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方钢管混凝土组合异形柱结构力学性能与工程应用研究

周婷  
【摘要】:方钢管混凝土组合异形柱是一种新型的柱结构形式,该柱能够包裹在墙体内部,增加使用面积,能够发挥钢管混凝土结构与异形柱结构的优势。为了降低用钢量并匹配建筑平面布置,经常使用L形柱。针对此方钢管混凝土组合异形柱,本文进行了体系的构造形式研究、构件轴压、构件压弯、构件抗震性能的有限元分析与试验研究、设计方法及工程应用研究。 提出了直接连接和间接连接的螺栓连接方钢管混凝土组合异形柱、开孔钢板连接形式的方钢管混凝土组合异形柱,并比较了静力性能,发现在现有技术条件下,焊接开孔钢板连接形式的方钢管混凝土组合异形柱为最优形式,提出了方钢管混凝土组合异形柱外肋环板节点构造形式和计算方法。 进行了2根组合异形柱的轴压试验和有限元模拟,其中一根为填充混凝土试件,一根为空钢管试件,通过试验与有限元分析,发现:填充混凝土后极限承载力提高21%,刚度提高,延性有所下降;开孔钢板和加劲肋作为连接形式能够很好的保证单肢柱协同工作;填充混凝土的试件连接板可以简化为横向和斜向缀条进行计算;试验结果与有限元分析结果吻合很好。 进行了2种加载角度的方钢管混凝土组合异形柱压弯试验与有限元模拟,得到以下结论:两个试件分别发生了绕单轴的单向压弯和绕弱轴的双向压弯,而且双向压弯的变形与应力状态均绕着对称轴对称分布;两个试件的极限承载能力基本相同,单向压弯试件刚度较大,原因是由于试件的破坏是由于单肢柱顶的局部屈曲引起,极限承载力由单肢极限承载力控制;连接板可以简化为横向和斜向缀条受力;试验结果与有限元分析结果基本吻合。 进行了3个方钢管混凝土组合异形柱拟静力试验和有限元模拟,试验参数为轴压比和单肢长细比,得到以下结论:方钢管混凝土组合异形柱滞回曲线饱满,具有较好的延性和耗能能力;随着轴压比的增加刚度增加,但是承载力、延性和耗能能力降低,随着长细比的降低刚度和承载力增加,但是延性和耗能能力降低;连接板可以简化为横向和斜向缀条受力;试验结果与有限元分析结果基本吻合。 利用MIDAS软件,提出了方钢管混凝土组合异形柱-H型钢梁结构体系的设计方法和细部构造,进行了结构体系的受力性能分析,发现方钢管混凝土组合异形柱结构体系用于低层时优于单柱体系,具有较好的抗震性能,能够抵御罕遇地震。


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