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圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回性能思考

日期:2023年04月08日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:351
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202303292004596363 论文字数:36533 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,笔者此次进行圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回力学性能的试验研究与理论研究,先是设计并且进行了12个圆钢管废弃钢渣混凝土构件在低周往复荷载作用下的试验研究。考察参数为钢渣替代率和轴压比时,圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回性能的变化。

1绪论

1.1研究背景及意义

(1)废弃钢渣产量巨大且污染环境,提升其利用率迫在眉睫

我国是产钢第一大国,2021年,全国粗钢产量10.33亿吨,钢渣产量约为粗钢产量的8%~15%,可初步计算仅2021年就产生废弃钢渣0.83~1.55亿吨。钢渣产量巨大。目前全国钢渣累积堆存约10亿吨,大量钢渣堆积如山,造成巨大的资源浪费和环境污染,钢渣综合利用迫在眉睫。科学环保合理的利用这些废弃材料,是广大科研工作者们研究的方向。混凝土作为主要的建筑材料正在以每年约80亿吨的速度消耗天然骨料,传统混凝土大多以砂石为骨料,大规模的开采砂石对环境有着非常不利的影响,并造成自然资源极大浪费。

2021年3月《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》[1]中指出钢渣等大宗固体废弃物量大面广、环境影响严重、利用前景广阔,是资源综合利用的核心领域。推进钢渣等大宗固废综合利用对提高资源利用效率、改善环境质量、促进经济社会发展全面绿色转型具有重要意义。

钢渣混凝土既可以减少天然骨料和土地的资源浪费并促进工业废弃物的再利用,实现资源环境的可持续发展又能降低废弃钢渣对环境的污染,保护生态环境同时带来一定的经济效益。

(2)天然骨料价格高,钢渣混凝土可以有效降低成本

近几年,由于国家环保政策和能源政策的调整,碎石等天然骨料的市场供应日趋紧张,市场价格也不断攀升。其作为辅助性胶凝材料降低混凝土配料成本的功能已不再凸显,各种替代天然骨料的材料纷纷登场。诸多替代材料中,钢渣由于价格优势和性能优势,成为替代天然粗骨料参与混凝土配料的主流材料。因其具有火山灰活性且对混凝土的和易性具有明显的改善作用,综合利用率不断提升。长期以来,钢渣作为一种综合利用率相对较低的工业固废,其市场价格一直处在低位。市场价格的此消彼长,使得钢渣价格已远低于砂石。所以采用钢渣作为天然粗骨料的替代材料,可以降低混凝土的配料成本。

1.2研究目的

本文的研究主要目的是通过对圆钢管废弃钢渣混凝土构件的荷载-位移滞回性能进行试验研究及理论分析,探索参数变化对圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回性能的影响规律,在此基础上,提出圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回性能恢复力模型。在减少钢渣污染保护环境、降低混凝土成本的同时补充钢管废弃钢渣混凝土构件的相关研究,为实际工程提供有利需求,为有关国家规范和技术需要提供参考。

土木工程论文参考

2圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回试验研究

2.1试验概况

2.1.1试件设计

试件设计时参考以往试件尺寸并结合实际情况,选取重要并可能影响试件滞回性能和破坏模态的参数,考虑到试验对时间、人力和资金的耗费,尽可能在包含全部参数并可达到试验预期效果的同时,减少试件个数。为了达到研究的目的,本次试验共设计了12根圆钢管废弃钢渣混凝土柱,选取了轴压比和钢渣替代率作为重要参数。薄壁钢管内径厚度、外径厚度和钢管长度全部相同。试件采用Q355B直缝钢管,钢管外径为160mm,钢管壁厚为3mm,试件长度为1600mm,钢渣混凝土替代率分为0%、50%、100%,轴压比分别为0、0.3、0.6。试件具体参数如表2.1所示。

2.1.2试件制作

此次试验的研究对象为6组12个圆形截面的钢管废弃钢渣混凝土构件,每组两个构件相同,第6组空钢管为试验对照构件。试件加工时,首先制作空钢管,并保证钢管两端截面平整,钢管长度为1600mm,钢管厚度为3mm,钢管外径为1600mm,圆钢管上下两端均分别设有比截面边长大的端板。试件制作是试验研究非常重要的一部分,制作结果直接影响试验结果。试件的制作过程主要包括:卷制钢管、焊接一侧端板、浇筑混凝土、焊接另一侧端板和粘贴应变片。

2.2试验方法

2.2.1试验加载装置

本试验是研究圆钢管废弃钢渣混凝土柱的低周往复荷载性能,试验在沈阳建筑大学结构工程试验室进行,加载装置简图如图2.6所示,加载装置全貌如图所示2.7。试验装置采用MTS液压伺服加载系统,加载装置主要由刚架、50t侧向油压千斤顶、MTS液压伺服作动器等组成。首先将柱横放,试验时试件水平放置,两端分别用六颗高强螺栓与平板铰连接,试验采用在柱中点即竖向循环增加的往复荷载(P或Δ),在柱顶对试件施加水平恒定轴压荷载(N0)的加载方式。其中恒定轴压荷载由水平放置的500 kN千斤顶施加,通过专门的油泵装置控制,试验过程中调节油阀保持轴力恒定。循环增加的往复荷载由一个位于试件跨中位置的100t的MTS伺服液压加载系统施加,作动器最大行程±500 mm。作动器与试件通过刚性夹具连接,刚性夹具水平方向长200 mm。由固定于钢架上的竖直方向液压伺服作动器施加竖向反复荷载,由安装在钢架侧向上的一个50t油压千斤顶施加水平荷载。水平荷载通过铰接头施加在钢管上上,两侧铰接头分别与钢管两侧的端板通过螺栓相连接,其中50t油压千斤顶一侧的铰接头处上下设有滚轴,以使其在收到位移时能够自由滑动。在轴压比较大的试件前后方向,伺服液压加载器处各设置了一对侧向支撑装置,以避免试验过程中试件发生面外失稳。

2.2.2试验测量装置

本次试验采用位移计和应变片对试件位移和试件表面应变进行准确和详细的测量。

在每个试件表面各粘贴8片电阻应变片,采用标距3mm×2mm电阻应变片,电阻值120Ω。以图2.7视角为基准,在试件1/2处的同一竖向截面上,从上中心点到下中心点按距离在试件外表面分成5个测点。测点1、3、5均贴2片应变片,其中横向1片,环向1片。测点2、4贴横向1片应变片,具体见图2.8。贴片前,先将贴片位置打磨光滑,并用酒精清洗干净,以尽可能消除由于试件表面不平整等引起的误差,然后用502胶水将应变片粘贴于磨平的钢板表面。应变片通过采集板最终连接到控制室,通过控制室电脑来调整和读取应变片的读数、描述钢管在试验过程中所处的状态。

3圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回性能有限元分析...........................37

3.1钢材和核心混凝土的本构关系...............................37

3.1.1钢材应力—应变关系模型..................................37

3.1.2核心混凝土本构关系................................39

4圆钢管废弃钢渣混凝土构件恢复力模型..........................52

4.1概述................................52

4.2荷载一位移恢复力模型..............................52

4.3本章小结..........................57

5结论和展望.........................59

5.1结论................................59

5.2创新点................................59

4圆钢管废弃钢渣混凝土构件恢复力模型

4.1概述

恢复力模型是进行结构非线性抗震分析的基础,由于地震作用过程变形速度不快,且是反复多次循环加载过程,因此,可在结构恢复力特性实验研究的基础上加以综合、理想化而形成简化的恢复力模型。确定恢复力模型的试验方法目前多采用结合低周往复荷载实验并进行理论分析得到[29]。结构或构件的水平荷载-水平位移骨架曲线模型及滞回曲线模型统称为恢复力模型。寻求一种计算速度相对快一点,可以用统一的曲线方程描述,可以直接用于结构抗震分析,也可以于工程应用的计算模型。

现有的恢复力模型主要有曲线型和折线型两种,曲线形恢复力模型由连续曲线构成,刚度变化连续,可以较为准确地计算出圆钢管废弃钢渣混凝土滞回构件的荷载(P)-位移(Δ)滞回关系曲线,但其刚度计算方法较复杂,不便于工程设计应用;折线型恢复力模型由多段直线段构成,刚度变化不连续,存在拐点或刚度突变点,但由于刚度计算方法较为简单,在工程实际中应用较为广泛。为此有必要提供简化的圆钢管废弃钢渣混凝土柱P−Δ实用计算模型。简化模型要求能够反应结构的实际恢复力曲线特征,也要便于数学描述以便应用。

综上,本章基于上一章中各参数对圆钢管废弃钢渣混凝土滞回构件P-Δ滞回曲线骨架线和加/卸载路径的影响,对文献[29]提出的圆钢管混凝土构件P-Δ恢复力模型,以及模型中有关参数的计算公式进行修正,提出圆钢管废弃钢渣混凝土滞回构件的P-Δ恢复力模型,使之适合于圆钢管废弃钢渣混凝土构件。并利用有限元模拟结果和试验结果验证恢复力模型的准确性。

5结论和展望

5.1结论

此次进行圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回力学性能的试验研究与理论研究,先是设计并且进行了12个圆钢管废弃钢渣混凝土构件在低周往复荷载作用下的试验研究。考察参数为钢渣替代率和轴压比时,圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回性能的变化。然后利用通用软件ABAQUS建立圆钢管废弃钢渣混凝土构件滞回性能分析的有限元模型,并利用试验结果验证有限元模型的准确性。在以上结果的基础上建议圆钢管废弃钢渣混凝土构件的恢复力模型。通过本文之前的探讨分析,能够得出如下主要结论:

(1)低周往复荷载作用下构件的鼓曲破坏总体上对称发生在夹具附件,并逐渐向长度方向发展,最终试件钢管在夹具附件鼓曲成完整“灯笼”形。试件的荷载-位移滞回曲线呈饱满的梭形,捏缩现象不明显,表现出良好的耗能能力和延性。

(2)低周往复荷载作用下构件的承载力、累积耗能和延性系数随轴压比的增大和钢渣替