矩形钢管混凝土构件力学性能的理论分析与试验研究

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本文对矩形钢管混凝土构件的力学性能进行了研究,主要包括钢管混凝土中钢管的屈曲问题,不同加载模式下方钢管混凝土构件的力学性能,双向压弯受力状态下矩形钢管混凝土构件的试验研究与理论分析。具体完成了以下工作:  (1)进行了24根方形空钢管和钢管内部填充混凝土后钢管受力的试验研究,构件的主要变化参数为截面宽厚比,研究了不同宽厚比下空钢管和钢管内部填充混凝土后钢管的力学性能,测定不同宽厚比下钢管内部填充混凝土后钢管的屈曲承载力;同时采用有限元计算软件ABAQUS分析了空钢管和钢管内部填充混凝土后钢管的力学性能,分析过程中考虑了材料非线性和几何非线性,考虑了钢板的初始几何缺陷、残余应力和屈曲后强度对承载力的影响,理论计算结果和试验结果进行了对比,两者吻合较好,在此基础上回归出钢管内部填充混凝土后不同宽厚比下钢管的屈曲承载力,给出了计算屈曲承载力的简化计算方法,同时分析了钢管混凝土中钢板在压弯和纯弯受力状态下的力学性能。  (2)进行了不同加载模式下方钢管混凝土构件的力学性能研究,采用有限元分析软件分析了核心混凝土受力、钢管存在初应力和钢管与混凝土同时受力时构件力学性能的异同。同时进行了10根方钢管混凝土在不同加载模式下的试验研究,试验结果和理论分析结果进行了对比,来验证理论分析的正确性。分析结果表明,在通常情况下钢管和混凝土同时受力时构件的承载力最高,钢管存在初应力时构件承载力略低于钢管和核心混凝土同时受力时构件的承载力,核心混凝土受力时构件的刚度和承载力最低。  (3)进行了18根矩形钢管混凝土构件的试验研究,研究了构件在轴压、单向压弯和双向压弯受力状态下的力学性能,在试验过程中测量了试件的相对扭转,同时分析了相对扭转对构件荷载-变形关系曲线的影响,分析了矩形钢管混凝土在双向压弯受力状态下绕强轴和弱轴荷载-跨中挠度曲线的变化规律。  (4)采用纤维模型法编制了数值分析程序,分析了矩形钢管混凝土在轴压、单向压弯和双向压弯受力状态下的力学性能。特别在双向压弯构件的理论分析中考虑了矩形钢管混凝土在双向压弯受力状态下截面变形轴扭转对构件力学性能的影响,研究结果表明截面变形轴的扭转能明显降低构件承载力和绕弱轴的刚度,承载力的最大降低幅度能达到20%以上。在分析过程中考虑了大宽厚比下钢管局部屈曲对构件承载力的降低。理论分析结果和试验结果进行了对比,验证了理论分析的正确性。在此基础上利用编制的数值分析程序,分析了不同加载路径、长细比、加载角度、钢材屈服强度、混凝土强度和含钢率等参数对构件力学性能的影响。  (5)给出了矩形钢管混凝土轴压短柱、轴压中长柱、单向压弯构件及双向压弯构件的简化计算公式,简化计算公式简单且物理意义明确,能够计算普通宽厚比和大宽厚比下钢管混凝土构件的承载力,在大宽厚比下能够考虑钢管局部屈曲对承载力的影响,同时对于矩形钢管混凝土双向压弯构件,考虑了截面变形轴扭转对构件承载力的降低。理论分析结果和大量试验结果进行对比,同时和国内外五部矩形钢管混凝土典型设计规程进行对比,对比结果表明,本文简化计算方法能准确计算不同宽厚比下矩形钢管混凝土构件的承载力。
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