钢护筒与钢筋混凝土柱协同受力机理及其设计优化技术研究

摘要

钢护筒与钢筋混凝土柱作为一种新的结构形式，目前已经应用于港工结构及桥梁工程中。在钢护筒内浇筑普通钢筋土与钢管混凝土中加配纵筋及箍筋原理一样，但目前对这种新的结构形式研究很少，也没有系统的规范。因此本文将对钢护筒与钢筋混凝土柱的破坏形态及其力学性能展开研究。
　　本文以果园二期桩基为原型，钢护筒厚度、配筋率、配箍率为变量，进行了6个钢护筒与钢筋混凝土短柱结构和2个钢管混凝土短柱轴压试验。试验结果表明:钢护筒与钢筋混凝土短柱结构中，钢护筒与箍筋对核心混凝土均有约束作用，且双重约束效应明显，钢护筒与箍筋对核心混凝土的约束效应可以有效地抑制混凝土裂缝开展，使得钢护筒较传统的钢管混凝土结构具有更高的承载力、塑性和韧性;在钢护筒具有足够的约束效应时，钢护筒、混凝土及纵筋均在试件破坏时达到屈服，材料性能得到充分的利用。
　　基于ABAQUS有限元软件，同样以钢护筒厚度、配筋率、配箍率为参数，分析了1个普通钢筋混凝土短柱和9个钢护筒与钢筋混凝土结构短柱，同试验结果对比验证了模型的正确性。分析结果表明，箍筋对混凝土的约束作用对钢护筒与钢筋混凝土短柱的的承载力、塑性及延性性能影响显著，随着箍筋间距的减小，构件的承载力及延性性能有明显的提高，但箍筋间距在小于140mm后，进一步加密箍筋其承载力及延性性能无明显改善.
　　基于钢护筒与钢筋混凝土短柱的室内物理模型试验和ABAQUS有限元分析，使用剥离分析的方法，分析了钢护筒与钢筋混凝土短柱在轴压下的的内力分配规律。在进入塑性阶段后，钢护筒的纵向轴力呈现下降趋势，内力逐渐向核心混凝土及纵筋转移，在钢护筒与箍筋的双向约束作用下，混凝土的性能得到很大单位改善，其组合强度约为混凝土标准强度的1.59倍;同时参考钢管混凝土“统一理论”和“极限平衡理论”，推导了钢护筒与钢筋混凝土短柱的压缩刚度和轴压极限承载力公式，同试验结果对比误差较小。
　　参考《钢管混凝土结构设计与施工规程》、《钢结构设计规范》、《混凝土结构设计规范》、《钢结构工程施工质量验收规范》、《混凝土工程施工质量验收规范》等规范总结了钢护筒与钢筋混凝土短柱的简单设计规定和施工注意事项，并基于本文的钢护筒与钢筋混凝土短柱轴压公式推导了钢护筒与钢筋混凝土短柱的合理径厚比比取值方法，确定钢护筒与钢筋混凝土短柱的纵筋及箍筋后，即可以求得其钢护筒的套箍系数θ，确定具体的D/t值，进而求得钢护筒的厚度取值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 钢管混凝土(CFST)研究现状

1．2．2 钢护筒与钢筋混凝土(RCFST)结构研究现状

1．2．3 RCFST基于有限元分析法的研究现状

1．3 RCFST研究中存在的问题

1．4 主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 钢护筒与钢筋混凝土(RCFST)短柱承载力实验研究

2．1 引言

2．2 钢护筒与钢筋混凝土短柱轴压试验

2．2．1 模型相似比设计

2．2．2 模型设计

2．2．3 模型尺寸设计

2．2．4 材料选择及其性能试验

2．2．5 试验装置及加载方案

2．2．6 数据采集方案

2．2．7 模型制作

2．3 试验结果分析

2．3．1 实验数据处理方法

2．3．2 试验现象及破坏形态分析

2．3．3 应变分析

2．4 本章小结

第三章 钢护筒与钢筋混凝土(RCFST)短柱有限元分析

3．1 引言

3．2 钢护筒与钢筋混凝土(RCFST)短柱数值分析模型

3．2．1 构件基本信息

3．2．2 材料参数

3．2．3 单元选取及边界条件

3．3 轴压构件模型验证

3．4 参数分析

3．4．1 钢护筒厚度

3．4．2 箍筋间距

3．4．3 纵筋配筋率

3．5 钢材应力分析

3．5．1 钢护筒应力分析

3．5．2 钢筋应力分析

3．6 本章小结

第四章 钢护筒与钢筋混凝土(RCFST)短柱轴压性能分析

4．1 引言

4．2 RCFST短柱剥离分析

4．2．1 剥离分析的原理

4．2．2 RCFST短柱分析

4．3 承载力分析

4．3．1 钢管混凝土中轴压强度组合公式

4．3．2 RCFST短柱轴压承载力理论研究

4．3．3 RCFST短柱轴心受压下的极限承载力分析

4．4 本章小结

第五章 钢护筒与钢筋混凝土(RCFST)结构设计方法

5．1 引言

5．2 钢管混凝土结构设计的一般原则

5．2．1 总的要求

5．2．2 钢管径厚比的合理选择

5．3 钢护筒与钢筋混凝土(RCFST)短柱设计方法

5．3．1 极限状态设计

5．3．2 一般规定

5．3．3 合理径厚比计算

5．3．4 案例计算

5．3．5 施工与质量要求

5．4 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论著及取得的科研成果