型钢高强混凝土界面黏结滑移试验研究与理论分析

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型钢高强混凝土组合结构由于承载能力高、刚度大、耐久性好等优点,在实际工程中得到越来越广泛的应用,在高强混凝土中埋置型钢形成的组合结构不仅能够充分发挥型钢优异的力学性能,同时还能规避高强混凝土明显的脆性问题,使高强混凝土应用于高层及超高层建筑成为可能,从而实现了减小构件尺寸、减轻结构自重、增大建筑有效净空的目的。型钢与高强混凝土界面黏结滑移性能的是型钢高强混凝土组合结构最基本的研究领域之一,满足界面黏结力要求才能发挥型钢高强混凝土结构优异的性能,这对于建立一系列合理的强度、刚度计算方法提供支撑。本文设计12个型钢高强混凝土柱的推出试验,分别考虑混凝土强度、横向配箍率、保护层厚度、型钢锚固长度四种参数对自然黏结状态下型钢混凝土界面黏结滑移性能的影响,并分别在翼缘、腹板以及全截面设置剪力连接件研究抗剪件的有利作用,为了比较型钢混凝土界面滑移破坏前后力学性能,挑选8个形态较好的推出试件用于轴心受压。试验采用位移控制的加载制度,所获得的数据相比由力控制的加载制度更能准确反映黏结滑移破坏的全过程,并解决了传统的由力控制的加载很难获取试件达到峰值荷载后的下降段数据的问题。通过观察推出试件的破坏形态,分析得出各破坏形态下主要的受力特征,确定了黏结强度和滑移量的分布规律;通过获取的荷载-滑移曲线阐述了黏结强度和滑移量在各个阶段的对应关系;分别探讨混凝土强度、横向配箍率、保护层厚度、型钢锚固长度、抗剪件五种影响参数与型钢高强混凝土界面黏结滑移性能的关系;对型钢高强混凝土界面剪力传递机理进行分析,得到了黏结强度中三种组成成分(化学胶结应力、摩擦应力、咬合应力)的关系;建立型钢与混凝土界面层力的平衡方程,通过密布于型钢中部的电阻应变片获得滑移量与锚固长度之间的变化曲线;利用线性回归方法对有效黏结强度、初始黏结强度、极限黏结强度以及残余黏结强度建立计算公式,并借助于灰色关联理论对黏结强度计算公式进行优化,基于关联性系数提取的简化计算公式在满足精度要求的同时亦能带来计算的简便;由加载端荷载滑移曲线建立统一的无量纲化黏结强度-滑移曲线,并推导了曲线的本构关系表达式;基于能量的角度揭示了达到极限黏结强度时型钢高强混凝土柱界面内部塑性变性能与弹性变形能的比例关系;运用刚度以及滑移等价原理建立界面的损伤变量,推导损伤变量的计算公式,并探讨各影响因素与损伤发展水平的关系;本文最后比较了几种规程中不同的计算方法,通过滑移破坏后型钢高强混凝土柱轴心受压极限承载力的计算值和实测值分析各种方法的利弊,并探讨影响参数与柱的极限承载力、弹性模量、变形性能、耗能能力等力学性能的关系。本文得到的型钢与高强混凝土界面黏结滑移性能的相关结论对型钢高强混凝土的应用具有一定的工程意义,为建立合理的计算方法提供了理论支撑。
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