薄壁型钢管/胶合竹板组合柱抗压及抗震性能研究

摘要

以胶合竹板为主材，自主设计研发了一种新型的横向拉杆约束薄壁型钢管/多层竹胶板组合空芯柱(SBCCB)。空芯薄壁型钢管增大组合柱截面尺寸、减小试件长细比，能提高其抗压稳定性和极限失效荷载；配置约束拉杆能有效减少开胶破坏，影响其极限破坏模式而提高抗压承载力；灵活设计柱芯钢管尺寸和壁厚、竹胶合板厚度，可满足不同承载要求。SBCCB可用作多层装配式竹木房屋结构的竖向承载构件，实现以竹代木，有广阔的应用前景。SBCCB展现了优异的抗压和抗震性能，截面拼装简单，符合当前绿色建材和建筑工业化生产的需求。本文通过试验和数值分析，研究了SBCCB抗压和抗震破坏模式、变形、承载力以及界面开胶行为，构建了承载力计算模型。主要工作与结果：
　　(1)采用不带约束拉杆和带约束拉杆2组共10根方形组合短柱，进行材料抗压强度和弹性模量测试，并对基体粘结的抗拉和抗剪强度进行测试。测试表明竹胶合板柱有较高的顺纹抗压强度和弹性模量，可达到中等混凝土强度水平。
　　(2)通过2组24根不带约束拉杆组合柱试件的轴心和偏心抗压测试，考察试件破坏过程、变形特征、破坏模式和特征荷载，识别开胶、材料剥离以及失稳等破坏模式。不带约束拉杆试件的抗压破坏主要是柱端和柱身胶合界面的开胶破坏和局部材料剥离破坏，胶结抗拉和抗剪强度是影响其开胶破坏和极限承载力的决定性因素。根据测试结果分析了长细比、净截面面积、荷载偏心距、空心率等对抗压性能的影响；通过试验数据的非线性回归分析，建立了极限抗压承载力计算模型。
　　(3)通过2组18根SBCCB试件的抗压测试，考察破坏过程，变形发展特征、破坏模式和特征荷载，依据破坏裂缝情况、开胶和剥离破坏特征和位置、基体界面的应力松弛、荷载―位移关系等细观和宏观表现，识别开胶破坏、材料剥离破坏和局部开胶屈曲破坏等模式；通过分析SBCCB的长细比、净截面面积、截面组合方式、荷载偏心距以及约束拉杆间距对抗压性能的影响，讨论了组合柱几何设计参数与抗裂性能的关联。SBCCB试件的轴心抗压破坏为柱端和约束拉杆之间柱身的材料压折破坏和胶结基体之间的开胶破坏，以材料破坏为主；偏心抗压破坏主要为柱端基体开胶破坏、柱身约束拉杆之间受压面胶合面开胶剥离破坏和胶合竹板材料压折破坏。偏心抗压破坏主要受侧向挠曲程度控制，长细比越大挠度和附加弯矩越大，承载力的降低趋势越明显；抗压极限承载能力不仅与胶合性能、截面尺寸和长细比等因素相关，而且受截面组合方式影响。SBCCB试件的抗压试验结果表明，横向约束拉杆可有效抑制试件的开胶破坏，改变其极限破坏模式而显著提高极限承载力；随约束拉杆间距减小局部开胶翘曲变形减小。约束拉杆与薄壁型钢管的合理装配，减小了对胶结界面胶合强度的依赖而延缓了开胶失效。在试验测试的基础上进行了有限元数值模拟分析，实现与试验结果的互补。基于测试和数值分析数据，参考胶合木结构设计规范的方法，考虑长细比和材料强度等因素建立的SBCCB抗压稳定系数模型与试验测试结果吻合良好，可为其工程应用提供参考。
　　(4)通过9根SBCCB试件的低周反复拟静力荷载试验，考察SBCCB的破坏过程和形态，分析长细比、净横截面面积、截面组合方式以及约束拉杆对其受力和抗震性能影响。结果表明SBCCB破坏形态主要为柱脚胶合面的开裂破坏和胶合竹板材料横向断裂破坏，截面组合方式对其破坏模式有显著影响，增大组合柱截面尺寸和长细比能改善其抗震性能；SBCCB有较好的弹性变形能力和抗震耗能性能；约束拉杆能有效保证试件的整体性，抑制基体胶合界面开胶破坏。SBCCB的滞回曲线有明显的滑移捏拢特征，总体表现为弯曲或弯剪破坏特征；截面组合方式对试件抗震破坏模式有显著影响，增大组合柱截面尺寸和长细比能改善其抗震性能；组合柱有较好的侧向弹性变形能力和耗能性能，而弹塑性变形和延性能力不具优势。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 研究背景和意义

1.3 竹基材料柱的研究进展

1.4 本文研究目的和主要内容

第2章 薄壁钢管/胶合竹板组合柱材料力学性能

2.1 引言

2.2 材料力学性能

2.3 竹胶合板短柱抗压强度测试

2.4 本章小结

第3章 薄壁型钢管/竹胶板组合空心柱抗压性能

3.1 引言

3.2 试验方案

3.3 试验现象及破坏特征

3.4 影响因素分析

3.5 极限承载力计算模型

3.6 本章小结

第4章 带约束拉杆薄壁钢管/胶合竹板组合柱抗压性能

4.1 引言

4.2 试验方案

4.3 轴心抗压测试

4.4 偏心抗压测试

4.5 本章小结

第5章 带约束拉杆组合柱抗压数值模拟

5.1 引言

5.2 有限元模型构建的基础

5.3 试件数值模型

5.4 数值模拟结果与分析

5.5 本章小结

第6章 带约束拉杆组合柱抗压承载力计算方法

6.1 引言

6.2 基本假定和截面特征分析

6.3 轴心抗压承载力计算方法

6.4 偏心抗压承载力计算方法

6.5 本章小结

第7章 带约束拉杆组合柱抗震性能

7.1 引言

7.2 试验方案

7.3 试验结果及分析

7.4 承载力计算

7.5 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 主要研究结论

8.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文和申请专利目录

攻读博士学位期间主持和参加的科研课题