冷弯薄壁C型钢PEC柱轴心受压承载力试验探讨范文

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论文字数:38596 论文编号:sb2021052413163835707 日期:2021-06-17 来源:硕博论文网
本文通过试验和有限元模拟对冷弯薄壁C型钢PEC柱的轴心受压性能做了研究,其中还存在许多缺陷和不足,试验参数的选取还不够全面,需对 PEC 柱做进一步研究。对此提出以下几点建议:(1)本文试验所制作的 PEC 柱都为 1000mm 高,属于短柱,主要发生强度破坏而不考虑长细比过大带来的失稳破坏。建议对冷弯薄壁 C 型钢长柱或者是中长柱的受压破坏做进一步研究。

1 绪论

1.1 PEC 柱的特点和应用
1.1.1 部分包裹混凝土组合柱的特点及应用
传统的钢结构有很多弱点,例如防火性能差,防腐蚀性能差等,而且需要高昂的维护费用;传统钢筋混凝土结构同样有着体积大自重大,容易出现裂缝,施工周期长等问题。而部分包裹混凝土组合柱发挥了各自材料的优点,弥补了材料之间缺点,各项性能均优于传统的钢结构和钢筋混凝土结构。部分包裹混凝土组合柱中钢材的含量较高,对整体结构的延性有着极大的提高,裸露在外的钢结构面积较少,提高了整体的耐火性和耐腐蚀性。型钢在结构中相当于钢筋混凝土中的钢筋,改善了抗裂性能差、性质脆等缺点。浇筑在钢中间的混凝土提高了整体的强度和稳定性。混凝土的抗压性能与钢材的抗拉性能很好的结合在一起,为 PEC 柱整体的优良性能发挥着必不可少的作用。焊接在 PEC 组合柱翼缘之间的等距离或不等距离的横向钢筋或者横向扁钢,主要是将混凝土和型钢更好约束在一起,同时可以保护型钢翼缘不会发生较大程度的变形。部分包裹混凝土组合柱的承载能力高而且截面简单,具有可预制装配的优势,能够很好的缩短施工周期,提高使用效率,因此在世界范围内有着很高的研究价值和应用前景。
冷弯薄壁型钢 PEC 组合柱,除了有上述 PEC 结构的所有优点之外,相比于传统的型钢来说,冷弯薄壁型钢材质轻薄易于加工,已广泛应用于新型的建筑结构之中。在国外的各类新型建筑中随处可见冷弯薄壁型钢的影子,随着我国建筑行业的步伐不断加快,也将会有更多的工厂加工生产冷弯薄壁型钢,并被投入使用于建筑行业之中。冷弯薄壁型钢虽然很轻薄但是承载能力高,可以作为房屋的承重部件,如梁板柱等,也可用于围护体系,如檩条等。在现场施工时,可以提前购买工厂预制好的冷弯薄壁型钢,然后运输到施工现场进行自行组装。因为它的自重轻,所有运输和再加工都比较方便。作为 PEC 柱的骨架可代替模板,浇混凝土时省去了部分支模拆模的时间,因此大大缩短了施工工期,提高了施工效率。
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1.2 PEC 结构的研究现状
1.2.1 国内对 PEC 结构的研究
2004 年,研究生赵桥荣[3]对外包型钢混凝土梁的性能进行了试验研究。分析实验现象和应力应变曲线后得出结论:外包型钢混凝土梁在不需要加劲肋的情况下稳定性良好,可以省去了加劲肋这一步骤。而且混合结构中的型钢截面尺寸小,在实际房间的运用中可以加大空间使用面积。试验发现不仅型钢混凝土结构的强度、刚度相对于普通钢筋混凝土结构有着明显增加,而且结构整体有着很高的延性,可以很好地抵抗和吸收地震荷载。文中利用有限元软件进行了扩展分析,最后结合有限元与试验情况提出的建议公式和试验符合较好。
2007 年,高志军[4]对截面为 200mm×200mm 且高为 800mm 的焊接普通 H 型钢部分包裹混凝土组合短柱作了轴心受压试验研究,通过试验得出横向系杆间距对 H型钢部分包裹混凝土组合短柱达到极限荷载之后的性能有着至关重要的作用。系杆间距较小的构件,对混凝土的约束较好,在达到极限荷载之后对整体结构的延性提高较大,PEC 柱的破坏程度较低。除了系杆间距,含钢率也对 PEC 组合短柱的承载力有较大影响,含钢率越大,翼缘越不易于发生局部屈曲,整体的极限承载力也越高。最后高志军根据试验结果提出了 PEC 组合短柱极限承载力的计算公式。
2008 年,郝志强[5]对 8 根高度为 1200mm 的焊接 H 型钢 PEC 组合短柱进行了偏心受压试验研究。通过对试验结果的分析,得出 H 型钢 PEC 组合短柱,比普通钢筋混凝土柱有着更好的抵抗变形的能力;加大含钢率可以增加 PEC 柱的受压承载力;偏心距是影响焊接 H 型钢 PEC 组合短柱极限承载力的主要因素,偏心率越大则承载力越低;文中作者使用提出的承载力计算公式计算的数值和试验得出的数据较为相
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2 冷弯薄壁 C 型钢 PEC 柱试验研究概况

2.1 试件的设计与制作
2.1.1 试件的设计制作
试验共设计制作了 9 根薄壁 C 型钢 PEC 组合柱试件。PEC 柱截面为两个 C 型钢背对背用垫板和螺栓连接在一起,在翼缘和腹板之间浇筑混凝土。9 个试件的高度均为 1000mm。为了让 C 型钢和混凝土有着更好的整体结合度,在 C 型钢卷边之间焊有拉结缀条。C 型钢采用 Q235B 级,混凝土强度等级用 C30。焊接在卷边之间的拉结缀条分别采用宽度为 60mm 和 30mm 的扁钢,扁钢厚度为 0.5mm。试件的基本参数见表 2.1,薄壁 C 型钢 PEC 柱的截面形式如图 2.1 所示。试件的长细比计算见表 2.2,试件详图如图 2.2 所示。其中 H 表示单肢 C 型钢的截面高度,B 表示单肢 C 型钢的宽度,L 是试件高度,c 是指卷边宽度,t 是指 C 型钢厚度。
图 2.1 PEC 柱截面
图 2.1 PEC 柱截面
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2.2 材料的力学性能试验
2.2.1 钢材的力学性能
材性试验的钢条采用 Q235B 钢材,根据国家相关规范[39,40]采用与试验试件相同的材料制作材性试验试件,每种材料制作三个钢条试件,试验前对钢条靠近中间的位置打磨光滑,在中间位置各布置两个横向应变片和竖向应变片,三个钢条的试验结果取平均值。试验结果和计算结果如表 2.4 所示。
表 2.4 钢材的力学性能
表 2.4 钢材的力学性能
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3 冷弯薄壁 C 型钢 PEC 柱试验结果及分析..................................16
3.1 冷弯薄壁 C 型钢 PEC 柱的试验现象及破坏模式............................16
3.1.1 试验的标定准则........................16
3.1.2 试验破坏现象.............................16
4 冷弯薄壁 C 型钢 PEC 组合柱极限承载力计算公式.........................41
4.1 国内外相关计算公式...............................41
4.1.1 加拿大相关计算公式.............................41
4.1.2 国内相关计算公式..................................42
5 冷弯薄壁 C 型钢 PEC 组合柱轴心受压试验的有限元分析................................51
5.1 ABAQUS 模型的建立..................................51
5.1.1 钢材材料属性和本构关系........................51
5.1.2 混凝土的材料属性和本构关系................................52

5 冷弯薄壁 C 型钢 PEC 组合柱轴心受压试验的有限元分析

5.1 ABAQUS 模型的建立
5.1.1 钢材材料属性和本构关系
在 PEC 模拟模型中钢材材料分别取用了 Q235 钢和 Q345 钢,Q235 钢模拟的基本属性与试验试件相同,Q345 钢的材料属性使用标准值。模型的本构关系曲线[51,52]如图 5.1 所示。式 5.1 是它的数学关系表达式。
图 5.1 钢材的本构关系曲线
图 5.1 钢材的本构关系曲线
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6 结论与展望

6.1 结论
考虑垫板厚度、垫板间距、C 型钢型号等因素,设计制作了 9 根薄壁 C 型钢 PEC柱,并对其进行了轴心受压承载力试验。试验主要研究冷弯薄壁 C 型钢 PEC 组合柱轴心受压性能和承载力的影响因素,在试验基础上,通过 ABAQUS 有限元模拟软件对试验试件进行模拟和扩展研究。得出结论如下:
(1)所有 PEC 柱的受压过程都可分为三个阶段。在弹性阶段,C 型钢与混凝土能够共同承受竖向荷载。到达弹塑性阶段时,混凝土表面开始出现裂缝,C 型钢翼缘的变化不明显。到达极限荷载后进入破坏阶段,冷弯薄壁 C 型钢 PEC 柱的承载力迅速降低,混凝土上的裂缝不断增多并向周围延伸,随着加载时间的推移混凝土开始大片脱落,C 型钢翼缘出现鼓曲变形。
(2)本次试验的试件均为 PEC 短柱,冷弯薄壁 C 型钢 PEC 短柱承载力的影响因素主要为 C 型钢型号即柱截面的大小。C 型钢型号由 C160 提高至 C250,承载力提高了 76.2%;由 C115 提升至 C160,承载力提高了 22.9%。由此可得 C 型钢型号越大,PEC 柱的承载力越高。垫板间距,垫板厚度和连接螺栓的长度对 PEC 柱的极限承载力影响不明显,垫板间距从 410mm 降低到 235mm 和 175mm 时,承载力分别降低了 6%和提高了 10.5%。当垫板厚度从 6mm 增加到 8mm 和 10mm 时,PEC 柱的极限承载力分别降低了 5.5%和提高了 5.6%。两组使用长螺栓连接的 PEC 柱比正常长度螺栓的 PEC 柱承载力降低了 5%和 17%。由此可得在其他条件相同的情况下,垫板间距和垫板厚度厚度的变化对 PEC 柱的极限承载力影响不明显;螺栓长度的增加会使极限承载力变小。针对 C 型钢型号为 C160 的 PEC 柱建议垫板间距和垫板厚度取 253mm 和 10mm。
(3)考虑混凝土和 C 型钢的相互作用,利用叠加原理提出了两组冷弯薄壁 C 型钢部分包裹混凝土组合柱承载力的计算公式,并与试验数据做了对比。两组公式计算的 PEC 柱极限承载力基本都低于试验极限承载力,偏于安全。但是两种方法对比来说,由直接强度法计算的公式与试验值相差更小。
参考文献(略)

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