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新型钢管混凝土构件的理论和试验研究

卢方伟  
【摘要】: 钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便快捷和经济效益显著等优点,是一种发展前景广阔的结构形式。为了进一步挖掘钢管混凝土构件的承载潜能,增强钢管对核心混凝土的约束效应和改善组合截面的形式是比较有效的途径。本文第一部分,用膨胀混凝土替代普通混凝土填入方形钢管内,建立前期主动约束,组成了方钢管膨胀混凝土结构。第二部分,针对矩形钢管混凝土梁的受力特点,重新调整钢管壁厚来改善组合截面的形式,提出了非等壁厚矩形钢管混凝土结构。通过试验、理论分析对这两种新型钢管混凝土结构的变形和受力性能进行了研究,主要包括以下几个方面: 首先,通过膨胀混凝土试验研究,确定了适用于填充方钢管的膨胀混凝土的合理配合比。探讨了膨胀剂、粉煤灰、微硅粉等外加剂掺量对膨胀混凝土的工作性能、不同龄期强度以及自由膨胀率的影响规律,总结了核心混凝土的自由膨胀模式,为方钢管膨胀混凝土结构力学性能研究提供了基础。 其次,分析了方钢管膨胀混凝土短柱在轴心受压和偏心受压作用下的力学性能。分别进行了20根轴压试件、18根偏压试件的试验研究,结果表明,膨胀剂掺量适当的方钢管膨胀混凝土短柱,相对于普通方钢管混凝土,其轴压极限承载力提高程度可达7%~15%,偏压极限承载力提高程度可达3%~12%。另外,得到了膨胀剂掺量、宽厚比、偏心率等参数对方钢管膨胀混凝土短柱承载性能的影响规律。同时,将试验结果与国内外常见的规程计算结果进行了比较,提出了方钢管膨胀混凝土短柱极限承载力的计算方法。 再次,考虑材料非线性和几何非线性,并引入应力场变量,考虑钢材和混凝土材料在加载过程中泊松比的变化,建立了方钢管混凝土的三维非线性有限元模型。在此基础上,依据力学模型上的相似性,将膨胀混凝土的微膨胀等效模拟为混凝土的热膨胀,对方钢管膨胀混凝土进行了荷载—变形全曲线分析,与试验结果吻合较好。同时,探讨了钢管与核心混凝土间的相互作用机理。分析表明,方钢管膨胀混凝土短柱在加载前钢管与核心混凝土间存在较大的接触压力,在加载初期,接触压力稍有减小,到极限荷载附近时,平均接触压力迅速增大。在加载的全过程中,方钢管膨胀混凝土的平均接触压力始终大于普通方钢管混凝土,其截面的约束效应主要依赖于两个斜对角区域。 最后,对非等壁厚矩形钢管混凝土纯弯构件进行了试验研究。结果表明,这种新型结构具有良好的延性和后期承载力,其抗弯性能优于同等条件用钢量的等壁厚矩形钢管混凝土构件,是一种性能优化的组合结构。同时,对非等壁厚矩形钢管混凝土纯弯构件的荷载—变形全曲线进行了数值计算,与试验结果吻合较好,经过参数变换分析,给出了非等壁厚矩形钢管混凝土纯弯构件截面优化的建议参数,相对于等壁厚矩形钢管混凝土,其抗弯极限承载力可提高5%以上。此外,推导出了非等壁厚矩形钢管混凝土构件的受弯承载力理论计算公式,与试验结果比较吻合较好。 本文在上述领域内给出了大量首次发表的研究成果,揭示了方钢管膨胀混凝土和非等壁厚矩形钢管混凝土结构的受载力学特性。其研究结果为方钢管膨胀混凝土和非等壁厚矩形钢管混凝土结构的进一步研究和工程应用提供了重要的理论依据,具有很大的参考价值。


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