【摘要】：再生骨料混凝土的力學(xué)性能和耐久性能較天然骨料混凝土有不同程度的降低,從而限制了再生混凝土在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。將再生混凝土澆筑于鋼管中形成鋼管再生混凝土,由于鋼管的密閉性,其耐久性能差的問題得以解決;鋼管對核心區(qū)混凝土的約束作用使得受力性能得到改善。利用鋼管與核心再生混凝土的相互作用,獲得了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)越性能,為廢棄混凝土應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)提供了新的途徑。目前,國內(nèi)外學(xué)者對于方鋼管再生混凝土長柱的力學(xué)性能研究較少,為使其能在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用,需對方鋼管再生混凝土長柱的偏心受壓和抗震性能進(jìn)行研究。本文對15根方鋼管再生混凝土長柱試件進(jìn)行了偏心受壓試驗(yàn),研究了不同因素對試件偏心受壓性能的影響,在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行理論分析和有限元模擬,得到如下結(jié)論。(1)方鋼管再生混凝土長柱試件破壞特征可以分為柱端壓曲破壞和試件整體彎曲破壞兩大類型,兩種破壞的受力過程均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和承載力下降階段。(2)試件的承載力隨著再生粗骨料取代率的增加略有下降,隨著長細(xì)比和偏心率的增加明顯下降,隨著鋼管壁厚的增加顯著提高。再生混凝土中添加適量膨脹劑,核心混凝土膨脹時(shí)可預(yù)先產(chǎn)生約束作用,試件豎向承載力提高幅度在14%左右。添加粉煤灰后柱的承載力有提高的趨勢,具有一定離散性。(3)試件的軸向剛度和側(cè)向剛度隨著再生骨料的取代率的增加呈減小的趨勢;隨著偏心率和長細(xì)比的增大,試件的軸向剛度和側(cè)向剛度下降,長細(xì)比的變化對試件的軸向剛度影響與偏心率有關(guān),隨著偏心率增大,長細(xì)比大的試件的初始軸向剛度降幅越大;隨著方鋼管壁厚增加,柱軸向剛度明顯增大,側(cè)向剛度稍有增大,破壞時(shí)的變形能力顯著增加。(4)試驗(yàn)獲得的試件側(cè)向撓度變形曲線表明,偏心受壓試件發(fā)生整體彎曲破壞時(shí),撓曲線與正弦半波曲線比較吻合,在理論計(jì)算中可按正弦半波曲線假定采用。偏心受壓試件發(fā)生端部壓曲破壞時(shí),在彈性階段撓曲線符合正弦半波曲線,試件進(jìn)入彈塑性階段和承載力下降階段,撓曲線上、下不對稱,采用正弦半波曲線具有一定的近似性。(5)試件軸向荷載-縱、橫向應(yīng)變關(guān)系曲線對于兩種不同破壞形式有著一定差異。發(fā)生整體彎曲破壞的試件,其上端頭和跨中縱向壓應(yīng)變和橫向拉應(yīng)變均超過屈服應(yīng)變值,方鋼管對核心再生混凝土起到很好的約束作用。發(fā)生端頭壓曲破壞的試件,加載過程中上端頭較跨中和下端頭的縱向應(yīng)變變化顯著,上端頭的橫向應(yīng)變超過屈服應(yīng)變值。試件下端頭增設(shè)加勁肋后方鋼管壁變形受到良好的約束,管壁縱、橫向應(yīng)變數(shù)值相對較小,試件破壞時(shí)未達(dá)屈服。(6)采用有限元軟件ABAQUS對方鋼管再生混凝土單偏壓長柱的受力性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析,深入認(rèn)識(shí)了偏心受壓長柱的工作機(jī)理,以再生混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、偏心率和含鋼率為主要變化參數(shù),研究了各個(gè)參數(shù)對偏心受壓柱性能的影響規(guī)律,并采用敏感度法對影響柱豎向承載力的各個(gè)因素的影響程度進(jìn)行判定。分析表明,單偏壓長柱的豎向承載力對偏心率、含鋼率的敏感度最大,對鋼材和再生混凝土強(qiáng)度敏感度相對較小。(7)采用極限平衡法導(dǎo)出的方鋼管再生混凝土單向偏壓柱理論計(jì)算公式,考慮再生骨料混凝土力學(xué)性能差于天然骨料混凝土,引入再生混凝土強(qiáng)度折減系數(shù)η_1。參照本次試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí)η_1取0.95,取代率為0%時(shí)η_1取1.0,其間采用插入法。計(jì)算值和試驗(yàn)值比較吻合,公式離散性較小。對6根方鋼管再生混凝土長柱進(jìn)行了恒定軸力下的水平低周反復(fù)加載試驗(yàn),考慮長細(xì)比、軸壓比和含鋼率等影響因素,探討了試件破壞形態(tài)、受力性能、滯回性能、延性指標(biāo)、耗能能力、承載力和剛度退化等抗震性能。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行理論分析和有限元模擬,得到如下結(jié)論。(1)方鋼管再生混凝土長柱在恒定軸力和水平低周往復(fù)荷載共同作用下,經(jīng)歷了彈性、彈塑性上升和彈塑性下降三個(gè)受力階段,試件破壞時(shí),在柱底形成可沿加載方向轉(zhuǎn)動(dòng)的塑性鉸,此區(qū)段內(nèi)管壁鼓曲,再生混凝土壓壞,屬于典型的壓彎破壞。隨著鋼管壁厚、軸壓比、長細(xì)比等參數(shù)的變化破壞過程和破壞特征存在一定的差異。(2)試件的滯回曲線均較飽滿,具有良好的延性性能和耗能能力。壁厚較小的試件滯回曲線豐滿程度稍差;軸壓比大的試件滯回曲線略顯豐滿;長細(xì)比大的試件滯回曲線呈“捏攏”狀。試件的骨架曲線下降段較為平緩,后期變形能力和延性較好。隨鋼管壁厚增加,抗側(cè)剛度略微增大,水平承載力明顯增加。長細(xì)比大的試件抗側(cè)剛度較小,水平承載力降低;隨軸壓比增大,試件的水平承載力有所增大,骨架曲線下降段趨陡。(3)試件的延性系數(shù)在2.61~3.46之間,在達(dá)到此延性系數(shù)后,仍能維持承載力緩慢下降經(jīng)歷較大的變形,試件的屈服位移角介于1/86~1/64之間,破壞位移角在1/29~1/20之間,具有良好的抗倒塌能力。隨鋼管壁厚和長細(xì)比的增加,試件延性系數(shù)呈增長趨勢;隨軸壓比的增加,試件的延性系數(shù)減小。(4)隨著循環(huán)位移的增加,試件的等效粘滯阻尼系數(shù)ξ_(eq)逐漸增大,試件屈服時(shí)ξ_(eq)介于0.141~0.157之間,峰值時(shí)ξ_(eq)介于0.221~0.240之間,極限時(shí)ξ_(eq)介于0.340~0.394之間,說明方鋼管再生混凝土柱具有良好的能量耗散能力。在位移相同的情況下,壁厚大的試件ξ_(eq)略大于壁厚小的試件;長細(xì)比大的試件的等效粘滯阻尼系數(shù)ξ_(eq)偏小;軸壓比較大試件的等效粘滯阻尼系數(shù)ξ_(eq)偏大。(5)采用ABAQUS有限元軟件模擬得到試件的滯回曲線和骨架曲線,計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。表明所建立的分析模型對方鋼管再生混凝土柱進(jìn)行抗震分析是合理可行的。根據(jù)敏感度分析理論研究了再生混凝土強(qiáng)度等級、鋼材等級、鋼管壁厚、軸壓比、長細(xì)比等影響因素對方鋼管再生混凝土柱水平承載力的影響程度。方鋼管再生混凝土柱水平承載力對長細(xì)比最敏感,依次是含鋼率、鋼材屈服強(qiáng)度、軸壓比和再生混凝土抗壓強(qiáng)度。(6)利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了P-Δ二階效應(yīng)對試件承載力和變形的影響。采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB50936-2014計(jì)算方鋼管再生混凝土柱的壓彎承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合較好。建議在柱的抗側(cè)剛度計(jì)算時(shí),引入再生混凝土彈性模量折減系數(shù)η_2,按此計(jì)算的抗彎剛度與實(shí)測彈性剛度吻合度較好。(7)采用試驗(yàn)擬合法建立了方鋼管再生混凝土長柱的三折線恢復(fù)力模型。將曲線型骨架曲線分為從原點(diǎn)到屈服點(diǎn)、屈服點(diǎn)到峰值點(diǎn)和峰值點(diǎn)到破壞點(diǎn)三折線段,再由試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù),對各個(gè)試件在特征點(diǎn)處的荷載和位移進(jìn)行無量綱化處理,給出了簡化的三折線骨架曲線模型,可用于方鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性反應(yīng)分析。(8)采用多種地震損傷評估模型對鋼管再生混凝土長柱損傷指標(biāo)D進(jìn)行計(jì)算分析。參照《建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》中的層間位移量化指標(biāo),結(jié)合試驗(yàn)過程中試件破壞形態(tài),以及綜合分析各種累積損傷分析模型計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,給出了方鋼管再生混凝土長柱基于抗震性能水準(zhǔn)的損傷量化指標(biāo)。
【圖文】：

項(xiàng)目細(xì)度（%）需水量比（%）燒失量（%）含水量（%）SO3（%）安定性（mm）性能指標(biāo) 4.5 89 3.12 0.06 0.21 3（3）再生骨料再生骨料由建筑物拆除廢棄混凝加工而成，見圖 2.1。參照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[204對再生骨料的表觀密度、含水率、吸水率等基本性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)測定。經(jīng)測定再生骨料的基本性能見表 2.4。表 2.4 再生粗骨料的基本性能Tab.2.4 Basic performance index of recycled aggregate項(xiàng)目粒徑范圍（mm）壓碎指標(biāo)（%）含水率（%）吸水率（%）表觀密度（kg·m-3）微粉含量（%）性能指標(biāo) 5~25 16 1.8 4.7 2627 3.3

（a）澆筑與振搗 （b）柱頂抹平 （c）柱頂補(bǔ)平圖 2. 3 澆筑再生混凝土Fig 2.3 Recycled concrete pouring2.1.3 試驗(yàn)裝置與加載方案1. 試驗(yàn)加載裝置試驗(yàn)在合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，，試驗(yàn)加載裝置采用 500t 的 YES-500 型壓力試驗(yàn)機(jī)，加載裝置及試件安裝如圖 2.4 所示。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU398.9;TU352.11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2648607