力的影响。研究表明：（1）废弃混凝土取代率不大于40%且新、旧混凝土强度差不大于15MPa时，二者变化对再生混合柱的受压承载力影响不显著；（2）偏心距较小时，随着钢管壁厚或长径比减小，废弃混凝土不均匀分布对再生混合柱受压承载力的影响有所增大；（3）随着偏心距增加，废弃混凝土随机分布对再生混合柱受压承载力的影响呈减小趋势。3.完成了15根试件在定常轴力和水平往复荷载作用下的拟静力试验，考察了废弃混凝土取代率、钢管壁厚、轴压比等因素对试件抗震性能的影响。基于新、旧混凝土的组合强度，根据国内外钢管混凝土结构设计标准以及基于ABAQUS的纤维梁单元数值模型，对试件的水平承载力进行了计算分析，同时还将试件的水平承载力和极限位移实测值与螺旋箍筋钢筋混凝土柱的OpenSEES计算值进行了对比。研究表明：（1）废弃混凝土取代率在0~40%之间变化对试件的初始抗侧刚度、钢管局部屈曲、极限位移、负刚度段行为、刚度退化效应、等效粘滞阻尼系数、滞回曲线形状都影响有限，但再生混合柱的水平承载力总体上比全现浇柱有所降低；（2）在钢管壁厚仅1.78mm（径厚比168.5）的情况下，轴压比0.4的再生混合柱的极限位移角可达4%，展示了良好的变形能力；（3）为使薄壁圆钢管再生混合柱的计算水平承载力具有与全现浇钢管混凝土柱相近的安全性，可对前者计算结果乘以调整系数0.95；（4）横截面积和总用钢量相同时，薄壁圆钢管再生混合柱的水平承载力大多优于螺旋箍筋柱。研究发现，薄壁圆钢管再生混合柱应用于地震区中、低轴压比情况是可行的。4.发明了一种连接薄壁圆钢管再生混合柱与钢筋混凝土梁的加强环筋节点，开展了6个加强环筋节点和2个内加强环节点的抗震试验，考察了废弃混凝土取代率和近节点域构造参数对试件抗震性能的影响。采用ABAQUS和OpenSEES程序，分别建立了加强环筋节点的微观和宏观单元模型，对试件进行了单调和往复荷载作用下的数值模拟。研究表明：（1）废弃混凝土取代率为33.3%时，试件的破坏形态和滞回曲线形状等与全现浇试件差别很小，但前者的初始刚度比后者略低；（2）废弃混凝土在钢管内的填筑区域改变对加强环筋节点的力学性能影响有限；（3）实际工程中厚壁钢管出节点域长度可取为钢管外径的一半；（4）在设置4根加强环筋的情况下，加强环筋节点具有不低于内加强环节点的初始刚度；（5）加强环筋节点为半刚性节点，厚壁钢管厚度和加强环筋直径对节点刚度影响较大。5.对钢管再生混合柱的可行性及实现流程进行了积极探索，完成了采用大尺度废弃混凝土的钢管再生混合柱的首例工程应用。通过2个现场浇注的足尺圆钢管再生混合柱轴压试验，验证了钢管再生混合柱的设计方法及其施工可行性。工程应用初步表明钢管再生混合柱应用于低层和多层建筑是完全可行的。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-16
第一章绪论  16-37
  1.1 课题研究的背景和意义  16-17
  1.2 再生混凝土研究现状  17-28
    1.2.1 再生骨料  18-20
    1.2.2 再生混凝土  20-23
    1.2.3 再生混凝土构件/结构  23-26
    1.2.4 再生混凝土的工程应用  26-28
  1.3 混凝土再生混合构件研究现状  28-35
    1.3.1 外置型钢再生混合构件  31-34
    1.3.2 再生混合钢筋混凝土构件  34-35
  1.4 本文主要工作  35-37
第二章薄壁圆钢管再生混合中长柱的轴压与偏压试验研究  37-56
  2.1 引言  37
  2.2 试验研究  37-51
    2.2.1 试件设计及材料特性  37-41
    2.2.2 试验量测  41-42
    2.2.3 试验结果分析  42-51
  2.3 计算对比  51-55
  2.4 本章小结  55-56
第三章基于纤维梁单元的圆钢管再生混合柱受压承载力随机分析  56-66
  3.1 引言  56-57
  3.2 计算模型  57-61
    3.2.1 纤维梁单元模型  57
    3.2.2 废弃混凝土块体的随机生成和投放  57-59
    3.2.3 计算程序验证  59-61
  3.3 参数分析  61-65
    3.3.1 长径比  62-63
    3.3.2 钢管壁厚  63
    3.3.3 废弃混凝土取代率  63-64
    3.3.4 新、旧混凝土强度差  64-65
  3.4 本章小结  65-66
第四章薄壁圆钢管再生混合柱的抗震性能试验研究  66-91
  4.1 引言  66
  4.2 试验研究  66-81
    4.2.1 试件设计及材料特性  66-69
    4.2.2 试验装置及加载制度  69-70
    4.2.3 试验结果及分析  70-81
  4.3 计算比较  81-87
  4.4 讨论  87-90
  4.5 本章小结  90-91
第五章薄壁圆钢管再生混合柱-钢筋混凝土梁节点的抗震试验与数值模拟  91-116
  5.1 引言  91-93
  5.2 试验研究  93-105
    5.2.1 试件设计及材料特性  93-96
    5.2.2 试验装置及加载制度  96-97
    5.2.3 试验结果  97-105
  5.3 数值模拟  105-115
    5.3.1 微观单元模拟  105-111
    5.3.2 宏观单元模拟  111-115
  5.4 本章小结  115-116
第六章钢管再生混合柱的工程应用  116-130
  6.1 引言  116
  6.2 钢管再生混合柱的实施流程及施工工艺  116-119
  6.3 工程应用实例一  119-126
    6.3.1 工程简介  119-121
    6.3.2 足尺钢管再生混合柱轴压试验  121-125
    6.3.3 工程施工  125-126
  6.4 工程应用实例二  126-128
  6.5 本章小结  128-130
结论与展望  130-135
参考文献  135-151
攻读博士学位期间取得的研究成果  151-156
致谢  156-158
附录  158

薄壁圆钢管再生混合柱及其节点的试验研究与分析

内容摘要

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