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钢骨混凝土柱的常用含钢率在15%以内,本文对高含钢率钢骨混凝土柱的静力轴压承载特性、静力压弯特性进行了试验研究、有限元分析和截面NM相关关系分析,为此类高含钢率构件在工程设计、数值模拟和承载特性评估方面提供了参考依据。
本文首先结合CCTV新台址工程进行了3个含钢率为24.3%的钢骨混凝土试件的轴压性能物理试验。介绍了试验设计依据、试验现象和试验结果。对高含钢率情况下试件的荷载位移曲线特点、破坏形态和承载机理特点进行了分析,结果表明,高含钢率轴压柱承载性能发挥稳定、极限承载能力高、延性好,力学表现类似于钢骨混凝土柱的受力特性。
随后进行了8个含钢率分别为10%、15%和20%钢骨混凝土试件的静力压弯物理试验。介绍了研究参数及取值依据、试验现象和试验结果。重点考察了含钢率、轴压比等参数对试件承载特性的影响。结果表明,随着含钢率的提高,试件的水平承载能力逐步提高,随着轴压比的增大,试件的水平承载能力呈降低趋势。
在试验研究中,根据压弯柱的柱顶位移特点以及结构分析的需求,设计并试用了二维位移传感器。结果分析表明,经过改进和优化后,二维位移传感器可以用于柱顶二维位移的测量,满足结构工程分析的需求。
对物理试验进行了非线性有限元数值模拟,对试验结果和模拟结果进行了比较,验证了数值分析方法的可行性。对压弯柱的结果分析中,从材料组成的角度对构件的抗力组成情况进行了分析,从荷载组成的角度对试件的受弯荷载构成情况进行了探讨。分析结果表明,在轴向荷载的P—Δ效应情况下,较大的轴力会导致构件的水平承载能力大幅降低。
为补充物理试验研究参数的不足,利用有限元软件对高含钢率钢骨混凝土柱的承载特性进行了参数分析,重点考察了含钢率、轴压比、钢骨截面形式和钢骨截面延展性等参数。介绍了模拟结果,并对各研究参数对试件承载特性的影响进行了分析。分析结果表明:含钢率的提高会使试件的水平承载极值提高,但当标准轴压比达到0.80时,提高效果逐渐不明显。
在前述物理试验和有限元分析的基础之上,对构件的截面进行了基于N—M相关曲线的分析,在有限元软件ANSYS的基础上,编制了计算程序NMAPDL。基于N—M相关曲线,对物理试验结果和有限元分析结果进行了承载性能的评估,结果表明,所研究模型的水平承载富余度都在40%以上,可为实际工程设计中对组合截面抗弯承载力的评估进行参考。
本文最后对研究成果进行了总结,并提出了有待进一步研究的问题。