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      鋼管再生混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究

      2016-08-30 05:57:07孟二從伍小萍蘇益聲
      關(guān)鍵詞:層間抗震鋼管

      孟二從,伍小萍,楊 震,蘇益聲,3

      (1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 廣西南寧530004; 2.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院, 重慶400715;3.廣西大學(xué)廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004)

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      鋼管再生混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究

      孟二從1,2,伍小萍1,楊震1,蘇益聲1,3

      (1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 廣西南寧530004; 2.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院, 重慶400715;3.廣西大學(xué)廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004)

      為了從結(jié)構(gòu)層面對(duì)鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究,以梁截面高度為變化參數(shù),設(shè)計(jì)制作了2榀100%取代率的方鋼管再生混凝土柱—鋼筋再生混凝土梁框架,并對(duì)其進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)。結(jié)果表明:框架的滯回曲線呈現(xiàn)為飽滿的梭形,試件破壞時(shí)的等效黏滯阻尼系數(shù)heu在0.22以上,表明該框架結(jié)構(gòu)具有良好的耗能性能;試件破壞時(shí)的層間位移轉(zhuǎn)角在1/39左右,表明該框架結(jié)構(gòu)具有較好的抗倒塌能力。隨著梁截面高度的增加,試件的承載能力及初始彈性剛度會(huì)逐漸上升,而其延性系數(shù)則會(huì)逐漸下降;峰值荷載之前,增加梁的截面高度可以提升框架的耗能性能,峰值荷載之后,增加梁的截面高度則會(huì)降低框架的耗能性能,而梁截面高度對(duì)框架在達(dá)到峰值荷載后的殘余剛度影響則相對(duì)較小。

      鋼管再生混凝土框架;抗震性能;試驗(yàn)研究

      再生混凝土(recycledaggregateconcrete,簡(jiǎn)稱(chēng)RAC)是指將廢棄混凝土塊經(jīng)破碎、篩分、清洗后得到的再生骨料部分或全部替代天然骨料而制成的新混凝土[1],它是解決建筑垃圾問(wèn)題的有效途徑之一,但再生骨料在破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的原始損傷[2-3],因此配制而成的RAC的力學(xué)性能會(huì)有一定的缺陷。如何彌補(bǔ)這些缺陷則是推廣應(yīng)用RAC技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

      將RAC填充于鋼管之中形成的鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)(recycledaggregateconcretefilledsteeltubestructure,簡(jiǎn)稱(chēng)RACFST結(jié)構(gòu))由于外部鋼管的約束作用,可以有效提升鋼管內(nèi)核心RAC的承載能力及變形性能,從而可以有效彌補(bǔ)由再生骨料配制而成的RAC的相關(guān)性能缺陷,而RAC的存在又可有效限制鋼管發(fā)生局部屈曲,進(jìn)而可以充分發(fā)揮兩種材料的力學(xué)性能,因而RACFST結(jié)構(gòu)具有廣闊地推廣應(yīng)用價(jià)值[4]。目前國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)RACFST結(jié)構(gòu)的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行了研究,但大多集中于構(gòu)件的層面[5-12],而在結(jié)構(gòu)層面的研究還相對(duì)較少[13]。本課題組已在構(gòu)件的層面對(duì)RACFST結(jié)構(gòu)的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行了研究[14-16],研究表明:鋼管再生混凝土構(gòu)件和鋼管普通混凝土構(gòu)件的相關(guān)力學(xué)性能相差不大,RAC可以填充于鋼管之中形成RACFST結(jié)構(gòu),并且RACFST構(gòu)件具有較好地抗震性能。本研究在此研究背景基礎(chǔ)上,從結(jié)構(gòu)的層面出發(fā),設(shè)計(jì)制作了2榀100%取代率的鋼管再生混凝土柱—鋼筋再生混凝土梁框架,并對(duì)其進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn),以對(duì)鋼管再生混凝土框架的相關(guān)抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,進(jìn)而為鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用及理論研究提供參考。

      1 試驗(yàn)概況

      1.1試件設(shè)計(jì)

      試驗(yàn)以不同的梁高為變化參數(shù),設(shè)計(jì)制作了2榀方鋼管再生混凝土柱—鋼筋再生混凝土梁框架,其編號(hào)分別設(shè)為RACFST-1及RACFST-2,鋼管采用截面尺寸為150mm×150mm,壁厚為6mm的Q235方鋼管,鋼管內(nèi)及梁內(nèi)均采用取代率為100%的再生混凝土,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為C40,1m3再生混凝土配合比為水泥∶砂∶再生粗骨料∶水=500∶542∶1153∶205,RAC梁的的截面尺寸分別取為100mm×200mm(RACFST-1)及100mm×250mm(RACFST-2),RAC梁內(nèi)縱筋均為直徑14mm的HRB400鋼筋,箍筋采用Φ6@80mm,試件的梁柱節(jié)點(diǎn)采用開(kāi)孔穿筋的連接方式,與此同時(shí),為了保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”以及梁端剪力能夠有效地傳遞到柱上,在內(nèi)節(jié)點(diǎn)處焊接一塊200mm×140mm×8mm的節(jié)點(diǎn)板。試件的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,其相關(guān)尺寸圖如圖1所示。

      表1 試件的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameter of specimens

      單位:mm

      (a)RACFST-1

      圖1試件尺寸圖

      Fig.1Figureofframesize

      1.2材料性能

      在澆筑鋼管內(nèi)及梁內(nèi)的RAC時(shí),預(yù)留了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊,并與試件在同等條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù),按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)得其立方體抗壓強(qiáng)度為52.8MPa。

      鋼材的材料性能試驗(yàn)按《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行,鋼材的力學(xué)性能實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

      表2 鋼材的力學(xué)性能實(shí)測(cè)值Tab.2 Measured value the mechanical behavior of steels

      1.3加載裝置及制度

      試驗(yàn)的加載裝置如圖2所示。

      1.反力墻;2.反力鋼柱;3.反力梁;4.MTS伺服作動(dòng)器;5.油壓千斤頂;6.滾輪裝置;7.拉桿;8.螺紋鋼;9.槽鋼;10、小鋼梁;11、壓梁;12. RACFST框架

      試件安裝完畢后,首先按照0.2的試驗(yàn)軸壓比,通過(guò)兩臺(tái)油壓千斤頂同步施加至預(yù)定的豎向荷載并保持恒定。試件的水平加載采用荷載—位移混合控制的加載制度:試件屈服前采用荷載控制,加載級(jí)數(shù)為10kN,每級(jí)荷載循環(huán)1次直至試件達(dá)到屈服荷載Py;試件屈服后,采用位移控制,取屈服位移Δy的倍數(shù)為級(jí)差進(jìn)行位移加載,對(duì)應(yīng)的每級(jí)位移循環(huán)3次,直到荷載下降至峰值荷載的85%左右時(shí)停止試驗(yàn)。

      2 試驗(yàn)過(guò)程及破壞形態(tài)

      在本試驗(yàn)中,規(guī)定水平荷載以推為正,以拉為負(fù),靠近作動(dòng)器的一側(cè)記為左側(cè),另一側(cè)為右側(cè)。

      從整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看,RACFST-1的破壞過(guò)程及破壞形態(tài)與RACFST-2類(lèi)似。對(duì)于RACFST-2,當(dāng)水平荷載達(dá)到±90kN時(shí),梁左端在距左柱約10cm處開(kāi)始出現(xiàn)1條貫通梁上端的彎曲裂縫,裂縫高度在6cm左右;隨著荷載的進(jìn)一步增大,原有裂縫不斷延伸、擴(kuò)展,并不斷有新的彎曲裂縫出現(xiàn),新裂縫的位置逐漸遠(yuǎn)離梁端向跨中靠攏;當(dāng)荷載達(dá)到±130kN時(shí),豎向彎曲裂縫基本出齊,豎向裂縫的間距在9~15cm,此時(shí)在梁兩端已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的斜裂縫;當(dāng)荷載達(dá)到±150kN時(shí),梁端已出現(xiàn)較為明顯的交叉斜裂縫。直至力控加載結(jié)束,框架柱沒(méi)有發(fā)生鼓曲現(xiàn)象,但實(shí)測(cè)鋼管應(yīng)變已達(dá)到屈服。

      隨后,采用位移控制的加載方式,Δy取為6mm。在±1Δy時(shí),原先形成的交叉斜裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展延伸,并且在梁端形成一些無(wú)規(guī)則的細(xì)小斜裂縫;當(dāng)加載位移達(dá)到±2Δy時(shí),梁兩端的交叉斜裂縫迅速發(fā)展并開(kāi)始向跨中靠擾,此時(shí)裂縫主要以斜裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展為主,斜裂縫與梁軸線的夾角在35°~65°,RAC梁上部保護(hù)層位置處開(kāi)始形成縱向劈裂裂縫;當(dāng)加載位移達(dá)到±3Δy時(shí),斜裂縫寬度明顯擴(kuò)大,并逐漸形成主交叉斜裂縫,粘貼在柱底的環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)始脫落;當(dāng)加載位移達(dá)到±4Δy時(shí),主斜裂縫區(qū)域的保護(hù)層被掀起,混凝土成塊狀脫落,部分區(qū)域的縱筋及箍筋外露,用手觸摸柱底已有較為明顯的鼓曲手感;當(dāng)加載位移達(dá)到±6Δy時(shí),試件已嚴(yán)重變形,柱底部的鋼管鼓曲現(xiàn)象已經(jīng)較為明顯,此時(shí)正負(fù)向荷載均已下降到峰值荷載的85%,試驗(yàn)宣告結(jié)束。RACFST-2的破壞形態(tài)如圖3所示。

      (a) 梁

      (b) 柱

      (c) 整體

      圖3RACFST-2的破壞形態(tài)

      Fig.3FailuremodeofRACFST-2

      3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

      3.1滯回曲線

      圖4為RACFST-1及RACFST-2實(shí)測(cè)的荷載—位移滯回曲線。

      由圖4可知,RACFST框架的滯回曲線有如下特點(diǎn):從整個(gè)加載過(guò)程來(lái)看,2榀RACFST框架的滯回曲線均沒(méi)有發(fā)生明顯的捏縮現(xiàn)象,總體上呈現(xiàn)為飽滿的梭形,并且在試件的破壞階段其滯回環(huán)仍呈飽滿的梭形,表明該框架結(jié)構(gòu)具有良好的耗能性能。

      (a)RACFST-1

      (b)RACFST-2

      圖4滯回曲線

      Fig.4Hystereticcurve

      3.2骨架曲線

      試件的骨架曲線是指將荷載—位移滯回曲線的各級(jí)循環(huán)位級(jí)下第一循環(huán)的峰點(diǎn)所連成的包絡(luò)線。它能夠明確地反映出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及變形性能等等。試件的骨架曲線如圖5所示。

      由圖5可知,2榀框架的骨架曲線均較為完整,有明顯的上升段、峰值段及下降段,由此說(shuō)明RACFST框架經(jīng)歷了彈性工作階段、彈塑性工作階段及破壞階段。與此同時(shí),RACFST-1與RACFST-2在正向的骨架曲線相差較大,而在負(fù)向的骨架曲線相差則相對(duì)較小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能與加載過(guò)程中試件的傳力過(guò)程有關(guān),在正向推的過(guò)程中,框架兩根柱之間的力通過(guò)整個(gè)RAC梁傳遞,而在反向拉的過(guò)程之中,框架兩根柱之間的力主要通過(guò)RAC梁的受力縱筋及拉桿傳遞,從而出現(xiàn)了上述現(xiàn)象??傮w而言,從整個(gè)骨架曲線的走勢(shì)來(lái)看,增加梁的高度可以提升框架的初始剛度及承載能力。

      圖5 骨架曲線

      3.3承載能力

      表3為試件在各特征點(diǎn)處實(shí)測(cè)的特征值。其中,破壞荷載Pu取為峰值荷載Pm下降到85%時(shí)荷載;Δu則為與Pu相對(duì)應(yīng)的破壞位移;屈服荷載Py采用等能量法進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算模型如圖6所示:過(guò)峰值點(diǎn)M作一平行于X軸的直線,然后從坐標(biāo)原點(diǎn)O引一斜線與上述直線相交于Y點(diǎn),使得曲線OABM與折線OY-YM下的總面積相等,即SOAB=SBYM,圖中Δy即為所求的屈服位移,而與Δy相對(duì)應(yīng)的荷載即為試件的屈服荷載Py。

      由表3可知,相比于RACFST-1,RACFST-2的開(kāi)裂荷載Pcr、屈服荷載Py、峰值荷載Pm均有了較大幅度的提升,RACFST-2在正負(fù)向的平均屈服荷載、平均峰值荷載分別提升了19.41%、10.95%。由此可知,增加RAC梁的截面高度可以有效提升RACFST框架的承載能力。

      表3 實(shí)測(cè)特征點(diǎn)處數(shù)值Tab.3 Test results of characteristic points

      圖6等能量法計(jì)算示意圖

      Fig.6Energyequivalentmethodfigure

      3.4延性系數(shù)及層間位移轉(zhuǎn)角

      在框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究中,延性及層間位移轉(zhuǎn)角是研究結(jié)構(gòu)變形性能的重要性能指標(biāo),位移延性系數(shù)μ=Δu/Δy,層間位移角θ=Δ/Η,其中,Δ指樓層的層間位移,Η指樓層層高。表4為試件在各特征點(diǎn)處實(shí)測(cè)的層間位移轉(zhuǎn)角及位移延性系數(shù)。

      表4 層間位移轉(zhuǎn)角及延性系數(shù)Tab.4 Displacement angle and ductility coefficient of specimens

      由表4可知:

      ①試件的延性系數(shù)在2.17~2.45,相比于RACFST-1,RACFST-2的延性系數(shù)降低了12.90%。由此可知,隨著梁截面高度的增加,RACFST框架的延性會(huì)逐漸下降。

      ②我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]規(guī)定:在多遇(中震)地震下,結(jié)構(gòu)的彈性層間位移轉(zhuǎn)角應(yīng)小于某一限制,以防止主體結(jié)構(gòu)受到損壞,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生過(guò)大破壞而導(dǎo)致人員的傷亡,以此來(lái)保證建筑的正常使用功能。對(duì)于鋼筋混凝土框架,這一規(guī)定限值為1/550,對(duì)于多、高層鋼結(jié)構(gòu),這一限值為1/250。2榀試驗(yàn)框架屈服時(shí)的層間位移轉(zhuǎn)角在1/95~1/92,均遠(yuǎn)大于規(guī)定限值,表明試件在達(dá)到規(guī)范規(guī)定的限值條件時(shí)還未發(fā)生明顯屈服,由此說(shuō)明RACFST框架在彈性階段的變形能力能夠較好地滿足規(guī)范要求。

      ③我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]規(guī)定:在罕遇(大震)地震作用下,結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移轉(zhuǎn)角應(yīng)小于某一限值,以此來(lái)限制結(jié)構(gòu)的最大變形,從而防止建筑結(jié)構(gòu)的倒塌。對(duì)于鋼筋混凝土框架及多、高層鋼結(jié)構(gòu),這一限值為1/50。2榀試驗(yàn)框架破壞時(shí)的層間位移轉(zhuǎn)角在1/39左右,遠(yuǎn)大于規(guī)定的限值,表明試件在達(dá)到規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移轉(zhuǎn)角限值時(shí)還未發(fā)生明顯的倒塌現(xiàn)象,由此表明RACFST框架具有較強(qiáng)的抗倒塌能力。

      3.5耗能性能

      在研究工程結(jié)構(gòu)的抗震性能時(shí),等效黏滯阻尼系數(shù)的大小常被用來(lái)作為評(píng)判結(jié)構(gòu)耗能能力的一個(gè)重要指標(biāo)。本文采用等效粘滯阻尼系數(shù)he來(lái)評(píng)價(jià)RACFST框架的耗能能力。he的計(jì)算公式為:

      (1)

      式中,S(ABC+CDA)表示滯回環(huán)面積,S(OBE+ODF)表示滯回環(huán)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三角形面積,其計(jì)算模型如圖7所示。按此公式計(jì)算的試件在各加載位移處的he值如表5所示。試件的he隨著加載位移的變化如圖8所示。

      由表5及圖8可知,RACFST框架的等效黏滯阻尼系數(shù)he隨著加載位移的增加而不斷增大;試件破壞時(shí)的等效黏滯阻尼系數(shù)heu均在0.22以上,表現(xiàn)出良好的抗震耗能性能;與此同時(shí),在±3Δ及其加載級(jí)之前(峰值荷載之前),在各加載位移下,RACFST-2的he均大于RACFST-1的,而在±4Δ之后(峰值荷載之后),在各加載位移下,RACFST-2的he反而均小于RACFST-1的。由此說(shuō)明,在達(dá)到峰值荷載之前,增加RAC梁的截面高度可以提升RACFST框架的耗能性能,達(dá)到峰值荷載之后,增加RAC梁的截面高度則會(huì)降低RACFST框架的耗能性能。

      表5 試件實(shí)測(cè)heTab.5 Measured he of specimen

      圖7荷載—位移滯回環(huán)

      Fig.7Loading-displacementhystereticloop

      圖8試件he變化情況圖

      Fig.8Figureofspecimenshe

      3.6剛度退化

      剛度退化是指在反復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的剛度隨著加載位移的增加而不斷減小的現(xiàn)象。本文采用割線剛度來(lái)研究RACFST框架的剛度退化現(xiàn)象,其相關(guān)計(jì)算公式為:

      (2)

      式中,+Fj1和-Fj1表示試件在第j加載級(jí)第1循環(huán)下正、負(fù)向的最大荷載值,+Δj1、-Δj1則為與+Fj1、-Fj1相對(duì)應(yīng)的位移,K則表示試件在正負(fù)方向上的平均割線剛度值。圖9為按上述計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算而得到的試件剛度退化情況圖。

      由圖9可知,隨著加載位移的增加,RACFST框架的剛度退化速率呈現(xiàn)出先快后慢的變化趨勢(shì);增加RAC梁的截面高度可以有效提升RACFST框架的初始彈性剛度,而當(dāng)加載位移達(dá)到±3Δ之后(峰值荷載之后),兩榀框架的剛度變化曲線基本重合。由此可知,梁截面高度對(duì)RACFST框架在達(dá)到峰值荷載后的殘余剛度影響較小。

      圖9 試件剛度退化

      4 結(jié) 論

      ①RACFST框架的滯回曲線呈現(xiàn)為飽滿的梭形,在試件的破壞階段,其滯回環(huán)仍呈飽滿的梭形,與此同時(shí),試件破壞時(shí)的等效黏滯阻尼系數(shù)heu在0.22以上,表明該框架結(jié)構(gòu)具有良好的耗能性能。

      ②隨著RAC梁截面高度的增加,RACFST框架的承載能力及初始彈性剛度會(huì)逐漸上升,而其延性系數(shù)則會(huì)逐漸下降。

      ③試件屈服時(shí)的層間位移轉(zhuǎn)角在1/95~1/92,表明RACFST框架在彈性階段的變形能力能夠較好地滿足規(guī)范要求;破壞時(shí)的層間位移轉(zhuǎn)角在1/39左右,表明RACFST框架具有較好的抗倒塌能力。

      ④峰值荷載之前,增加RAC梁的截面高度可以提升RACFST框架的耗能性能,而峰值荷載之后,增加RAC梁的截面高度則會(huì)降低RACFST框架的耗能性能;與此同時(shí),梁截面高度對(duì)RACFST框架在達(dá)到峰值荷載后的殘余剛度影響較小。

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      (責(zé)任編輯唐漢民裴潤(rùn)梅)

      Experimental study on seismic behavior of RACFST fram

      MENG Er-cong1,2, WU Xiao-ping1, YANG Zhen1, SU Yi-sheng1,3

      (1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;2.CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China;3.GuangxiKeyLaboratoryofDisasterPreventionandEngineeringSafety,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

      Tostudytheseismicbehaviorofrecycledaggregateconcretefilledsteeltube(RACFST)framefromthestructurallevel,twoframeswithRACFSTcolumnandRACbeamandareplacementratioof100%weredesignedandsubjectedtolow-cyclicreversedloadingunderdifferentbeamheights.Theresultsshowthatthehystereticcurvesoftheframesareplumpshuttleshaped.Theequivalentviscousdampingcoefficientheuwasover0.22whenthespecimensdestructed,whichindicatesthattheframeshavegoodenergydissipationperformance.Theinter-storydisplacementanglewasabout1/39whenthespecimensdestructed,whichshowsthattheframestructureshavegoodcollapsecapacity.Withtheincreaseofthebeamheight,thebearingcapacityandinitialelasticstiffnessofthespecimensincreasegradually,buttheductilitycoefficientofthespecimensdeclineregularly.Beforethepeakloading,increasingthesectionheightofthebeamcanimprovetheenergydissipationabilityoftheframe.Andafterpeakloading,increasingthesectionheightofthebeamwilldecreasetheenergydissipationabilityoftheframe.Thesectionheightofthebeamhaslittleeffectontheresidualstiffnessafterpeakloadingoftheframe.

      recycledaggregateconcretefilledsteeltubeframe;seismicbehavior;experimentalstudy

      2016-06-08;

      2016-06-19

      國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51468003);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金聯(lián)合資助項(xiàng)目(20134501110001);廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(桂科轉(zhuǎn)14124005-1-2)

      蘇益聲(1956—),男,湖南醴陵人,廣西大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師;E-mail:suyisheng@sina.com。

      10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0964

      TU391

      A

      1001-7445(2016)04-0964-09

      引文格式:孟二從,伍小萍,楊震,等.鋼管再生混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,41(4):964-972.

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