圆钢管自应力钢渣混凝土柱约束机理及力学性能研究

This project takes self-stressing steel slag concrete-filled circular steel tube(SSSSCFCST) column as the research object, using the method of combining model test, theoretical analysis with numerical simulation, the expansive performance of SSSSCFCST is studied, the development characteristics of self-stressing of steel slag concrete confined by circular steel tube is analyzed, the expansive mechanism of SSSSCFCST is revealed, and the calculation method of self-stressing of SSSSCFCST is put forward. The bearing capability and failure mechanism of SSSSCFCST column under static load is studied, the calculation method of bearing capacity, stiffness, deformation and load-displacement relationship of SSSSCFCST column subjected to axial compression and eccentric compression is presented, and the stress-strain model of SSSSCFCST column is also established. The failure mode, stress mechanism and energy dissipation mechanism of SSSSCFCST column under low cyclic loading is studied, the effect of various factors on dynamic characteristics and seismic performance of SSSSCFCST column is analyzed, the calculation method of the bearing capacity, stiffness degradation, limit value of axial compression ratio and ductility coefficient of SSSSCFCST column is proposed, and the restoring force model of SSSSCFCST column is also established. This research project will lay the foundation for the design and application of SSCFST column in civil engineering, and also promote the reuse of solid waste, so it has important theoretical and practical significance.

本项目以圆钢管自应力钢渣混凝土柱为研究对象，采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合方法，研究圆钢管自应力钢渣混凝土的膨胀性能，分析钢管约束下钢渣混凝土的自应力发展特点，揭示圆钢管钢渣混凝土的膨胀机理，提出圆钢管钢渣混凝土自应力的计算方法。研究静力荷载作用下圆钢管自应力钢渣混凝土柱承载性能与破坏机理，提出轴压和偏压荷载作用下圆钢管钢渣混凝土柱承载力、刚度、变形、荷载-位移关系的计算方法，建立圆钢管钢渣混凝土柱的应力-应变关系模型。研究低周反复荷载作用下圆钢管自应力钢渣混凝土柱破坏形态、受力机理和耗能机制，分析各因素对构件动力特性与抗震性能的影响规律，提出圆钢管自应力钢渣混凝土柱承载力、刚度退化、轴压比限值和延性系数的计算方法，建立圆钢管自应力钢渣混凝土柱的恢复力模型。本项目研究为钢管钢渣混凝土柱的设计以及在土木工程中的应用奠定基础，同时促进固体废弃物的再利用，具有重要的理论意义与现实意义。

本项目针对新型圆钢管自应力钢渣混凝土柱，以圆钢管自应力钢渣混凝土膨胀性能研究为基础，以圆钢管自应力钢渣混凝土柱力学性能研究为主线，重点解决静力荷载和低周反复荷载作用下圆钢管自应力钢渣混凝土柱的破坏形态、约束机理、受力性能、计算理论等关键问题。（1）开展钢渣混凝土材料配合比试验研究，分析钢渣掺量、钢渣取代率、钢渣砂粒径范围、水灰比等因素对钢渣混凝土抗压强度和膨胀性能的影响规律，揭示钢渣混凝土的破坏形态与膨胀机理，提出适用于钢管自应力混凝土的钢渣混凝土配合比、抗压强度和膨胀率的计算方法。在此基础上，开展补偿收缩钢渣混凝土柱轴压试验研究，揭示补偿收缩钢渣混凝土柱破坏形态和机理，建立补偿收缩钢渣混凝土柱强度、变形、弹性模量、泊松比及应力-应变关系的计算模型。（2）开展圆钢管钢渣混凝土柱膨胀性能研究，分析钢管约束下钢渣混凝土的自应力发展过程、特点及其影响因素，揭示构件的膨胀机理，提出构件自应力的计算方法。在此基础上，开展圆钢管自应力钢渣混凝土柱静力性能研究，分析长径比、径厚比、钢渣混凝土膨胀率和偏心距等因素对构件承载性能与破坏机理的影响，提出构件承载力、变形、刚度的计算方法，建立构件应力-应变关系、荷载-挠度关系和弯矩-曲率关系的计算模型。（3）开展圆钢管自应力钢渣混凝土柱抗震性能研究，分析轴压比、剪跨比、径厚比和钢渣混凝土膨胀率等因素对破坏形态、破坏机理、承载力、刚度、延性、滞回曲线、骨架曲线以及耗能能力的影响规律。提出低周反复荷载作用下构件的承载力、轴压比限值、刚度、延性系数的计算方法，确定构件骨架关系曲线和滞回规则，建立构件的恢复力模型。本项目研究为固体废弃物大宗量利用提供一种有效的途径，保护环境，节约自然资源。同时为工程结构提供更为经济合理的结构体系，显著降低工程造价，具有广阔的工程应用前景和发展空间。