工字型轴压钢柱负载下外包钢筋混凝土加固力学性能之建筑研究

来源: www.sblunwen.com 作者:vicky 发布时间:2019-07-10 论文字数:44544字
论文编号: sb2019061309253326734 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇建筑论文,本文以轴压型钢柱负载下外包钢筋混凝土加固组成的新型结构形式为研究对象,采取试验研究、理论分析和有限元模拟计算相结合的方法对其力学性能进行研究。
本文是一篇建筑论文,

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
近七十年以来,我国在基础设施建设中所取得的成就全世界有目共睹。由相关资料统计得出,我国年钢生产总量在改革开放初期仅为 3700 万吨,1996 年突破1 亿吨(1.01 亿吨),首次跃居世界年钢生产总量之首;从 2000 年开始,我国年钢生产总量稳居世界第一,2017 年则达到 10.5 亿吨,同比上一年增长 0.8%。由于经济发展的需要,机场、剧院、体育馆等高层、大跨度、大空间的钢结构建筑工程与日俱增,钢结构作为一种现代化建筑结构,与其它传统建筑结构相比,其优越性体现在以下几个方面:(1)轻质高强;(2)塑性、韧性好;(3)材质均匀,符合力学假定;(4)具有可焊性;(5)工业化程度高,生产周期短,施工方便快捷;(6)属于环保建材,便于拆卸回收和重复利用[1];(7)造型美观,抗震性能好。由于钢结构的优势比较突出,具有较强的竞争性,因此,越来越多的业主开始关注以钢结构为主体的建筑物。世界上第一栋高层钢结构房屋--美国芝加哥家庭保险公司大楼(高 42 米,共 10 层),如图 1.1 所示;于 2009 年 9 月竣工的中国第一高塔--广州塔(总高 600 米),用钢量为 6 万吨,如图 1.2 所示。

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1.2 钢结构加固技术的研究现状
近几十年来,钢结构的加固技术已经取得了快速稳定的发展,传统的钢结构加固技术主要包含焊接加固法、粘贴纤维材料加固法、粘贴钢板加固法及预应力加固法等,这些加固方法已广泛应用在工程实际中。
1.2.1 粘贴钢板加固法
钢结构的表面使用胶黏材料粘贴钢板,依靠胶黏材料的粘接力使钢结构与钢板紧密黏结形成整体,使两者可一起承担荷载的加固方法即为粘贴钢板加固法,见图 1.3。这种加固技术具有在施工过程中步骤简单、方便快捷、成本低廉等优点,加固后对原结构的空间占用小,可以在不影响原有生产和生活秩序的前提下提高原钢柱的承载能力。
卢亦焱[4]等对 11 根外粘钢板加固的圆形截面钢管进行了承载力试验研究,发现经过外粘钢板加固后的圆形截面钢管的极限承载力和刚度均得到提高,且粘贴钢板这种加固方式能够使粘贴结构与原钢管结构共同良好的工作。
隋炳强[5]等研究了存在初始负载的轴压圆钢管经外粘钢板加固后的弹塑性力学性能,进一步分析了初始应力比、长细比、加固层钢板厚度和残余应力等因素对加固后构件的极限承载力影响,发现轴压圆钢管的长细比和初始应力比对外粘钢板加固构件极限承载力的影响最为显著,并推导出了外粘钢板加固轴压杆的计算公式。
赵士永[6]等认为利用粘钢法加固钢结构可以避免因焊接引起的变形、应力等,且钢结构在负荷状态下也可以对其进行加固。对外粘钢板加固的工字型钢梁进行了有限元模拟研究,模拟结果与试验结果基本吻合,粘接钢板的厚度小于 5cm 时,钢梁的承载力与刚度随着厚度的增加而提升,当外粘的钢板厚度大于 5cm 时,钢板厚度对钢梁承载力的影响减弱。
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第 2 章 轴压型钢柱负载下外包加固试验与理论研究

2.1 工字型轴压钢柱负载下外包钢筋混凝土加固试验研究
2.1.1 试验目的
通过对 5 根外包钢筋混凝土加固轴压型钢柱试件进行承载力试验研究,得到了试件的破坏形态及竖向荷载-变形曲线变化规律,对加固柱的极限承载力进行了混凝土强度等级、型钢强度等级和型钢初始负载等参数的分析;试验测得了试件中型钢和混凝土这两种材料的中部及端部的纵横向应变分布随荷载变化规律、纵向受力钢筋中部的纵向应变随荷载变化规律,为此类加固方法的研究提供依据。
2.1.2 试件设计
本次加固柱静力荷载试验共设计了 5 根工字型轴压型钢柱负载下外包钢筋混凝土加固试件,分别是 1 根未负载和 4 根负载下加固的工字型轴压型钢柱试件。加固后试件的截面特征及试件外形如图 2.1 所示,试件编号及主要参数如表 2.1 所示。

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2.2 各国规范建议的型钢混凝土柱承载力计算方法
本文主要列举了前苏联、美国、日本及我国关于型钢混凝土柱的承载力计算方法,这些计算方法存在较大差异,且均未考虑型钢与混凝土的粘结滑移作用。各国规范中建议的承载力计算方法如下:
在前苏联的《苏联劲性钢筋混凝土结构设计指南》(CN3-78)[31]规范中,采取与普通钢筋混凝土受压构件相同的承载力计算方法,即将型钢离散成纵向钢筋,并将型钢视为能与混凝土始终保持良好粘结共同受压直至屈服。该计算方法仅考虑了箍筋和纵筋的作用,忽视了在荷载施加过程中型钢与混凝土之间粘结滑移现象的发生,即认为型钢与混凝土能良好共同工作,造成最终的计算结果值偏大[39]。
美国的《钢筋混凝土设计规范》(ACI)[40]中,通过采用截面换算法的理念来对 SRC 构件进行设计,即将型钢视为等值钢筋,该计算方法虽然考虑了构件内部的“变形协调”与“内力平衡”,但疏忽了在 SRC 构件内部中型钢残余应力和初始位移的存在[41]。轴压型钢混凝土柱的承载力计算理论公式为:

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第 3 章 考虑粘结滑移的轴压型钢柱负载下外包加固有限元分析........................... 37
3.1 引言............................ 37
3.2 有限元基本理论....................... 38
3.3 建立有限元模型.............................. 38
第 4 章 粘结滑移对负载下轴压型钢柱外包加固的影响研究........................ 58
4.1 粘结滑移对加固柱极限承载力影响的有限元分析.............................. 58
4.1.1 建立有限元模型........................... 58
4.1.2 有限元模拟结果对比............................. 59
第 5 章 结论与展望............................. 68
5.1 结论............................... 68
5.2 展望................................... 69

第 4 章 粘结滑移对负载下轴压型钢柱外包加固的影响研究

4.1 粘结滑移对加固柱极限承载力影响的有限元分析
4.1.1 建立有限元模型
不考虑粘结滑移作用时的有限元模型的建立过程与本文 3.3 节中考虑粘结滑移时的建模过程相似,建立 5 根试件的模型(C1~C5),需要注意的是在对材料间接触定义时,型钢与混凝土之间采用 Tie 技术完全绑定在一起,使两者在荷载作用下位移发展协调,不发生相对滑移。箍筋单元与纵筋单元则选用 Embeded 技术将其嵌入到混凝土中,使纵筋与箍筋与整个模型共同工作。型钢与混凝土之间两种不同粘结方式的有限元参数见表 4.1。

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第 5 章 结论与展望

5.1 结论
本文对工字型轴压钢柱负载下外包钢筋混凝土加固的力学性能进行了研究,得到以下结论:
(1)轴压型钢柱负载下外包钢筋混凝土加固后,其承载能力和刚度均得到显著提高。加固后试件的承载能力和刚度随初始负载的增大而减小,混凝土强度的增加使加固后组合柱的承载能力和刚度均增大,型钢强度的增加使加固后组合柱的承载力提高,而刚度有所降低。
(2)建立不考虑粘结滑移的 SRHC 柱有限元模型与已建立的考虑粘结滑移的SRHC 柱模型作横向对比。在有限元模拟中,考虑粘结滑移情况下的轴压型钢加固柱的极限承载力比不考虑粘结滑移的承载力极限值偏低,更靠近试验结果值;当对加固柱施加较低荷载时,两者荷载-位移曲线几乎重合,当施加的荷载增大到一定值时,两者荷载-位移曲线出现较明显偏差。当混凝土强度等级提高时,轴压型钢加固柱的承载力极限值受粘结滑移效应的影响较小;轴压型钢加固柱的承载力极限值受粘结滑移的影响随型钢强度等级提高和初始负载增加而降低,在工程实际中可通过提高强度等级和初始负载大小来抑制粘结滑移。
参考文献(略)

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