文摘

为了促进风积沙的应用在核心筒复合结构,风成砂与内部提出了方钢管混凝土柱。这种列是由风成砂混凝土、钢筋、钢管内部广场。列的地震损伤行为研究通过循环荷载试验和损伤分析七个标本用不同的结构形式。地震损伤指数的标本在这项研究包括失效模式、承载力、延性、刚度、磁滞行为和能量耗散。然后,提出了这种柱的损伤模型。研究结果表明,安装一个内部广场钢管可以显著提高地震风成砂混凝土柱的破坏行为。这种模式的建筑可以用来提高风积沙的替代比例。此外,本文提出的损伤模型一致的实验结果,可以用来评估风积沙的损伤程度与内心的方钢管混凝土柱。

1。介绍

在半个多世纪中,世界上许多国家和地区将受到沙漠化严重威胁,引发的是风成砂。与此同时,大量的普通工程砂所需燃料基础设施建设的增加发生在世界各地。为了减少支出和环境危害造成的大规模使用普通工程砂,许多研究已经进行了风成砂混凝土。陈等人。1]研究了水胶比的影响,粉煤灰的内容,和沙漠砂替代率高强度沙漠砂混凝土的抗压强度。结果表明,它是可行的高强度沙漠砂混凝土,相对最好的替代沙漠砂的30%。董et al。2)混凝土进行冻融循环试验标本与风成砂混合。测试结果表明,该混合风积沙可以减少混凝土冻融损伤,最好的有效风成砂替代比例从20%到30%不等。Taryal和Chowdhury3]研究了水胶比、抗压强度和混凝土的收缩行为标本混合着沙漠的沙子。研究结果表明,混凝土的用水量增加的沙漠砂。此外,混凝土的抗压强度不会降低当控制沙漠砂的替代比例从0%降至40%。Abudou [4)生产一批沙漠砂钢筋混凝土梁在普通工程砂部分取代了沙漠的沙子。这些标本受到正常的部分失败的测试,结果表明沙漠砂混凝土梁有足够的承载力应用于工程建设。王等人。5]研究了沙漠砂混凝土柱的抗震性能和普通混凝土柱通过循环荷载试验。骨架曲线、滞回曲线、耗能能力、延性、刚度的两种标本进行比较和研究。实验结果表明,沙漠砂混凝土柱的能量耗散能力高于普通混凝土柱。这个结果提供了试验依据暴露的沙漠砂混凝土柱的抗震机理。

尽管许多研究人员已经做了很多研究在风成砂混凝土的力学性能,很少有研究风成砂混凝土的抗震性能组件。因此,有必要继续发展风积沙的应用在核心筒复合结构。本文提出了风积沙的发展混凝土柱由风成砂混凝土,钢筋,钢管内部广场。列的地震损伤行为研究使用循环荷载测试和损伤分析七个标本与不同的结构形式。

2。标本

2.1。样本设计

标本包括七列具有相同的几何尺寸,剪跨比和轴向压缩比率。PC1标本数量,那么,星际2,SC3, TSC1, TSC2和TSC3分别。表1显示了标本的特点。如数据所示1和2,大小和强化细节是相同的所有标本。标本的主要区别是,有方形钢管中间安装钢筋笼的标本TSC1 TSC2, TSC3。钢管的外部尺寸是100毫米×100毫米×1300毫米。钢管的厚度是3毫米。一些学生连接器均匀焊接在广场上钢管,确保适当的混凝土与钢筋之间的粘结,如图3。

表1
七个标本的特征。

图1
的大小和钢筋标本PC1,那么,星际2,SC3。

图2
的大小和钢筋标本TSC1, TSC2, TSC3。

图3
螺柱连接器焊接钢管。

表2显示了组件和混合比例的标本。考虑到风积沙的吸水性能,增加了减剂以减少用水量。混凝土的立方体抗压强度得到通过压缩试验机和样本的均值表所示3。表4显示了材料性能的钢管和钢筋。

表2
组件和混合比例的标本。
表3
混凝土强度的风成混凝土标本。
表4
材料性能的钢管和钢筋。
2.2。列试样加载

重点实验室的实验进行了土木工程结构和力学在内蒙古科技大学。加载装置如图4。在加载过程中,应用垂直荷载200 T液压千斤顶,轴向压力保持不变,水平低循环往复加载应用了500 kN电液伺服致动器固定在框架的反应。三线性位移传感器排列在顶部、中部和底部的列来测量位移的标本。为了方便地记录测试过程,规定,一方是扩展水平驱动器时,载荷和位移方向是积极的,和B面拉水平驱动器的合同时,载荷和位移方向是负的。


图4
混凝土试件测试设备。

采用混合控制方法的力和位移在这个测试(6,7]。前标本进入屈服阶段,采用力控制方法,力控制振幅5 kN,周期是每阶段的三倍。标本达到屈服时,采用位移控制方法,屈服位移的值是一个整数倍数Δy每阶段,循环三次。当水平载荷下降到85%的最大水平荷载,测试终止。测试现场如图5。


图5
测试现场照片。

3所示。实验结果

3.1。实验观察
3.1.1。列标本PC1

当水平荷载到达21.1 kN(负载了标本时如表所示5)和加载方向是积极的,第一个裂纹出现在张力区,这是120 - 210毫米的上部地基梁,和漂移率(漂移率是每个周期的峰值点的位移的标本除以试样的高度)的标本是0.006。与水平荷载和周期数的增加,裂缝逐渐增加,但大多数出现在底部的列。当标本进入屈服状态时,有一些新的裂缝,原始裂缝扩张明显,原始的深度和长度不断增加,裂缝和混凝土柱脚表现出一种剥落现象。在测试结束时,可以观察到大量的混凝土从列的脚,和一些纵向钢筋暴露了。这时,标本的漂移率是0.039。

表5
特征点列标本。
3.1.2。列标本那么

当水平载荷达到21.6 kN水平荷载方向是负的,第一个裂纹出现底部的标本,和漂移率为0.0054。与水平荷载和周期数的增加,形成了许多新的裂缝,原始裂缝继续进步。当标本进入屈服状态时,有一些新的裂缝,和具体脚下的列已经完全脱落。在测试结束时,混凝土的塑性铰区域观察到大变形;此刻标本的漂移率是0.042。同时,纵向钢筋接触和弯曲。

3.1.3。星际2列标本

当水平载荷达到23.2 kN和水平荷载方向是积极的,第一个裂纹出现底部的标本。与水平荷载和周期数的增加,许多新的裂缝出现,原始裂缝不断扩大。最终测试,类似于标本那么,在塑性铰区混凝土被压碎。许多混凝土碎片散落在地基梁的表面。公开的纵向钢筋也表现出屈服。

3.1.4。列标本SC3

负载标本SC3破裂时为24.7 kN。与水平载荷的增加,裂缝一般出现在的下半部分标本。最初的水平裂缝扩展向下45度,和柱脚混凝土剥落展出。标本失败时,在塑性铰区混凝土压碎,和许多碎片掉下来。暴露纵向钢筋弯曲,此刻和标本的漂移率是0.0489。

3.1.5。列标本TSC1

随着水平荷载的增加,更多的裂缝出现底部的标本。同时,现有的裂缝扩展。当力达到89.2 kN,裂缝出现的三分之一距离列在顶部的角度从0°35°。循环荷载继续采取行动时,混凝土底部的列开始略有皮。最后的测试,发现底部的混凝土试件有剥落现象,但剥落程度明显低于标本PC1,那么,星际2,SC3。同时,底部区域的纵向钢筋和内钢管弯曲了,此刻标本的漂移率是0.0751。

3.1.6。列标本TSC2

当力达到28.1 kN,几个小,主要是水平裂缝中创建张力区底部区域的标本。在接下来的载荷循环,一些裂缝出现的三分之一距离底部的列。当水平力增加,有许多斜裂缝中间列的一部分,和原始裂缝底部的列继续扩展。力达到92.1 kN的正方向,一些裂缝发生在柱的上部,这可以归因于这样一个事实:标本的上层混凝土的强度不能满足需求长期低循环循环荷载作用下的侧向力,尽管目前需求相比是少得多的底部列。与其他地区的裂缝相比,那些在列的下部更密集。最后,混凝土柱的底部发现去皮。同时,底部区域的纵向钢筋和内钢管弯曲,产生了。此刻标本的漂移率是0.0785。

3.1.7。列标本TSC3

力达到29.5 kN,几个小和狭窄的裂缝是下部的列。随着水平荷载的增加,一些裂缝发生在列的中间。在负载的进一步增加,类似于标本TSC2,几个裂缝形成的上部列。变形控制测试时,裂缝底部的一部分列与其他裂纹扩展和交叉。最后,它可以看到,纵向钢筋弯曲,产生了。同时,张力的钢管被撕裂。标本TSC1和TSC2相比,混凝土剥落的底部混凝土标本TSC3的更少。

失败的细节七标本图所示6。

(一)
(一)
(b)
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(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
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(g)
(g)
图6
失败的细节七标本。(一)PC1。(b)那么。星际2 (c)。SC3 (d)。TSC1 (e)。TSC2 (f)。(g) TSC3。

4所示。标本的分析性能

4.1。磁滞行为和骨架曲线

标本的磁滞曲线如图所示7。标本的骨架曲线如图所示8。在实验的开始,标本处于弹性状态,磁滞回路回到原点没有残余变形。随着力的增加,残余变形急剧增加。在此阶段,标本在塑料和不可恢复的状态。最后的测试,标本的承载能力随着变形的增加而减少。加载直到标本的承载力下降到最大水平载荷的85%。此时,标本被认为失败了。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
(g)
(g)
图7
磁滞曲线的七个标本。(一)PC1。(b)那么。星际2 (c)。SC3 (d)。TSC1 (e)。TSC2 (f)。(g) TSC3。

图8
骨架曲线的七个标本。

通过比较所有标本的滞后和骨架曲线,可以看出,标本TSC3最大位移和最大水平荷载。标本的磁滞回路PC1,那么,星际2,和SC3标本TSC1窄而不是丰满,TSC2, TSC3。TSC2,这个结果表明,标本TSC1 TSC3表现出更好的延性、承载力、能量耗散能力比其他标本。此外,当风积沙的替代比例是一样的,内在的标本钢管有更好的承载力,位移能力,和能量耗散能力比其他标本。因此,风积沙的组合与内钢管混凝土柱显著提高了地震损害的行为支持列。换句话说,研究人员可以提高风积沙的替代比例通过安装内钢管不减少风成砂混凝土柱的地震破坏行为。

4.2。特征点的标本

特征点测量在测试期间如表所示5。在这个表中,Fcr负载裂缝出现在标本时,Fy是负载当标本进入屈服状态时,F马克斯的最大价值是横向荷载试验期间,Δ吗cr的位移是标本当裂缝开始出现,Δ吗y时位移标本进入屈服状态,和Δ吗马克斯是标本的位移达到最大值时的横向荷载试验。当横向荷载达到最大横向荷载的85%,样品被认为是失败,此时负载Fu此时,位移是Δu。

表6显示了标本的位移延性系数。延性系数被定义为Δ的比率u对Δy。研究人员使用不同的定义来计算屈服位移;在这篇文章中,等效弹塑性能量吸收的定义(8)采用,如图9。

表6
位移延性系数的标本。

图9
屈服位移的定义。

从表5和6,我们看到的承载力七标本先后增加。标本TSC1-TSC3的承载力明显高于其他标本。例如,F马克斯的标本TSC1标本那么高出73.9%,F马克斯的标本TSC2是星际2的标本高出78.5%,F马克斯的标本TSC3 SC3高出77.2%。此外,延性系数和最终飘的标本TSC1-TSC3明显高于其他标本。例如,试件的延性系数TSC1高出16.1%的标本那么,试件的延性系数TSC2是星际2的标本高出15%,和试件的延性系数TSC3 SC3高出8.3%。

从这个分析,可以得出以下结论。当风积沙的替代比例是一样的,内在的标本钢管有更好的承载力和延性比其他标本。这种现象是由于试样的力学性能明显提高了内钢管的安装。首先,内钢管和室内混凝土抵抗侧向力起着关键作用。第二,外部钢筋混凝土可以提供一定克制内心的钢管。第三,有一个箍效应从室内的钢管混凝土;这使核心混凝土存在于一个三相压缩状态。换句话说,内钢管的安装延误了标本的进入塑性状态。因此,研究人员可以提高风积沙的替代比例通过内钢管的安装没有减少风成砂混凝土柱的承载力和延性。

4.3。累计能量耗散

在加载过程中耗散的能量是由磁滞回线的面积反映。因此,每个磁滞回线面积累计的累积能量耗散的标本。累计能量耗散的七个标本图所示10。在这里,积累能量耗散的标本TSC1-TSC3明显大于其他标本;这表明内钢管的安装可以提高标本的能量耗散能力。


图10
累计能量耗散的标本。
4.4。刚度退化

标本的割线刚度退化系数曲线如图所示11。横坐标代表漂移率(漂移率是每个周期的峰值点的位移的标本除以试样的高度)的标本。纵坐标代表割线刚度。在这里,割线刚度(9)的所有标本的漂移的增加而减少。更重要的是,标本的刚度退化速度TSC1, TSC2, TSC3是低于其他的标本。随着力和位移的增加,纵向钢筋产量,导致标本的割线刚度PC1-SC3显著减少。然而,标本TSC1、TSC2 TSC3,内心的钢管,有足够的刚度储备抵抗侧向加载;这导致较慢的刚度退化。总之,内部安装钢管的刚度退化行为可以显著提高标本。


图11
割线刚度退化系数曲线的标本。

5。损伤分析

损伤模型可以定量描述样本的损伤程度。摘要两种损伤模型用于分析地震损伤演化的整个过程内钢管的标本。

5.1。单个参数损伤模型

首先,本文使用由美国学者Roufaiel stiffness-based损伤模型修正和迈耶10]。这个模型的表达式 在哪里Ky割线刚度对应时刻的标本在屈服点吗K米割线刚度对应时刻的标本是在破坏点。当D1> 0,标本开始蒙受损失。当D1= 1,标本已经完全失败了。然而,Roufaiel假定没有损害发生在标本在屈服之前,这是不符合实际的测试结果。在本文中,这个模型只使用两个参数模型作为参考依据。表7给出了计算结果D1标本TSC1-TSC3;这四个数据对应于各种漂移率。

表7
计算结果的损坏率。
5.2。两个参数损伤模型

整个测试过程表明,刚度退化反映了损伤程度的标本。一些学者[11)验证刚度退化作为损伤参数的合理性。然而,刚度退化不能完全反映元素的损伤程度。因此,吴et al。12]认为反映元素的通道损坏,刚度退化和滞回耗能反映元素的累积伤害;是(刚度退化和能量耗散)提出了损伤模型。这个模型使用刚度退化指数未能反映元素的最大力量的反应。同时,累积滞回能量作为元素的损伤指标的反映。的公式如下: 在哪里Ko是割线刚度对应时刻的结构元素在屈服点,K我是割线刚度对应的位移峰值点元素,E我为每个元素的累积滞回能量加载段,Eu是终极的滞回能量元素在单调加载下,然后呢β是能量耗散因子和安装的物理几何参数元素。的变量β可以计算出 在哪里λ元素的长细比,n元素的轴向压缩比,δ是组件箍系数,可以计算出的 在哪里f年代钢管的屈服强度,fc填充混凝土的抗压强度,一个年代钢管的横截面积,一个c混凝土的横截面积,λ剪跨比。

使用方程(2)- (4),计算结果D2不能反映测试的实际情况,因此该模型需要修改。首先,相对应的损伤指数的测试设置为1;也就是说,方程(2)= 1,割线刚度和能量累积滞值计算代替β价值。其次,根据方程的数学模型(3),统计进行拟合分析β值和轴压比、长细比和箍系数的标本。修改后的参数表达式β是

使用方程(2),(4)和(5)的计算结果D2如表所示7。与单个参数损伤模型相比,两个参数损伤模型考虑累积损伤的影响的标本。因此,利用该模型分析了风积沙的破坏过程与内钢管混凝土柱是更准确。

6。结论

风成沙与内部提出了方钢管混凝土柱。列的地震损伤行为研究通过循环荷载试验和损伤分析。可以得出以下结论:(1)同样的负载,风积沙的损伤程度与一个内钢管混凝土标本小于其他标本。(2)研究结果表明,安装一种内在的钢管可以实现延性显著改善,磁滞行为、刚度退化、承载力、风成砂混凝土柱的能量耗散能力。因此,研究人员可以提高风积沙的替代比例通过安装内钢管在不影响风成砂混凝土柱的地震破坏行为。(3)损伤模型修正本文更符合破坏过程与这些测试的标本。是可行的,使用这个模型来分析整个破坏过程的风成砂与内心的钢管混凝土柱。

数据可用性

数据、模型和代码生成或用于支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文由国家自然科学基金(51868059)。

补充材料

(1)骨架曲线:名为“骨架曲线的坐标”的文件显示了骨架曲线的坐标点对应的图8。在这个文件中。”FΔ“代表了横向荷载和位移。(2)累计能量耗散:名为“累积能量耗散的坐标”的文件显示累积能耗图对应的坐标点10。在这个文件中。”EΔ“代表累积能耗和代表位移。(3)刚度退化:名为“割线刚度的坐标”的文件显示的坐标点割线刚度对应的图11。(补充材料)