内配型钢钢管混凝土受压柱长期荷载作用下力学性能研究

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内配型钢钢管混凝土作为一种新型组合构件,相比钢管混凝土构件,具有承载力高、空间利用率好等优点,可应用于大跨桥梁或高层建筑结构的承重构件中。桥梁或高层建筑作为重要建筑物,往往使用年限比较久,内配型钢钢管混凝土作为基本构件在使用期间便遭受长期荷载作用;另外,由于施工工艺的原因,外钢管作为竖向支撑还可能先承受施工荷载作用。因此,从建筑施工到正常使用期间的整个过程内,内配型钢钢管混凝土在施工荷载以及长期荷载共同作用下的力学性能应该被考虑。但目前关于施工荷载和长期荷载共同作用对内配型钢钢管混凝土力学性能的研究并不多见,因此开展该构件全寿命周期下的受压性能研究很有必要。本文通过试验和数值模拟方法对内配型钢钢管混凝土在钢管初应力和长期荷载共同作用下的力学性能开展相关研究,主要内容如下:(1)进行了12根考虑外钢管初应力的内配工字型钢圆钢管混凝土受压试验,试验参数为初应力系数、偏心率和长细比。对试件的破坏形态和变形过程、承载力、延性进行研究,比较并分析各受压试件荷载-变形曲线以及各测点应变的变化规律。利用ABAQUS软件建立考虑钢管初应力的内配型钢圆钢管混凝土受压柱数值模型,并通过已有试验结果对模型的可靠性进行验证。计算钢管初应力存在时内配型钢钢管混凝土受压柱的荷载-变形全过程曲线及其各部件的承载力分配结果,并分析不同部件间接触应力,以及各部件的应力发展。最后对钢管初应力系数、荷载偏心率、构件长细比、型钢截面尺寸等因素进行参数分析以给出承载力影响系数计算方法。(2)对8根考虑长期荷载作用的内配型钢方钢管混凝土柱进行试验研究,同时设计12根不考虑长期荷载的对比试件,主要参数有长细比、型钢含钢率和长期荷载比。分析试件在长期荷载作用下纵向变形随时间的增长和各参数对试件在长期荷载作用下纵向变形的影响规律,并研究长期荷载作用对承载力破坏性能的影响。随后,采用ABAQUS建立有限元模型,对长期荷载作用下内配型钢钢管混凝土轴心受压构件进行精细化的全过程分析,主要研究组合柱的荷载-变形曲线、材料应力的发展和分布、各部件荷载分配等变化,同时与不考虑长期荷载作用的结果进行对比,分析考虑长期荷载对内配型钢钢管混凝土构件的影响规律。(3)在明晰了分别考虑钢管初应力和长期荷载作用时内配型钢钢管混凝土构件的力学性能后,对两种荷载共同作用时的内配型钢圆(矩形)钢管混凝土柱全过程受力性能进行试验研究。通过试验研究长期荷载阶段各试件的纵向应变随时间变化规律,另外对考虑钢管初应力和长期荷载共同作用后的内配型钢圆钢管混凝土柱进行承载力破坏试验分析。主要考察两种荷载工况共同作用对内配型钢钢管混凝土破坏形态、荷载-变形曲线、初始刚度等指标的影响。试验表明组合荷载作用对构件后期力学性能影响更显著。(4)为了深入了解考虑钢管初应力的内配型钢钢管混凝土柱长期受压性能,通过合理选取材料本构,采用ABAQUS软件建立了考虑钢管初应力和长期荷载共同作用的有限元模型,在模型验证的基础上分析两种荷载工况共同作用下内配型钢圆(方)钢管混凝土构件的全过程受压性能。分别分析了短柱和长柱的全过程荷载-变形曲线、各部件接触应力、应变发展规律等,并评估了不同参数,如长期荷载比、初应力系数、偏心率、长细比、材料强度、型钢截面形式等对长期荷载阶段纵向变形以及承载力影响系数的影响。(5)基于试验和数值模拟得到了影响内配型钢钢管混凝土在钢管初应力和长期荷载共同作用下受力性能的主要参数,通过有限元模型重点分析钢管初应力系数、偏心率、长细比、材料强度等参数对内配型钢钢管混凝土构件在两种荷载工况共同作用时承载力影响系数的变化规律影响。基于有限元模型进行不同参数分析得到了承载力影响系数计算方法,并结合不考虑全寿命周期的受压承载力计算方法,最终提出了该类组合构件考虑钢管初应力和长期荷载共同作用下的承载力计算方法。
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