多重螺旋箍筋增韧轻质混凝土抗震性能研究

摘要

地震是人类面临的严重自然灾害之一。我国属地震多发国家,需要考虑抗震设防的地域分布广,研究建筑结构的抗震性能十分必要与迫切。地震力与结构的自重有关,降低静载重可以减小建筑物在地震时的惯性力,从而降低建筑物的地震反应。轻集料混凝土具有自重轻、轴压强度高、与钢筋的弹性阶段协同工作能力强、抗裂性能和抗震性能好的优点,若将其用于抗震结构无疑具有极大的潜力。但由于轻集料混凝土的强度通常较低,弹性模量较小,脆性问题突出,直接将其用于钢筋混凝土柱还存在强度、刚度和延性难以满足重要建筑结构要求的技术问题。据此,本文对由普通优质集料取代部分轻集料制备而成的高强轻质混凝土(HSLC)的性能进行了研究,建立了高强轻质混凝土的本构关系,探明了混凝土材料与钢筋的配合关系,探讨了高强轻质混凝土与钢筋的匹配设计原理,提出了采用多重螺旋箍筋形式对高强轻质混凝土进行增韧的抗震设计方法,通过理论分析和力学计算得到了多重螺旋箍筋柱正截面承载力计算公式,对高强轻质混凝土-多重螺旋箍筋柱抗震性能和经济性进行了综合分析。
　　 论文开展的主要工作和取得的重要成果有:
　　 制备了强度等级为C60高强混凝土(HSC)、高强轻集料混凝土(HSLAC)和HSLC,获得了HSC、HSLAC和HSLC的单轴受压应力-应变全曲线,分析了三种混凝土材料的裂缝扩展模式和在单轴荷载作用下的变形特性及破坏形态。对高强轻质混凝土应力-应变全曲线进行数据拟合,得到其应力-应变全曲线数学方程式,为高强轻质混凝土结构设计与有限元分析提供了参考依据。
　　 基于抗震性能的要求,研究了混凝土材料与钢筋的配合关系,对普通箍筋约束HSLC、HSC和HSLAC受压构件进行了低周反复荷载试验,对比研究了相同箍筋约束条件下,HSLC、HSC和HSLAC三种混凝土框架柱的破坏形态、滞回特性、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。结果表明,用普通优质集料取代部分轻集料可以提高轻集料混凝土的抗震性能,HSLC不仅可以降低结构自重,减小地震破坏力,还可以满足重要结构对混凝土承载力、刚度和延性的要求。通过体积配箍率对钢筋HSL柱抗震性能影响规律的研究,探明了混凝土材料与钢筋的配合关系,探讨了HSLC与钢筋的匹配设计原理。
　　 依据HSLC的物理力学性能及其与钢筋的配合关系,鉴于圆形螺旋箍筋优异的约束效应,提出了利用多重螺旋箍筋对HSLC进行增韧的抗震设计思路和设计方法,设计制作了单螺旋、4-螺旋和5-螺旋箍筋约束HSLC框架柱试件;针对现有关于约束混凝土理论模型用于分析多重螺旋箍筋柱存在的问题,从单个螺旋箍筋柱力学理论出发,分析了多重螺旋箍筋混凝土柱的正截面承载能力,提出了多重螺旋箍筋混凝土柱正截面强度计算公式,该公式为多重螺旋箍筋柱的设计及研究提供了理论及计算依据。
　　 系统研究了单螺旋、4-螺旋和5-螺旋箍筋形式下,钢筋HSLC柱的破坏特征、滞回特性、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能,重点研究了轴压比和配筋率对5-螺旋箍筋柱的影响作用,并对高强轻质混凝土-多重螺旋箍筋柱抗震性能和经济性进行了综合分析。结果表明,5-螺旋箍筋技术可以大幅度提高钢筋HSLC框架柱的延性和耗能能力;在相同抗震设防等级下,多重螺旋箍筋增韧高强轻质混凝土比普通钢筋混凝土降低自重近20％,减少用钢量高达15％以上,大大降低了构件抗震设防成本。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 钢筋混凝土柱抗震性能研究意义

1.3 混凝土材料抗震性能的研究现状与存在问题

1.3.1 混凝土材料改性

1.3.2 混凝土材料减重

1.4 钢筋混凝土柱箍筋形式的研究进展

1.4.1 普通单片箍

1.4.2 传统复合箍

1.4.3 螺旋箍

1.4.4 复合螺旋箍

1.4.5 多重螺旋箍

1.5 课题的提出

1.5.1 高强轻质混凝土结构性能研究

1.5.2 高强轻质混凝土与钢筋的优化匹配

1.6 本文主要研究内容

第2章 高强轻质混凝土性能及本构关系研究

2.1 高强轻质混凝土制备技术与性能研究

2.1.1 原材料与试验方法

2.1.2 轻质混凝土的性能及影响因素

2.1.3 轻集料-水泥石界面强化技术

2.2 单轴受压应力-应变全曲线试验研究

2.2.1 试验条件与试验方法

2.2.2 混凝土的破坏机理

2.2.3 应力-应变全曲线反映的强度和变形指标

2.2.4 棱柱体试件受力破坏过程

2.3 应力-应变本构关系

2.3.1 应力-应变本构关系模型

2.3.2 高强度等级混凝土应力-应变全曲线方程

第3章 高强轻质混凝土与钢筋的配合关系

3.1 原材料与试件尺寸

3.1.1 原材料

3.1.2 试件尺寸

3.2 试验方法与试验仪器设备

3.2.1 试验方法

3.2.2 加载设备

3.2.3 测定布置

3.2.4 试件数据采集

3.2.5 主要量测内容

3.3 抗震性能试验结果与分析

3.3.1 裂缝发展过程及破坏形态

3.3.2 “荷载-位移”滞回性能

3.3.3 特征荷载和特征位移

3.3.4 延性性能和刚度退化分析

第4章 多重螺旋箍筋增韧高强轻质混凝土抗震设计

4.1 设计理论

4.2 构件制作

4.2.1 原材料与试验方法

4.2.2 多重螺旋箍筋强韧化配筋设计

4.2.3 测点布置

4.3 多重螺旋箍筋柱承载力分析

4.3.1 约束混凝土预测模型

4.3.2 多重螺旋箍筋柱力学理论分析

4.4 多重螺旋箍筋柱承载力计算

4.4.1 单螺旋箍筋柱正截面承载力

4.4.2 4-螺旋箍筋柱正截面承载力

4.4.3 5-螺旋箍筋柱正截面承载力

第5章 高强轻质混凝土-多重螺旋箍筋柱抗震性能研究

5.1 裂缝发展过程与破坏形态

5.1.1 裂缝发展过程

5.1.2 破坏形态

5.2 滞回特性

5.2.1 滞回曲线

5.2.2 骨架曲线

5.2.3 特征荷载和特征位移

5.3 延性性能与刚度退化

5.3.1 延性分析

5.3.2 耗能能力

5.3.3 刚度退化分析

5.4 高强轻质混凝土-多重螺旋箍筋柱优越性分析

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读博士期间发表论文及参研项目

致谢