钢管自应力免振混凝土轴压柱设计理论研究

摘要

钢管混凝土结构能充分发挥钢管和混凝土两种材料的作用，具有优越的力学性能。混凝土是否充满整个钢管，均匀，密实，都将影响钢管混凝土的力学性能，进而影响到整个结构的安全使用。如何保证核心混凝土的施工质量是施工中的难题，由于核心混凝土施工质量不好而出现的事故时有发生。普通混凝土在硬化过程中产生收缩，使钢管的约束作用降低。另外，在持续荷载作用下，混凝土的徐变会使钢管应力逐渐增加，应力大到一定程度就会引起钢管局部破坏。该文将自应力混凝土和自密实混凝土技术应用于钢管混凝土中，利用自密实混凝土高流动性且不离析的特性，保证了核心混凝土的均匀和密实，克服了拱和长柱施工的困难。自应力混凝土在硬化过程中产生体积膨胀，在钢管的约束下核心混凝土加载前就处于三向受压状态加载过程中钢管侧向约束作用得到充分发挥，使得钢管自应力混凝土的力学性能较普通钢管混凝土有所提高。已有的研究表明，自应力混凝土产生的膨胀变形以及自应力可以长期保持稳定，这就意味着在钢管中浇筑自应力混凝土可以完全避免普通混凝土因收缩产生的约束效应降低问题；同时，在使用荷载下自应力混凝土的徐变明显小于普通混凝土的徐变，从而获得钢管和自应力核心混凝土长期应变协调性，确保钢管自应力混凝土承载力长期稳定。 该文通过试验和理论分析，主要研究了钢管自应力免振混凝土柱的变形和受力性能。 主要有以下几个方面工作： 1、通过试验，研究了自应力混凝土的早期力学性能和膨胀变形的时变性规律。试验表明：使用硫铝酸盐自应力水泥，通过调整自应力混凝土的配合比，可以配制出具有自密实性的自应力混凝土。硫铝酸盐自应力混凝土早期强度发展非常快，1天的抗压强度就可以达到28天的50％以上，弹性模量达到28天的80％以上。在钢管的约束下，自应力混凝土的侧向初始应力能达到3～6MPa。计算分析中发现徐变变形和弹性变形大约能占有效自由膨胀变形的2/3，这两部分变形在计算中不容忽视；该文建立了徐变模式下的有效自由膨胀变形随龄期变化的计算公式。在此基础上通过回归分析得到了不同含钢率条件下限制膨胀变形与有效自由膨胀变形的关系，计算结果与试验结果符合较好。根据该文推导的限制膨胀变形计算公式可以计算出各个龄期时各种含钢率下的限制膨胀变形，根据内力平衡条件就可以得到初始自应力值。 2、通过钢管自应力混凝土轴心受压短柱试验，研究了初始自应力对其力学性能的影响。讨论了混凝土强度等级、含钢率，自应力水平等因素对极限承载力的影响。试验结果表明：初始自应力使钢管混凝土的弹性工作阶段增加到极限荷载的90％左右，极限承载力也有一定程度的提高。该文引入自应力水平概念，自应力水平定义为初始自应力值与混凝土基体强度的比值，并分析了初始自应力影响下的钢管自应力混凝土短柱极限承载力。计算结果表明，钢管混凝土的极限承载力的提高程度与自应力水平呈二次抛物线规律。曲线顶点为最佳自应力水平，即此时的自应力水平能最大限度地提高极限承载力。根据该文试验结果可以得出最佳自应力水平在0.n1左右。该文还采用合成法，根据平衡条件和变形协调条件，建立了钢管自应力混凝土短柱数值分析模型，模拟了短柱的荷载—变形曲线，这样有助于更深入地认识钢管自应力混凝土短柱的工作机理。 3、通过钢管自应力混凝土长柱试验，研究了初始自应力对其力学性能的影响。分析了自应力水平、长细比对长柱极限承载力的影响。结果表明：由于长柱的破坏形式不同，初始自应力对其力学性能的影响程度也不相同。发生稳定破坏的长柱，破坏前混凝土仍处于弹性工作阶段，初始自应力对力学性能的提高作用没有充分发挥，所以影响较小；而发生强度破坏的长柱，由于其破坏是由于混凝土压溃和钢管约束失效控制，初始自应力有效地发挥了三向限制作用，因此承载力较普通钢管混凝土能提高31％左右。长细比仍然是影响结果钢管自应力混凝土长柱力学性能的主要因素。该文根据试验结果回归了长细比与荷载提高率的关系式，钢管自应力混凝土长柱的承载力可以在此基础上得到。 4、通过钢管自应力混凝土柱的轴压荷载下的长期性能试验，研究了初始自应力对长期力学性能的影响。试验结果表明：虽然初始侧向压力能限制轴向徐变的发展，但是与承受相同荷载的普通钢管混凝土柱相比，由于初始自应力产生的轴向压力会增大轴压比，因此在相同外荷载下钢管自应力混凝土的徐变比钢管普通混凝土略大一些，但比无约束混凝土的徐变小很多。该文采用ACI徐变模型与BP-KX徐变模型，利用龄期调整的有效模量法，结合平衡条件和变形协调条件，建立钢管自应力混凝土轴心受压柱长期性能数值分析模型，计算结果较好地模拟了实测结果。在此基础上利用模型分析了，自应力水平、混凝土强度和含钢率等因素对钢管自应力混凝土长期性能的影响。该文推导出应力重分布系数，利用应力重分布系数可以计算出不同龄期钢管和混凝土各自承受荷载的比率，由此计算出钢管自应力混凝土的长期承载力。公式反映了应力比，含钢率及加载龄期等等影响钢管自应力混凝土长期力学性能的因素。 该文开辟了自应力混凝土应用的新途径，最大限度地利用了自应力混凝土的膨胀能，解决了钢管限制下的自应力值计算理论问题。为自应力混凝土在钢管中应用打下了良好的基础。利用自应力混凝土的初始自应力解决了钢管混凝土由于普通混凝土收缩使钢管约束力不能有效发挥的问题，同时钢管混凝土长期承载力劣化问题也能得到有效地解决。自密实混凝土使核心混凝土的施工质量得到保证，有效地解决了钢管混凝土施工中遇到的难题。该文开展了此类钢管混凝土的试验研究与理论分析，为钢管自应力免振混凝土柱在工程中的应用提供了有益的依据。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2钢管混凝土研究现状综述

1.2.1钢管混凝土的特点

1.2.2钢管混凝土设计理论研究现状

1.2.3短期荷载作用下钢管混凝土的力学性能

1.2.4长期荷载作用下钢管混凝土的力学性能

1.3自密实混凝土研究综述

1.3.1自密实混凝土的特点

1.3.2自密实混凝土的原材料

1.3.3自密实混凝土的配合比设计

1.3.4自密实混凝土拌合物性能检测方法

1.3.5硬化后自密实混凝土的力学性能

1.4自应力混凝土研究综述

1.4.1自应力混凝土的特点

1.4.2自应力混凝土的应用

1.4.3自应力混凝土设计理论

1.5本文的主要工作

第二章钢管约束下的自应力混凝土膨胀性能研究

2.1前言

2.2自应力免振混凝土配合比设计

2.3硫铝酸盐自应力混凝土早期性能

2.4核心混凝土的膨胀性能研究

2.4.1三向限制对混凝土微观结构的影响

2.4.2试验概况

2.4.3应力分析

2.4.4自应力混凝土膨胀机理分析

2.5限制膨胀率与自应力值计算方法

2.6结论

第三章钢管自应力混凝土短柱轴压力学性能

3.1前言

3.2试验概况

3.3试验结果及分析

3.3.1钢管自应力混凝土短柱破坏形态及分析

3.2.2钢管自应力混凝土承载力影响因素

3.4钢管自应力混凝土短柱承载力计算方法

3.4.1普通钢管混凝土短柱计算方法

3.4.2初始自应力影响下钢管混凝土的计算

3.5结论

第四章钢管自应力混凝土短柱数值分析

4.1前言

4.2钢材和混凝土的本构关系模型

4.2.1钢材的本构关系模型

4.2.2混凝土的本构关系模型

4.3钢管自应力混凝土受力全过程分析

4.4计算结果及分析

4.5结论

第五章钢管自应力混凝土长柱轴压力学性能

5.1前言

5.2试验概况

5.3试验结果及分析

5.3.1试件破坏形态

5.3.2荷载-变形曲线

5.3.3长细比对承载力的影响

5.3.4初始自应力对承载力的影响

5.4钢管自应力混凝土长柱计算方法

5.4.1普通钢管混凝土长柱计算方法

5.4.2钢管自应力混凝土长柱计算方法

5.5结论

第六章钢管自应力混凝土柱的长期力学性能

6.1前言

6.2试验概况

6.3试验结果分析

6.4徐变函数的选取

6.4.1长期荷载作用下的变形组成

6.4.2徐变函数的选取

6.5徐变数值计算模型

6.5计算结果及分析

6.6钢管自应力混凝土长期承载力计算方法

6.7结论

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢