矩形钢管混凝土柱共同工作组合力学性能研究

摘要

钢管混凝土柱因具有承载力高，延性好和耗能能力强等优点己逐渐在现代结构中被采用。矩形钢管混凝土柱不仅克服了圆钢管混凝土柱因截面形状特殊带来的节点设计困难的缺点，而且还优于方钢管混凝土柱能在两个主轴方向提供不同的抗弯刚度以满足结构优化设计需求的优点。因此，矩形钢管混凝土柱在实际应用中具有广泛的发展前景。
　　 钢与混凝土之间的界面承载力是钢和混凝土共同工作的保证和表征。对界面承载力的不同认定是目前国内外现行规范中钢管混凝土结构计算理论差异的根本原因。钢管混凝土柱的截面形式不仅影响了钢管对核心混凝土的约束力，也影响了界面承载力的大小以及钢管混凝土柱的整体力学性能。先前关于钢管混凝土的基本力学性能研究主要集中在圆形和方形钢管混凝土柱的性能研究，对矩形钢管混凝土柱的基本力学性能研究尚不充分，因此尚需要进行深入研究以指导实际工程。
　　 本文主要从界面承载力，不同加载方式对构件轴压性能的影响以及核心混凝土对矩形钢管混凝土构件偏压性能的贡献率等方面开展了矩形钢管混凝土柱的基本力学性能研究。
　　 为研究矩形钢管混凝土柱的界面粘结性能，对18个矩形钢管混凝土柱进行了推出试验研究。主要的试验参数有：混凝土强度等级、钢材强度等级、界面粘结长度、截面尺寸和界面处理方式。试验结果表明：对钢管表面进行润滑处理能使界面承载力明显降低；在所有正常界面处理的构件中(界面没有做润滑处理)，混凝土强度对于界面承载力的影响最大。此外，根据试验结果分析了构件的荷载一滑移曲线；提出了一个四折线型的界面应力-滑移模型；揭示了界面应力在钢管截面短边和长边方向沿钢管全长的分布；通过对本次试验数据和他人试验数据进行非线性回归，首次提出了矩形钢管混凝土柱的平均极限界面应力计算公式。
　　 为进一步深入研究矩形钢管混凝土柱的界面粘结性能，明确界面承载力的组成成分的比例，对6个相同截面大小的矩形钢管混凝土柱进行了反复推出试验。主要的试验参数有：混凝土强度等级和不同的界面处理方式。根据试验结果分析了在反复加载过程中界面承载力的发展和组成。通过对比第一次加载过程中界面处理的构件与界面未处理构件的平均极限承载力得到了机械咬合力占界面承载力的比率；通过对比第一次和第三次加载过程中界面未处理构件的平均极限承载力确定了界面摩擦力占界面承载力的比率。在此基础上，首次提出了矩形钢管混凝土柱的界面承载力三个组成部分：化学胶结力、机械咬合力和界面摩擦力的相对比率。最后研究了矩形钢管混凝土柱的临界剪力传递长度的确定方法，以指导实际工程中矩形钢管混凝土柱的设计。
　　 为研究全截面受压和钢管先受压两种不同受压方式对钢管混凝土柱轴压性能的影响，对18个钢管混凝土柱开展了轴压性能试验研究。根据试验结果，比较了不同受压方式对矩形钢管混凝土柱的极限承载力的影响；分析了矩形钢管混凝土柱的泊松比随着荷载增加的发展变化；研究了钢对混凝土的约束系数对构件在轴心荷载作用下的强度指标和延性指标的影响；根据钢管应变变化，分析了钢管对构件承载力的贡献，研究了钢材的轴力分配系数随荷载增加的变化过程；将本次试验结果以及参考文献中关于矩形钢管混凝土柱的轴压试验研究的试验数据与各国规范预测值进行对比，提出了矩形钢管混凝土柱在钢管先受压方式下的承载力计算公式，并在考虑界面承载力大小的基础上，分析了现存三大计算理论的优缺点，并分析其对全截面受压方式的矩形钢管混凝土柱的承载力预测精度，指出在预测矩形钢管混凝土柱的轴压承载力方面上，叠加理论是计算原理合理和精度较高的计算理论。
　　 为研究矩形钢管混凝土柱的偏压性能，对17个钢管混凝土柱进行了单向压弯和双向压弯试验研究。主要的研究参数有：混凝土强度等级、钢材强度等级、截面尺寸、偏心距。记录了试验过程中试件在两个主轴方向荷载与跨中侧移的变化关系，以及构件竖向压缩随荷载的变化关系；分别研究了钢管混凝土约束系数和偏心率对试件在偏压荷载作用时的强度指标和延性指标的影响；通过有限元软件建立了在实际试验中采用的矩形钢管的模型，模拟得到空钢管在相应偏心荷载作用下的承载力，对比有限元结果和试验结果得到了核心混凝土对钢管混凝柱偏压承载力提高的贡献率；根据AISC2005和EC4中塑性应力分布法的有关规定，推导了矩形钢管混凝土柱的P-M相关曲线简化模型的计算公式，并将试验数据与简化模型进行了对比分析；结合先前关于混凝土对偏压承载力的贡献率，对地方规程《天津市钢结构住宅设计规程》中关于矩形钢管混凝土柱的压弯承载力的计算公式提出了修正意见。
　　 最后，在总结本文的研究成果的基础上，针对目前矩形钢管混凝土柱在实际工程中的应用，对其提出了有待进一步深入研究的课题。