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《湖南大学》 2009年
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钢骨-钢管高性能混凝土轴压组合柱受力性能与设计方法研究

肖阿林  
【摘要】:钢骨-钢管混凝土柱是在钢管中插入钢骨后充填混凝土而形成的现代新型组合柱。钢骨-钢管混凝土柱综合了钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱两者的性能优势,能够满足现代工程结构往大跨、重载、高耸及承受恶劣条件方向发展和工业化生产施工的要求。在总结钢-混凝土组合柱以往研究成果的基础上,本文对钢骨-钢管高性能混凝土组合柱在轴压荷载下的受力性能和设计方法进行了较为深入的试验与理论研究。主要研究内容如下: 1、以套箍系数、配骨指标和长细比等为主要变化参数,进行了9根钢骨-钢管高性能混凝土短柱和11根长柱的轴压试验,观察并研究了这种新型组合柱在轴心压力作用下的宏观变形特征、破坏机理、破坏模式,较为系统地考察了钢管壁厚、钢骨截面面积、混凝土强度等级及构件长细比对组合柱承载力的影响规律,对比了钢骨-钢管高性能混凝土柱和钢管高性能混凝土柱、不同支座加载条件下钢骨-钢管高性能混凝土轴压短柱的力学性能差异。 2、采用内力分解分析法,得到了钢骨-钢管高性能混凝土轴压短柱中钢骨、钢管和核心混凝土应力与试件纵向平均应变(σ-εl)的关系曲线,以及钢骨、钢管和核心混凝土三者的轴力分配关系。把处于复杂受力状态的钢骨、钢管和核心混凝土综合工作性能分解开来,对钢骨、钢管和核心混凝土的相互依赖关系和钢骨-钢管高性能混凝土轴压短柱的工作机理获得了更明确和深刻的认识。 3、采用大型通用有限元软件ANSYS对平板支座加载条件下的钢骨-钢管高性能混凝土轴压短柱进行了非线性有限元分析,有限元分析的计算曲线与试验曲线吻合良好,通过对试件在进入弹塑性阶段后不同受力阶段中截面核心混凝土纵向应力和等效应力分布情况的研究,探讨了钢管和钢骨翼缘对核心混凝土约束作用机理。 4、基于叠加原理和极限平衡理论,推导了钢骨-钢管高性能混凝土轴压短柱截面承载力计算公式;通过考察影响轴压短柱承载力的各因素,在钢管混凝土柱的基础上首次引入加劲系数ζ作为钢骨对钢管混凝土的贡献参数,并依据有关试验结果,得到了基于回归分析的钢骨-钢管高性能混凝土轴压短柱极限承载力近似计算公式;最后,对轴压短柱各极限承载力计算公式的计算结果进行了比较分析。 5、根据稳定理论和切线模量理论推导了钢骨-钢管高性能混凝土轴压长柱的弹性和弹塑性稳定承载力,并得到了该组合柱发生弹性和弹塑性失稳的界限长细比表达式;结合钢骨-钢管高性能混凝土轴压柱核心混凝土的受力特征,考虑钢骨翼缘对核心混凝土约束效应的贡献,提出了基于Saenz模型的核心混凝土等效单轴受压应力-应变关系模型,采用所提出的模型对钢骨-钢管高性能混凝土轴压长柱的荷载-变形关系进行了非线性全过程分析,计算曲线与试验曲线吻合良好,在此基础上对轴压长柱稳定系数的影响因素进行了参数分析;提出了钢骨-钢管高性能混凝土轴压长柱承载力的实用计算公式;最后,对本文及其他学者所提出的钢骨-钢管高性能混凝土轴压长柱承载力计算方法进行了比较分析。 6、通过数学分析方法,得到了本文及其他学者所建立的钢骨-钢管高性能混凝土轴压柱承载力计算公式的统计参数表达式,采用JC法对钢骨-钢管高性能混凝土轴压短柱和长柱的承载力进行了可靠度分析,研究了可变荷载组合类型、荷载效应比、混凝土强度等级、钢管壁厚、钢骨截面面积、钢材屈服强度及长细比对组合柱承载力可靠指标的影响。
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