钢骨-方钢管自密实高强混凝土柱力学性能研究

摘要

为了更好地适应当代工程结构向大跨、高耸、重载方向发展和工业化生产施工的需要，该文将钢骨混凝土、方钢管混凝土与高强高性能混凝土技术结合起来，提出了一种重载柱设计的新模式，即钢骨-方钢管自密实高强混凝土组合柱。该组合柱是在方钢管内填充自密实高强混凝土和型钢而形成。 该文主要工作： 1、成功配制出立方体抗压强度分别为73.2MPa和103.8MPa的两种自密实高强高性能混凝土，完全实现了试件的免振成型。 2、进行了14根轴心受压钢骨-方钢管自密实高强混凝土短柱的试验研究。试验结果表明：钢骨-方钢管自密实高强混凝土短柱试件的破坏形态与不含钢骨的方钢管自密实高强混凝土试件的破坏形态明显不同；经过振捣的试件与自密实试件的变形曲线和极限强度均没有明显差异；混凝土的强度、方钢管的宽厚比和钢骨的用量都对组合柱的受力性能有着显著影响；核芯混凝土的存在改变了方钢管板件的局部屈曲模式，使方钢管混凝土的宽厚比限值提高为空方钢管宽厚比限值的1.6倍。 3、在试验研究的基础上建立了钢骨、方钢管和核芯自密实高强混凝土的单轴应力-应变模型，其中方钢管的模型考虑了双轴效应，核芯混凝土的模型考虑了方钢管的约束作用和钢骨对其延性的影响。然后利用纤维模型法对轴心受压短柱荷载-变形性能进行分析，理论分析结果与试验结果吻合良好。最后在试验和理论研究的基础上，提出了可供工程设计参考的钢骨-方钢管自密实高强混凝土短柱轴压承载力计算公式。 4、进行了8根轴心受压钢骨-方钢管自密实高强混凝土长柱的试验研究。试验前，用超声法对内填自密实高强混凝土的质量进行检测，超声检测结果表明核芯混凝土的密实性与质量均匀性良好，表明该文配置的自密实高强混凝土可以在组合柱构件中实现自密实的效果。试验结果表明：长细比是影响组合长柱轴压受力性能的最主要因素。随着长细比的增大，试件的承载能力、极限纵向变形率以及延性明显降低。 5、利用切线模量理论，对轴心受压钢骨-方钢管自密实高强混凝土柱的稳定承载力进行了理论分析。与试验结果的对比表明，该方法可以对轴压组合柱的稳定承载力给出良好的预测。最后在试验研究和理论分析的基础上，给出可供工程设计参考的组合柱轴压稳定承载力的实用计算公式。 6、进行了3根钢骨-方钢管自密实高强混凝土受弯构件的试验研究。试验结果表明，在试件受弯过程中可近似认为方钢管和钢骨的变形是协调的。分别采用叠加法和极限状态设计法对钢骨-方钢管自密实高强混凝土构件的抗弯承载力进行了推导。与试验结果的对比表明，两种方法都能较好地预测出钢骨-方钢管自密实高强混凝土构件的抗弯承载力，且皆偏于安全。 7、进行了14根钢骨-方钢管自密实高强混凝土柱抗震性能的试验研究。试验结果表明：钢骨和灌入其内部的混凝土形成了一个核芯柱，阻止了危险截面处混凝土断裂面的产生，提高了柱子的防倒塌能力；轴压比、宽厚比、混凝土的强度及钢骨的用量等参数对组合柱的极限承载力、延性、耗能、刚度等性能具有显著影响，其中轴压比仍是最主要的因素；为保证钢骨-方钢管高强混凝土组合柱具有良好的延性，有必要对其轴压比的限值作出规定。 8、采用叠加法推导了钢骨-方钢管自密实高强混凝土柱正截面承载力的计算公式，其计算结果与数值分析结果吻合良好，与试验值相比偏于安全。该计算方法概念明确，计算简便，可供工程设计参考。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2组合柱的发展与应用

1.2.1钢骨混凝土柱的发展与应用

1.2.2钢管混凝土柱的发展与应用

1.2.3其他形式的组合柱

1.3高强高性能混凝土在组合柱中的应用

1.4方钢管混凝土柱的研究概况

1.4.1方钢管混凝土柱的试验研究

1.4.2方钢管混凝土柱的理论分析

1.4.3各国规范设计方法的比较

1.5本文的主要研究内容

第二章钢骨-方钢管自密实高强混凝土短柱轴压力学性能的研究

2.1前言

2.2试验概况

2.2.1试件设计

2.2.2自密实高强混凝土的配制

2.2.3钢材的材料试验

2.2.4试件的制作

2.2.5试验方法

2.3试验结果与分析

2.3.1破坏形态

2.3.2荷载-轴向应变曲线

2.3.3钢材横向应变与相对荷载的关系

2.3.4方钢管的约束作用

2.3.5延性分析

2.3.6振捣对构件受力性能的影响

2.3.7方钢管局部屈曲和宽厚比限值的讨论

2.4理论分析

2.4.1核芯混凝土的受压应力-应变模型

2.4.2钢材的应力-应变模型

2.4.3数值模型的建立

2.4.4计算结果与试验结果的比较

2.5强度承载力的计算

2.5.1公式推导

2.5.2试验校核

2.6小结

第三章钢骨-方钢管自密实高强混凝土长柱轴压力学性能的研究

3.1前言

3.2试验概况

3.2.1试件设计

3.2.2试件的制作

3.2.3试验方法

3.3核芯自密实高强混凝土质量的超声波检验

3.3.1钢骨-方钢管混凝土柱的超声波检测原理

3.3.2检测方法

3.3.3检测结果分析

3.4试验结果与分析

3.4.1破坏形态

3.4.2荷载-纵向应变关系曲线的特点

3.4.3荷载-挠度关系曲线的特点

3.4.4长细比对长柱试件轴压力学性能的影响

3.5轴压组合柱稳定承载力的理论分析

3.5.1核芯混凝土的σ-ε关系和切线模量的计算

3.5.2钢材的σ-ε关系和切线模量的计算

3.5.3临界力的求解过程

3.5.4理论计算结果的分析

3.6轴压组合柱稳定承载力的计算

3.7小结

第四章钢骨-方钢管自密实高强混凝土构件抗弯力学性能的研究

4.1前言

4.2试验概况

4.2.1试件设计

4.2.2试件的制作

4.2.3试验方法

4.3试验结果与分析

4.3.1跨中弯矩-挠度曲线

4.3.2截面应变分析

4.4抗弯承载力计算

4.4.1方钢管混凝土构件抗弯承载力的计算方法

4.4.2钢骨混凝土构件抗弯承载力的计算方法

4.4.3钢骨-(圆)钢管高强混凝土构件抗弯承载力的计算方法

4.4.4钢骨-方钢管自密实高强混凝土构件抗弯承载力的计算

4.5小结

第五章低周反复荷载下钢骨-方钢管自密实高强混凝土柱抗震性能的研究

5.1前言

5.2试验概况

5.2.1试件设计

5.2.2试件的制作

5.2.3试验装置和加载程序

5.3试验结果与分析

5.3.1破坏形态

5.3.2滞回曲线

5.3.3骨架曲线

5.3.4刚度退化

5.3.5耗能性能

5.3.6延性分析

5.4轴压比对组合柱延性的影响及其限值讨论

5.4.1轴压比对组合柱延性影响的原因

5.4.2轴压比限值的讨论

5.5压弯承载力的计算

5.5.1压弯承载力计算的叠加法

5.5.2压弯承载力的数值分析

5.6小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2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