组合异形钢管混凝土柱轴心受压性能研究

发布时间：2021-04-02 09:57

传统异形钢管混凝土能够有效避免室内出现棱角和提高室内可使用面积,但其钢管均由钢板轧弯后对接焊接而成,钢板越厚轧弯难度越大,现场制作加工难度大,同时在受力状态下阴角变形严重。针对以上问题,本课题组提出一种组合异形钢管混凝土——其钢管采用矩形钢管和U形钢管直接焊接而成,该新型异形钢管混凝土能够有效克服以上缺点,在工程中应有较大的应用前景。因此,在2012年湖北省自然科学基金项目(项目编号:2012FFB05112)和2014年中央高校基本科研业务费专项资金项目(项目编号:WUT 2014-IV-125)的资助下,本文以组合异形(T形、L形)钢管混凝土柱为研究对象,采用试验研究、理论分析与数值计算相结合的方法对其轴心受压性能进行研究,主要研究内容及成果概括如下:(1)分别对18个组合T形钢管混凝土柱试件和18个组合L形钢管混凝土柱试件进行轴压静力试验,分析钢管厚度、混凝土强度和长细比对试件破坏形态、轴压承载力等力学性能的影响,采用国内外现有钢管混凝土设计规范对试件轴压承载力进行计算,并与试验结果进行对比和分析,最后在规范AIJ(1997)的基础上,提出了组合T形、L形钢管混凝土柱轴压承载力计算公式。研究结果表明:试件主要表现为中部鼓曲、端部局部鼓曲(或开裂)以及整体弯曲失稳三类破坏形态;钢管厚度对试件轴压承载力影响较大,而且试件长细比越大,钢管厚度对试件轴压承载力的影响就越显著;随着混凝土强度等级由C30提高到C50,试件轴压承载力有所提高,提高幅度基本在15%左右;当钢管厚度较小时,长细比对试件轴压承载力影响较大;采用各国现行规范计算的轴压承载力均偏于保守;所提考虑钢管约束效应及长细比影响的轴压承载力计算公式计算结果与试验结果吻合较好。(2)基于组合T形、L形钢管混凝土柱轴压试验结果,分析了组合T形、L形钢管混凝土柱中钢管对核心混凝土的约束特点,借鉴已有约束混凝土应力-应变关系,提出了组合T形、L形钢管混凝土柱中核心混凝土应力-应变关系,采用所提应力-应变关系对组合T形、L形钢管混凝土柱试件进行有限元分析,从破坏形态、荷载-应变关系曲线两个方面与试验结果进行了比较,验证了所提应力-应变关系的合理性,最后在此基础上,重点分析了核心混凝土轴向应力分布以及钢管对核心混凝土的约束应力变化情况。研究结果表明:达到轴压承载力时,试件中部截面的核心混凝土轴向应力均接近于单轴抗压强度实测值;钢管对核心混凝土的约束应力主要分布于钢管角部和距离钢管角部25mm的范围,以角部最大,越靠近钢管各边中部,钢管对核心混凝土的约束应力越小,基本接近于0。最后,在总结全文工作的基础上,提出了本课题的研究展望。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU398.9

文章目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 钢管混凝土的特点与发展

1.2 钢管混凝土力学性能研究现状

1.2.1 圆形钢管混凝土力学性能研究现状

1.2.2 方形钢管混凝土力学性能研究现状

1.2.3 矩形钢管混凝土力学性能研究现状

1.2.4 异形钢管混凝土力学性能研究现状

1.3 钢管混凝土本构关系研究现状

1.3.1 圆形钢管混凝土本构关系研究现状

1.3.2 方形钢管混凝土本构关系研究现状

1.3.3 矩形钢管混凝土本构关系研究现状

1.3.4 异形钢管混凝土本构关系研究现状

1.4 不同类型钢管混凝土优缺点

1.5 组合异形钢管混凝土的提出及研究意义

1.5.1 组合异形钢管混凝土的提出

1.5.2 本文的研究意义

1.6 本文主要研究内容及技术路线

1.6.1 本文主要研究内容

1.6.2 本文主要研究技术路线

第2章组合异形钢管混凝土柱轴心受压试验

2.1 概述

2.2 试验方案

2.2.1 试件设计

2.2.2 试件制作

2.2.3 材料力学性能

2.2.4 试验加载装置

2.2.5 试验加载制度

2.2.6 试验测量方案

2.3 试验现象与破坏形态

2.3.1 组合T形柱试件试验现象与破坏形态

2.3.2 组合L形柱试件试验现象与破坏形态

2.4 与已有异形钢管混凝土轴压试件破坏形态比较

2.5 本章小结

第3章组合异形钢管混凝土柱轴心受压试验结果分析

3.1 概述

3.2 试验结果分析

3.2.1 组合T形柱试件试验结果分析

3.2.1.1 钢管应变分析

3.2.1.2 轴压承载力影响因素分析

3.2.2 组合L形柱试件试验结果分析

3.2.2.1 钢管应变分析

3.2.2.2 轴压承载力影响因素分析

3.3 轴压承载力实用计算方法

3.3.1 国内外计算方法对比分析

3.3.2 轴压承载力计算结果比较

3.3.2.1 组合T形柱试件轴压承载力计算结果比较

3.3.2.2 组合L形柱试件轴压承载力计算结果比较

3.3.3 轴压承载力简化计算方法

3.3.3.1 组合T形柱试件轴压承载力简化计算公式

3.3.3.2 组合L形柱试件轴压承载力简化计算公式

3.4 本章小结

第4章组合T形钢管约束下核心混凝土应力-应变关系

4.1 概述

4.2 箍筋约束混凝土应力-应变关系

4.3 现有截面钢管的约束特点

4.4 组合T形钢管的约束特点

4.5 组合T形钢管约束下核心混凝土应力-应变关系

4.5.1 应力-应变关系表达式

4.5.2 应力-应变关系参数计算

4.5.2.1 有效侧向约束系数

4.5.2.2 有效侧向约束应力

4.5.2.3 钢管的平均横向应力

4.5.2.4 弱约束区抛物线起角q

4.5.2.5 核心混凝土极限抗压强度

4.5.2.6 核心混凝土平均峰值应变

4.5.2.7 下降段参数k

4.5.2.8 水平段参数m

4.6 本章小结

第5章组合L形钢管约束下核心混凝土应力-应变关系

5.1 概述

5.2 组合L形钢管的约束特点

5.3 组合L形钢管约束下核心混凝土应力-应变关系

5.3.1 应力-应变关系表达式

5.3.2 应力-应变关系参数计算

5.3.2.1 有效侧向约束系数

5.3.2.2 有效侧向约束应力

5.3.2.3 钢管的平均横向应力

5.3.2.4 弱约束区抛物线起角q

5.3.2.5 核心混凝土极限抗压强度

5.3.2.6 核心混凝土平均峰值应变

5.3.2.7 下降段参数k

5.3.2.8 水平段参数m

5.4 本章小结

第6章组合异形钢管混凝土柱轴压性能有限元分析

6.1 概述

6.2 非线性有限元分析基本理论

6.2.1 非线性问题分类

6.2.2 非线性有限元分析数值解法

6.3 组合异形钢管混凝土柱有限元模型建立

6.3.1 钢材应力-应变关系

6.3.2 核心混凝土应力-应变关系

6.3.3 钢管与核心混凝土的界面模型

6.3.4 边界条件及加载

6.3.5 单元类型的选取和网格的划分

6.3.6 有限元计算模型

6.4 有限元计算结果与试验结果对比

6.4.1 破坏形态对比

6.4.1.1 组合T形柱试件破坏形态对比

6.4.1.2 组合L形柱试件破坏形态对比

6.4.2 轴压荷载-应变关系曲线对比

6.4.2.1 组合T形柱试件轴压荷载-平均纵向应变关系曲线对比

6.4.2.2 组合L形柱试件轴压荷载-平均纵向应变关系曲线对比

6.5 有限元计算结果分析

6.5.1 核心混凝土截面应力分析

6.5.1.1 组合T形柱中核心混凝土端部截面应力分析

6.5.1.2 组合T形柱中核心混凝土中部截面应力分析

6.5.1.3 组合L形柱中核心混凝土端部截面应力分析

6.5.1.4 组合L形柱中核心混凝土中部截面应力分析

6.5.2 钢管对核心混凝土约束应力分析

6.5.2.1 组合T形柱中钢管对核心混凝土约束应力分析

6.5.2.2 组合L形柱中钢管对核心混凝土约束应力分析

6.6 组合T形、L形钢管混凝土柱试件工作机理分析

6.7 本章小结

第7章结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间主持和参与的科研项目

【参考文献】