楔形圆钢管约束混凝土轴心受压性能研究

摘要

钢管外包混凝土根据其受力特点可以细分为两种主要形式，即钢管混凝土与钢管约束混凝土。钢管混凝土在竖向荷载作用下，钢管既直接承担竖向荷载，同时也约束混凝土；钢管约束混凝土在竖向荷载用下，钢管只约束混凝土，但不直接承担竖向荷载。这两种组合形式中的混凝土约束均为被动约束模式。为了提高钢筋混凝土柱端部的承载能力，本文提出在钢筋混凝土柱端部增设楔形钢管进行局部约束。此时，在竖向荷载的作用下，楔形钢管仅在与水平试件接触的一端直接承担竖向荷载，另一端可发生相对滑移，钢管在滑移过程中可对混凝土形成主动约束。为了探讨这种新型钢管约束混凝土形式的可行性，本文针对楔形圆钢管约束混凝土在轴心受压状态下的力学性能进行了研究。 首先，本文设计并制作了6种类型的试件，即5种楔形圆钢管约束混凝土试件和1种对比混凝土试件，每种类型试件数量为2个，共计12个试件。主要影响参数包括楔形钢管的倾角与是否设置加劲肋。试验结果表明：试件在轴心受压过程中，钢管均存在局部屈曲现象；在其他参数不变的前提下，试件的承载力和弹性刚度随着钢管倾角的减小而增加，同时下降段延性降低，并且初期横向变形系数增大，钢管越早地施加主动约束；设置加劲肋可以提高试件的承载力和局部稳定性，但是加劲肋对试件的弹性刚度和下降段延性没有明显影响。 其次，本文借助ABAQUS有限元分析软件，对楔形圆钢管约束混凝土进行了数值模拟分析。首先，通过和试验数据中的荷载-位移曲线、峰值承载力和弹性刚度的对比，本文验证了有限元分析模型的合理性。然后，本文在此基础上进一步对楔形圆钢管约束混凝土中的影响参数进行了补充模拟分析，补充参数包括试件高度、顶面混凝土直径、钢管壁厚、加劲肋个数以及加劲肋尺寸。 最后，本文基于试验和有限元模拟分析结果，在Mander et al.被动约束混凝土模型的基础上，提出了楔形圆钢管约束混凝土的轴心受压承载力计算公式。通过理论计算值与试验值以及有限元模拟分析结果的比较，本文所提出的计算公式在一定范围内具有较高的精确性，可应用于后续分析和指导此类工程的设计。

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