【摘 要】
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作为一种新型组合构件,波纹钢管混凝土可有效解决传统钢管混凝土的外管腐蚀问题,且保持了钢管混凝土特有的力学性能优势和施工便捷性,在市政桥梁、工业厂房、风机塔筒及大型输电塔架等有高耐久性要求的土木工程主体结构中,具有很强的适应性与广阔的应用前景。目前,针对其基本力学性能的研究还未形成体系,整体来看尚处起步阶段,在实际应用中暂无标准可循。为此,本文针对波纹钢管混凝土柱的基本静力性能开展研究,包括其截面轴
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“波纹钢管混凝土工作机理及静动力性能研究”（51878221）； 黑龙江省杰出青年基金“压-弯-扭复杂荷载作用下波纹钢管混凝土构件滞回性能研究”（JQ2021E003）；
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作为一种新型组合构件,波纹钢管混凝土可有效解决传统钢管混凝土的外管腐蚀问题,且保持了钢管混凝土特有的力学性能优势和施工便捷性,在市政桥梁、工业厂房、风机塔筒及大型输电塔架等有高耐久性要求的土木工程主体结构中,具有很强的适应性与广阔的应用前景。目前,针对其基本力学性能的研究还未形成体系,整体来看尚处起步阶段,在实际应用中暂无标准可循。为此,本文针对波纹钢管混凝土柱的基本静力性能开展研究,包括其截面轴压与偏压性能、构件的轴压与偏压稳定性能以及受扭性能,揭示波纹钢管混凝土在上述荷载工况下的约束机理与协同工作机制。具体内容如下:（1）波纹钢管混凝土短柱轴压性能及约束机理研究。开展了包含12个波纹钢管混凝土短柱在内的21个短柱轴压试验研究,主要参数为约束效应系数、端部承载模式和试件类型;基于试验对构件的破坏形态、承载能力、波纹钢管应力等方面进行了分析。提出了可用于ABAQUS有限元分析中的波纹钢管约束核心混凝土本构模型;建立了可精准预测波纹钢管混凝土短柱轴压力学性能的实体-壳体有限元分析模型;揭示了波纹钢管对核心混凝土沿轴向的非均匀约束机理,理论推导了其局部约束应力的分布公式;对波纹钢管的几何尺寸和材料强度进行了参数分析,量化了其等效约束应力计算方法;建立纤维模型数值分析方法,对波纹钢管混凝土截面轴压承载力进行了系统的参数分析;基于钢管约束混凝土的设计方法,提出了波纹钢管混凝土截面轴压承载力计算公式。（2）波纹钢管混凝土短柱偏压力学性能研究。开展了18个偏压短柱和3个纯弯试件的试验研究,主要参数为偏心距、约束效应系数和试件类型;围绕试件破坏模式、荷载-挠度曲线、受压区和受拉区不同波纹位置（波峰、波谷、波腹）的应变分布及发展规律等进行了分析。建立了波纹钢管混凝土偏压短柱实体-壳体有限元分析模型;揭示了其沿截面高度和构件高度的非均匀约束机理,并提出等效约束应力沿截面分布的定量计算方法;在此基础上,提出考虑非均匀约束的核心混凝土单轴应力-应变本构模型;建立了可考虑非均匀约束及应变集中影响的非线性数值分析纤维模型,围绕波纹钢管混凝土截面偏压承载力,开展了系统的参数分析;最终提出了波纹钢管混凝土截面偏压承载力设计方法。（3）波纹钢管混凝土构件轴压与偏压稳定性能研究。围绕8组共24个不同长细比和偏心率的中长柱、长柱试件开展了试验研究,对试件的挠曲形状、破坏模式、轴力-跨中挠度关系曲线及轴力-波纹钢管应变曲线等进行了分析。利用基于数值的纤维模型分析方法,开展了系统的波纹钢管混凝土构件轴压及偏压承载力参数分析,提出了轴压稳定系数、偏压下的端部弯矩增大系数及偏心距调节系数的量化计算公式,建立了可考虑构件二阶效应的波纹钢管混凝土轴压与偏压构件承载力设计方法。（4）波纹钢管混凝土构件受扭力学性能研究。设计了一套纯扭工况的加载装置,利用其开展了6个试件的纯扭试验,研究的影响因素为扭转方向、波纹钢管受扭模式和构件类型;实测并分析了试件的扭矩-扭转角和波纹钢管应变-扭转角全过程曲线;考虑咬口的实际连接构造,实测了咬合界面接触剪应力的发展规律,提出了咬口粘结-滑移本构关系;通过考虑波纹与咬口的实际外形,建立了波纹钢管混凝土的有限元纯扭分析模型,分析了波纹钢管与混凝土的应力应变规律,揭示了波纹钢管与核心钢筋混凝土的受扭协同工作机制;结合理论推导与系统的参数分析,提出了波纹钢管混凝土构件的受扭承载力简化设计公式。
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