带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱受力性能的研究

摘要

相对圆形钢管混凝土而言,矩形钢管混凝土柱具有钢管制作方便、与梁连接容易处理、施工方便、易于符合建筑平面要求、截面相对开展而惯性矩大、适合作压弯构件等优点,在工程实践中日益引起人们的重视。但矩形钢管混凝土柱由于钢管在截面角部对核心混凝土的约束作用大、在四个边约束作用小,因而矩形钢管对核心混凝土的整体约束效应较圆形钢管的要小得多,其承载力和延性均较同条件下的圆形钢管混凝土柱的要差很多。另外,矩形钢管截面的长边对核心混凝土的约束作用弱于短边,其约束效应与方形钢管混凝土柱也不完全相同。同时,四侧钢板由于纵向受压、横向受到混凝土向外挤压,容易产生局部屈曲而导致构件破坏,且钢管长边较短边更易发生局部屈曲。针对矩形钢管混凝土柱上述缺点,在截面中间分别沿长边和短边方向设置约束拉杆是改善其力学性能简便而有行之有效的加强措施：一方面约束拉杆限制该部位核心混凝土的横向变形,加强了该部位钢管对混凝土的约束作用；另一方面约束拉杆也为该处钢板提供一个向内的侧向弹性支撑,从而改善侧向钢板向外的局部屈曲性能。本文基于上述分析,对带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱的力学性能进行了研究,具体包括以下几方面的主要内容： (1)以约束拉杆水平间距、约束拉杆直径、钢管宽厚比、截面长宽比为研究参数,进行了带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱的轴心受压试验。分析各参数对试件的破坏形态、受力特点、承载力及延性等力学性能的影响,为后述的研究提供基本试验资料。 (2)以约束拉杆水平间距、初始偏心率为研究参数,进行了带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱的单向偏心受压试验。分析各参数对试件的破坏形态、受力特点、承载力及延性等力学性能的影响,为后述的研究提供基本试验资料。 (3)对带约束拉杆矩形钢管混凝土柱的约束机理进行了分析,针对矩形钢管截面长边、短边对混凝土约束作用大小不同及约束拉杆沿长边、短边布置数量不同等特点,基于核心混凝土真三轴受压的特点,提出了带约束拉杆矩形钢管混凝土钢管内核心混凝土的等效单轴本构关系。采用该本构关系对带约束拉杆和不设约束拉杆方形、矩形钢管混凝土轴压构件的荷载-变形关系曲线进行全过程数值分析,计算曲线与试验曲线吻合良好。 (4)采用本文提出的带约束拉杆矩形钢管内核心混凝土的本构关系,推导得出该类构件的轴压承载力计算公式,并对计算公式进行了简化。利用本文提出的带约束拉杆矩形钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式对带约束拉杆和不设约束拉杆方形、矩形钢管混凝土轴压构件的承载力进行计算,计算结果与试验结果吻合良好；与现行国内外规程的计算值比较表明,本文方法能更合理地评估一般方形、矩形钢管混凝土短柱的轴压承载力。 (5)采用带约束拉杆矩形钢管内核心混凝土的本构关系,利用条带法对试验的带约束拉杆和不设约束拉杆矩形钢管混凝土偏压试件进行了数值分析,计算结果与试验结果吻合良好。与现行国内外规程的计算值比较表明,本文所提出数值计算方法能更合理地评估带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱的偏压承载力。 (6)基于能量变分原理,假定非载荷边的边界条件为弹性可转动约束,载荷边的边界条件为固端约束,推导了矩形钢管混凝土构件钢管壁的局部屈曲强度计算公式；在此基础上对带约束拉杆矩形钢管混凝土构件的钢管局部屈曲性能进行了分析,得到沿矩形钢管长、短边方向约束拉杆纵向间距合理设置值、钢管壁宽厚比限值以及钢管长宽比的合理设置值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1钢管混凝土发展及应用

1.2方形、矩形钢管混凝土力学性能的研究现状

1.2.1方形、矩形钢管混凝土约束机理

1.2.2方形、矩形钢管混凝土局部屈曲的研究

1.2.3方形、矩形钢管混凝土本构关系的研究

1.3带约束拉杆矩形钢管混凝土柱的提出及研究意义

1.3.1对方形、矩形钢管混凝土柱的一些改进措施

1.3.2带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土柱的提出

1.3.3带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土柱的研究和应用现状

1.4本文研究的目的和内容

1.5本论文结构

第二章带约束拉杆矩形钢管混凝土柱轴压性能的试验研究

2.1引言

2.2试验概况

2.2.1试件

2.2.2试验方法

2.3试验结果与分析

2.3.1试验现象

2.3.2极限承载力

2.3.3荷载-纵向应变关系曲线

2.3.4荷载-钢管横向应变关系曲线

2.3.5约束拉杆的应变

2.3.6带约束拉杆矩形钢管混凝土轴压试件的延性

2.4约束拉杆的作用

2.5本章小结

第三章带约束拉杆矩形钢管混凝土柱偏压性能的试验研究

3.1引言

3.2试验概况

3.2.1试件

3.2.2试验方法

3.3试验结果与分析

3.3.1试验现象

3.3.2极限承载力

3.3.3约束拉杆对截面纵向应变的影响

3.3.4约束拉杆的应变

3.3.5钢管纵向应变

3.3.6钢管横向应变

3.3.7弯矩-曲率曲线

3.3.8带约束拉杆矩形钢管混凝土偏压试件的延性

3.4本章小结

第四章带约束拉杆矩形钢管内核心混凝土的本构关系

4.1引言

4.2带约束拉杆矩形钢管混凝土约束机理

4.3带约束拉杆矩形钢管内核心混凝土本构关系的提出

4.3.1带约束拉杆矩形钢管内核心混凝土本构关系表达式

4.3.2本构关系表达式中的参数讨论

4.3.3本构关系的适用范围

4.4荷载—变形关系试验结果和分析结果的比较

4.5本章小结

第五章带约束拉杆矩形钢管混凝土柱承载力计算

5.1引言

5.2带约束拉杆矩形钢管混凝土柱轴压承载力计算

5.2.1现有相关规范计算方法及其对带约束拉杆矩形钢管混凝土柱的适用性

5.2.2带约束拉杆矩形钢管混凝土柱轴压承载力计算方法

5.2.3带约束拉杆矩形钢管混凝土柱轴压承载力计算方法的简化

5.2.4本文的轴压承载力计算方法的适用范围

5.3带约束拉杆矩形钢管混凝土柱偏压承载力计算

5.3.1现有相关规范计算方法及其对带约束拉杆矩形钢管混凝土柱的适用性

5.3.2带约束拉杆矩形钢管混凝土柱偏压承载力计算方法

5.3.3本文的偏压承载力计算方法的适用范围

5.4本章小结

第六章带约束拉杆矩形钢管混凝土柱的局部屈曲

6.1引言

6.2矩形钢管混凝土轴压构件钢管壁的局部屈曲分析

6.2.1数学模型的建立

6.2.2局部屈曲分析

6.2.3弹性约束系数x的确定

6.3带约束拉杆矩形钢管混凝土的局部屈曲分析

6.3.1局部屈曲强度

6.3.2带约束拉杆方形钢管混凝土柱约束拉杆的纵向间距、宽厚比的合理值

6.3.3带约束拉杆矩形钢管混凝土柱约束拉杆的纵向间距、宽厚比、长宽比的合理值

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢