成束筒约束混凝土矩形柱轴心受压性能试验研究

摘要

普通矩形截面钢筋混凝土(RC)柱在强震中的典型破坏特征之一为端部混凝土压碎脱落和纵筋压曲外凸，使得柱残余承载力严重偏低，导致房屋容易发生倾斜甚至倒塌，造成人员伤亡和经济损失。为了提升矩形RC柱的承载力与延性，本课题组提出了成束筒箍筋约束形式来增强矩形截面柱的端部。为此，本文针对成束筒约束混凝土矩形柱的轴心受压性能开展了试验研究与分析。
　　本文共完成了8根矩形截面柱的轴心受压试验，其中4根柱为成束筒约束混凝土矩形柱，另外4根柱为普通矩形箍筋约束混凝土柱。试验结果表明:成束筒约束混凝土矩形柱在发生破坏时延性较好，其荷载-位移曲线可以分为四个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、下降阶段和破坏残余阶段;成束筒约束混凝土矩形柱截面根据混凝土侧向约束的不同可以分为四个区域，即强约束区、弱约束区Ⅰ、弱约束区Ⅱ和无约束区。在整个加载过程中，无约束区、弱约束区Ⅱ和弱约束区Ⅰ的混凝土依次逐渐退出工作。在相同体积配箍率条件下，成束筒约束混凝土矩形柱的峰值荷载比相应的普通矩形箍筋约束混凝土柱可能提高，也可能降低，其结果取决于圆形螺旋箍筋的体积配箍率与矩形箍筋的体积配箍率之比λ。当λ小于3时，成束筒约束混凝土矩形柱的峰值荷载表现为降低;反之，成束筒约束混凝土矩形柱的峰值荷载表现为提高。成束筒约束混凝土矩形柱的峰值点位移比相应的普通矩形箍筋约束混凝土柱大，荷载-位移曲线的下降段更平缓，后期的残余承载力相对较高。成束筒约束混凝土矩形柱在轴向应变为0.02和0.03时，其残余承载力（P0.02、P0.03）与对应峰值荷载(P)的比值分别为普通矩形箍筋约束混凝土柱的2.0、1.7-1.8倍。随着圆形螺旋箍筋的体积配箍率逐渐降低(2.052％、1.360％、1.024％)，P0.02/P由62.2％降到37.3％;P0.03/P由47.6％降到27.3％。
　　结合试验研究结果，本文基于Mander et al.的箍筋约束混凝土的强度与应变计算模型，给出了适用于成束筒约束混凝土矩形柱的峰值点承载力与对应轴向应变的理论计算公式，并将理论计算值与试验值进行了对比，结果吻合的较好。
　　最后，本文建立了适用于成束筒约束混凝土矩形柱的有限元分析模型，并对混凝土强度等级和钢筋强度等级两个影响参数进行了补充分析。分析结果表明:随着混凝土强度等级的提高，成束筒约束混凝土矩形柱的峰值荷载增大，但其峰值点应变呈现减小趋势;随着钢筋等级的提高，成束筒约束混凝土矩形柱的峰值荷载和峰值点应变均呈现增大趋势。此外，有限元模拟分析结果还进一步验证了上述理论计算公式的合理性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状及分析

1．3 研究目的与方法

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究方法

第二章 成束筒约束混凝土矩形柱试验设计

2．1 试件设计

2．2 试件制作

2．3 材料力学性能

2．4 加载方案和测量内容

2．4．1 加载方案

2．4．2 测量内容

2．5 本章小结

第三章 成束筒约束混凝土矩形柱轴心受压试验结果与分析

3．1 试件加载过程与破坏形态

3．2 工作机理分析

3．3 峰值荷载

3．4 荷载-位移曲线

3．5 荷载-应变曲线

3．6 箍筋应变

3．7 本章小结

第四章 成束简约束混凝土矩形柱承载力与变形计算方法

4．1 普通混凝土本构关系

4．2 箍筋约束混凝土本构关系

4．2．1 Kent-Park模型

4．2．2 Sheikh-Uzumed模型

4．2．3 Mander et al．模型

4．2．4 Saatcioglu-Razvi模型

4．3 峰值点承载力计算

4．3．1 强约束区混凝土峰值强度

4．3．2 弱约束区混凝土峰值强度

4．3．3 承载力

4．4 峰值点应变计算

4．5 本章小结

第五章 成束简约束混凝土矩形柱轴心受压非线性有限元分析

5．1 有限元分析概述

5．1．1 有限元法的基本思想

5．1．2 有限元方法的分析步骤

5．1．3 ABAQUS有限元分析软件

5．2 ABAQUS有限元模型的建立

5．2．1 建模方式

5．2．2 单元类型

5．2．3 材料模型

5．2．4 几何模型

5．2．5 网格划分

5．2．6 加载方式

5．3 有限元模型的验证

5．3．1 ABAQUS计算结果应力分析

5．3．2 荷载-位移曲线对比

5．4 参数分析

5．4．1 混凝土强度等级的影响

5．4．2 钢筋强度等级的影响

5．4．3 理论计算验证

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

在校发表论文

致谢