【摘 要】
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近几十年来,钢-混凝土组合结构因其优越的力学性能和便捷的施工方式而被广泛地应用于我国各领域的工程建设中。为进一步兼顾钢-混凝土组合结构的力学性能、施工效率和经济效益,本课题组在双钢板-混凝土组合结构和多腔钢板-混凝土组合结构的基础上提出了一种新型组合结构形式,名为多腔波形钢板组合(MC-CFST)构件。该新型组合构件由波形腔和钢管混凝土柱交替连接组成。其中,波形腔由两块对称放置的波形钢板和内填混凝
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近几十年来,钢-混凝土组合结构因其优越的力学性能和便捷的施工方式而被广泛地应用于我国各领域的工程建设中。为进一步兼顾钢-混凝土组合结构的力学性能、施工效率和经济效益,本课题组在双钢板-混凝土组合结构和多腔钢板-混凝土组合结构的基础上提出了一种新型组合结构形式,名为多腔波形钢板组合(MC-CFST)构件。该新型组合构件由波形腔和钢管混凝土柱交替连接组成。其中,波形腔由两块对称放置的波形钢板和内填混凝土构成,波形钢板通过焊接与两侧钢管相连接从而形成构件整体。波形钢板的设置有效增强了构件的弯曲性能,使其具有作为受弯构件应用在高层建筑、地下管廊、城市隧道等项目中的潜力和前景。本文针对多腔波形钢板组合构件弯曲刚度和弯曲承载性能开展了试验研究、数值模拟和理论分析,具体研究工作和内容如下:(1)对8个多腔波形钢板组合试件开展受弯试验,详细地记录了该种新型组合构件的试验现象和破坏失效模式。通过对试件的荷载-横向应变曲线和荷载-挠度曲线进行分析对比,研究了构件的变形过程和受力机理,论述了波形钢板与钢管之间焊缝质量对构件保持有效承载的重要性,并根据试验结果探讨了构件端柱宽度、端柱钢管厚度和波形钢板厚度对多腔波形钢板组合构件弯曲刚度和弯曲承载力的影响。(2)采用有限元软件ABAQUS建立了多腔波形钢板组合构件精细化的有限元模型,并根据试验结果验证了有限元模型的有效性。同时,基于对有限元数值模拟结果的分析,深入考察了构件整体及构件每部分的变形和受力状态,从而进一步研究了多腔波形钢板组合构件每个组成部分所发挥的作用。此外,通过有限元参数分析在在更大的参数范围内探究了波形钢板厚度、波形钢板宽度、钢管混凝土柱中钢管厚度以及钢管混凝土柱宽度对于构件初始弯曲刚度、极限弯曲承载力以及受力情况的影响。(3)在试验和数值研究基础上,对多腔波形钢板组合构件的弯曲性能开展理论分析。一方面研究了构件受弯时的变形情况,确定了波形腔截面的复合抗弯刚度,推导出了初始弯曲刚度理论公式;另一方面研究了构件的整体受力情况,确定了构件控制截面所在位置,给出了极限弯曲承载力理论公式。最后,根据试验结果和有限元算例验证了理论公式的精准性,为该组合构件的工程设计与应用提供了技术参考和设计依据,还为后续开展多腔波形钢板组合墙在四边简支条件下的整体稳定性研究提供了理论基础。
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