新型薄壁钢管混凝土柱静力性能研究

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薄钢-混凝土组合结构是一种由薄壁板材、冷弯薄壁型钢(包括薄壁钢管)与混凝土组合而成的新型结构。混凝土的存在,提高了薄壁构件的局部屈曲承载力和抗火及防腐蚀性能;薄壁型钢的存在,可兼做梁、柱模板,还起到部分受力纵筋或约束箍筋的作用。由于该结构形式同时具备了薄钢结构和混凝土结构的优点,近年来,在国内外受到了越来越多学者的关注。  本文为进一步探索提高柱极限承载力的有效方法,提出了冷弯设肋与设对拉片的新型薄壁钢管混凝土柱截面形式,通过对42个短柱和27根长柱的试验和大量的有限元参数分析,评价了不同截面形式薄壁钢管混凝土柱的受力特点及对柱极限承载力的提高效果。论文着重开展了下述研究工作,并取得了一些阶段性成果。  首先,对单向和双向设置直肋与斜肋、单向和双向设置对拉片及不同对拉片设置间距共42个方形薄壁钢管混凝土短柱进行了轴压试验;分析了构件的破坏模式、荷载-位移曲线等。结果表明,短柱以剪切破坏模式为主,肋板或对拉片在短柱压溃之前均能与混凝土保持良好粘结;不论单向和双向设置直肋与斜肋均可有效提高短柱的极限承载力;对拉片设置间距是影响短柱极限承载力的主要因素,间距越密承载力越高。  为研究设肋与设对拉片对薄壁钢管混凝土长柱力学性能的影响,进行了27根薄壁钢管混凝土长柱的轴压与偏压试验。分析了构件的破坏模式及荷载-位移(挠度)曲线等。结果表明,肋或对拉片与混凝土在试件破坏之前均能保持共同工作;设肋薄壁钢管混凝土长柱不论轴压与偏压均能达到较高的极限承载力;设置对拉片对轴压长柱的极限承载力有一定提高作用,对偏压长柱的提高作用随荷载偏心距的增大而减小。  采用有限元程序 ABAQUS6.4对短柱和长柱的试验全过程进行了模拟分析,计算结果与试验吻合较好。根据计算结果,分析比较了不同截面形式薄壁钢管混凝土轴压短柱的柱中截面混凝土应力的分布规律。  对普通及双向设置直肋的薄壁钢管混凝土短柱与长柱进行了有限元参数分析。经过大量计算,考察了128个短柱在混凝土强度、钢材强度、钢板厚度、肋宽等参数变化下的承载力和纵向位移的变化规律;回归出短柱的混凝土极限压应力、钢板极限压应力、短柱峰值压应变和短柱极限承载力的计算公式。在长柱的参数分析中又增加了偏心距、长细比等参数,对648根轴压与偏压长柱在不同长细比、初始偏心距影响下的承载力及柱中挠度的变化规律进行了总结,回归出轴压长柱的稳定系数、偏压长柱的偏心距增大系数,进而得到了长柱在极限承载力状态时,轴向力和弯矩的计算公式。同时,进行了72个纯弯柱的有限元分析,并按普通钢管混凝土计算方法进行回归,发现回归公式与有限元结果存在一定误差,因此,有必要重新考虑薄壁钢管混凝土柱纯弯条件下的承载力计算方法。
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