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在传统的钢管混凝土工程中,经常采用的是管壁较厚的钢管混凝土。已有的工程经验表明,在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管,可以减少钢材用量,减轻焊接工作量,达到降低造价的目的。但是薄壁钢管在轴压或偏压作用下容易发生局部屈曲,尤其是截面形状为方形或矩形时。参照钢结构处理局部屈曲的方法,可沿薄壁钢管混凝土管壁纵向设置加劲肋,利用加劲肋的抗弯刚度为板件的面外提供约束变形的支撑点,从而提高板件发生局部屈曲的临界应力。本文采用有限元分析和理论分析相结合的方法对轴压和偏压下薄壁钢管混凝土长柱的变形和承载性能进行了研究,主要包括以下几个方面:
(1)初始几何缺陷(初弯曲)是影响钢结构板件局部屈曲的重要因素之一,初始弯曲的存在会降低薄壁钢管混凝土柱的承载力。采用能量法对具有初始弯曲管壁的屈曲性能进行了分析,结果表明,初始弯曲的存在会使管壁的宽厚比降低30%左右。规程DBJ13-51-2003和CECE 159:2004对方形和矩形钢管混凝土管壁临界宽厚比的规定是偏于安全和合理的。
(2)采用有限元法对带有不同端板刚度的带肋薄壁矩形钢管混凝土长柱的承载性能进行研究,发现端板刚度的大小会影响构件的破坏模式及承载力大小,端板刚度高于临界刚度时的承载力比端板刚度低于临界刚度时的承载力提高15%左右。
(3)通过对已有试验数据分析,得出适用于带肋和不带肋薄壁矩形钢管混凝土短柱的承载力计算公式。以长细比为参数,对轴压下带肋和未带肋薄壁矩形钢管混凝土长柱进行有限元分析,从荷载—位移曲线图可以得出加劲肋的设置可以有效防止局部屈曲提前发生,从而提高了柱子的承载力和延性,并分别回归了带肋和未带肋薄壁矩形钢管混凝土长柱的极限承载力公式,可用来估计长柱的极限承载力,为其应用于实际工程作了初步探索。
(4)对偏压作用下带肋薄壁矩形钢管混凝土长柱的荷载—位移曲线和破坏模式进行了研究,分析了长细比、偏心距对力学性能的影响。
(5)用截面换算法推导出带肋薄壁矩形钢管混凝土偏压短柱、长柱的极限承载力公式,并进行了验证,结果表明该公式能够准确的预测柱子的极限承载力,可为有关工程实践提供参考。