钢骨—钢管混凝土组合短柱偏压承载力试验研究

摘要

随着现代工程结构向大跨、高耸、重载方向发展，结构底部竖向构件承受的轴向荷载越来越大，按照传统设计思路，即使采用轴向抗压承载力较高的高强混凝土、钢管混凝土或钢骨混凝土柱仍不足以完全满足工程应用的需求，因此以承担重载为目的，研究新型的组合柱设计方法成为一项有意义的工作。
　　 在近期提出的重载组合柱形式中，钢骨—钢管混凝土组合柱受到了人们的较多关注。该新型组合柱以钢管混凝土柱为基础，通过在截面中部增设钢骨提高构件的轴向承载力和改善延性。从概念上这是一种理想的重载组合柱形式，但由于针对钢骨—钢管混凝土柱的研究工作尚处于初期阶段，试验研究及理论分析均不充分，在承载力计算、延性性能及节点连接等诸多方面尚有待进一步开展研究工作。本论文依托“新型钢—混凝土组合构件的受力机理及设计方法研究”项目，主要针对钢骨—钢管混凝土短柱的偏压承载力进行试验研究和数值模拟分析，以研究完善该新型组合柱的设计方法。本文进行的主要研究工作如下：
　　 ①基于试验的钢骨—钢管混凝土短柱偏压极限承载力研究。针对不同的混凝土的强度、配骨指标p和套箍指标θ，设计了6个钢骨—钢管混凝土短柱试件，通过单调静力加载，研究了混凝土强度、配骨指标p和套箍指标θ对钢骨—钢管混凝土短柱极限承载力的影响规律。试验结果表明：在受压区钢管纵向应变达到受压屈服前，平截面假定成立；钢管局部屈曲是导致构件丧失偏压承载力的关键因素。
　　 ②基于有限元数值分析的钢骨—钢管混凝土短柱偏压极限承载力影响因素分析。首先采用ANAYS分析软件，建立了与试验试件相对应的有限元数值模拟模型，通过对实验试件的数值模拟，调校了有限元分析中参数取值及分析方法;通过改变混凝土强度、配骨指标p、套箍指标θ以及偏心率等参数，对钢骨—钢管混凝土短柱偏压极限承载力的影响因素显著性进行了检验。主要结论为：偏压承载力随着混凝土强度增大而增大，但其变形能力将下降；增大配骨指标p或套箍指标θ，均可有效地提高偏压承载力和延性；套箍指标θ对承载力影响最显著；
　　 ③钢骨—钢管混凝土短柱偏压承载力计算公式的初步探讨。对相关文献中基于数值模拟的偏压承载力公式进行了分析，通过与实验数据校核，初步探讨了采用叠加理论(钢管混凝土与钢骨的规范公式进行叠加)并考虑钢材塑性区折减系数的简化计算公式，该方法对估计钢骨—钢管混凝土柱的偏压承载力具有足够工程精度；同时探讨了基于条带分析的数值模拟分析方法可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

1.1研究背景

1.2钢骨—钢管混凝土组合柱研究现状

1.3钢骨混凝土柱

1.3.1钢骨混凝土柱的特性

1.3.2钢骨混凝土柱的应用与研究现状

1.4钢管混凝土柱

1.4.1钢管混凝土柱的特性

1.4.2钢管混凝土柱的发展与研究现状

1.5本文的研究目的及研究内容

2 试验方案及实施

2.1试验目的

2.2试件设计

2.2.1试件尺寸

2.2.2试件材料参数

2.3试件制作

2.4试验材料

2.4.1试验材料力学性能检测方法

2.4.2钢材试验取样位置

2.4.3试样形状及尺寸

2.4.4材料力学性能指标

2.5试验加载方案及加载制度

2.5.1加载装置

2.5.2加载制度

2.6量测内容和量测方法

2.6.1量测内容

2.6.2量测方法

3 试验现象及分析

3.1试验现象描述

3.1.1试件的破坏过程和破坏特征

3.1.2截面应变分布规律

3.2纵向应变分析

3.3环向应变分析

3.4试件在荷载作用下的挠度曲线

3.5 N～f曲线

3.6荷载与位移关系分析

3.7小结

4 钢骨—钢管混凝土组合短柱偏压承载力有限元分析

4.1混凝土本构关系

4.2钢管和钢骨的本构关系及屈服准则

4.3有限单元计算模型

4.3.1单元选取

4.3.2单元网格划分

4.3.3边界条件及施加荷载

4.3.4模型求解

4.4有限元计算结果

4.4.1极限承载力分析

4.4.2荷载—竖向位移曲线分析

4.4.3极限承载力状态受力机理分析

4.5影响组合短柱偏压承载力的各单因素分析

4.6小结

5 钢骨—钢管混凝土组合短柱偏压承载力研究

5.1已有钢骨—钢管混凝土柱偏压承载力计算公式

5.1.1基于数值分析理论的计算公式

5.2利用叠加法对钢骨—钢管混凝土短柱偏压承载力计算

5.2.1构件组合分析

5.2.2钢骨混凝土N—M相关曲线

5.2.3钢管混凝土N—M相关曲线

5.2.4曲线累加

5.3钢骨—钢管混凝土短柱偏压承载力数值分析

5.3.1基本计算假定

5.3.2杆件分析

5.3.3截面分析

5.3.4数值分析

5.4小结

6 结 语

6.1本文的主要结论

6.2展望

致 谢

参考文献

附 录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文