新型矩形波纹钢管混凝土柱的轴压与偏压性能研究

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矩形波纹钢管混凝土柱是一种新型的组合构件,该柱的钢管由两块平钢板与两块较薄的波纹钢板焊接而成,平钢板可以提供一部分竖向承载力,而波纹钢板可以增强对核心混凝土的约束作用,延缓板件的局部屈曲,提高局部稳定性,从而提高构件的极限承载力。本文采用试验研究、数值模拟以及理论分析三种方法,研究了新型矩形波纹钢管混凝土柱的轴压与偏压力学性能,主要内容包括:(1)对8根新型矩形波纹钢管混凝土柱进行了轴压试验,试验参数主要包括长细比、平钢板厚度、波纹钢板厚度、截面高宽比以及截面尺寸,分析了不同参数下试件的破坏模式,得到了轴压试件的各力学性能指标。结果表明:新型矩形波纹钢管能对核心混凝土起到良好的约束效果,各参数下的强度指数均大于1.15,新型矩形波纹钢管与核心混凝土产生了良好的组合效应。(2)对15根新型矩形波纹钢管混凝土柱进行了偏压试验,试验参数主要包括加载位置、偏心率、平钢板厚度、波纹钢板厚度、截面高宽比和配筋率,分析了不同参数下试件的破坏模式,得到了偏压试件的各力学性能指标。结果表明:偏心率是影响构件极限承载力的主要原因之一,试件的承载力与截面高宽比呈正相关,延性与截面高宽比则呈负相关,增加波纹钢板厚度对承载力的提升随着偏心率的增大而减小,但可以显著提高试件的延性。(3)利用ABAQUS软件建立了新型矩形波纹钢管混凝土柱的有限元模型,基于验证模型进行了参数分析。结果表明:提出的模拟方法可以较好的模拟该新型柱的受力性能,强度指数对波纹钢板厚度、混凝土强度和截面高宽比较为敏感,随着波纹钢板厚度的增大而增大,随着混凝土强度等级的提升而降低。(4)对比研究了基于传统平钢管混凝土的《钢管混凝土结构技术规范》和《矩形钢管混凝土结构技术规程》对新型矩形波纹钢管混凝土柱承载力计算的实用性,计算发现现行规范计算值均偏于保守;基于Mander模型推导了新型矩形波纹钢管混凝土的轴压承载力计算公式,并在该公式的基础上考虑偏心率折减系数得到了相关的偏压承载力计算公式;基于塑性理论推导了新型矩形波纹钢管混凝土偏压柱的轴力-弯矩曲线。建议公式计算值与试验值及模拟值均吻合良好,可为工程设计提供参考。本论文有图67幅,表18个,参考文献103篇。
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