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带约束拉杆方形和矩形截面钢管混凝土短柱承载力与延性

朱昌宏  
【摘要】: 带约束拉杆异形钢管混凝土柱是一种新型的结构构件。在钢管对核心混凝土约束相对弱处设置了约束拉杆,方形、矩形钢管对核心混凝土的有效约束增加,使到钢管的径向应力集度变化趋于平缓,相应地钢管对核心混凝土的平均侧向约束力增大,使核心混凝土的抗压强度得以较大幅度地提高;拉杆的弹性约束作用相当于对钢管横向弹性支撑作用,从而发生在一般形式方形、矩形钢管混凝土柱钢管局部过早出现屈曲的现象得到抑制和延迟。带约束拉杆异形钢管混凝土柱已经很好地应用于实际工程,但目前对其承载力和延性的研究尚不充分。本文作为带约束拉杆异形钢管混凝土柱力学性能系列研究的一部分,从带约束拉杆方形和矩形钢管混凝土短柱受力全过程的非线性分析程序编制、承载力计算以及延性计算三个方面深入地研究这种新型结构构件的轴压、单向偏压和双向偏压性能,为后续更为系统的研究奠定良好的基础。本文的主要工作和结论如下。 (1)基于带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱内核心混凝土等效单轴受压本构关系,编制出可合理模拟带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱在轴压、单向偏压、双向偏压下受力全过程截面非线性分析计算程序,程序的计算结果和试验结果的比较表明,两者吻合良好 (2)通过对不同参数的轴压承载力数值计算结果的回归分析,分别提出了适合带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土构件轴压承载力计算的简化公式。 (3)通过大量的参数分析,探究了轴压比、钢管壁厚、钢管强度、混凝土强度、约束拉杆间距、约束拉杆直径、截面尺寸等各种参数对带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱截面单向偏压承载力的影响规律。轴压比较低时,单向偏压承载力随轴压比的增大而增加;轴压比较高时,单向偏压承载力随轴压比的增大而减少。随着钢管强度的提高、钢管壁厚的增大、混凝土强度的提高、约束拉杆间距的减少、约束拉杆直径的增大,带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱单向偏压承载力也随之增大;混凝土强度的提高和约束拉杆直径的增大的影响效果不如其他因素明显。通过对数值计算结果的回归分析,分别提出了适合带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土构件单向偏压承载力计算的简化公式。 (4)荷载角对带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱承载力有较大影响;对于方形截面短柱,在荷载角α= 0(或90°),截面的抗弯承载力最高;在荷载角α= 45°处,截面的抗弯承载力最低;从荷载角为0逆时针到45°,承载力也随之从最大值减小至最小值。对于矩形截面短柱,在荷载角α= 0,截面的抗弯承载力最高;在荷载角α=60°处,截面的抗弯承载力最低;从荷载角为0逆时针到60°,承载力也随之从最大值减小至最小值,而后截面承载力又逐渐增加,直至90°处,达到另一个大值。不同荷载角α下各参数对带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱的n- M曲线和M ?φ曲线的影响规律基本相同,不同参数下的M_x / M_x' -M_y /M_y'相关曲线均为以x、y轴为对称轴的封闭曲线,通过对数值计算结果的回归分析,分别提出了适合带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土构件双向偏压承载力计算的简化公式。 (5)通过大量的参数分析,探究了轴压比、钢管壁厚、钢管强度、混凝土强度、约束拉杆间距、约束拉杆直径、截面尺寸等各种参数对带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱截面单向偏压曲率延性系数的影响规律。随着轴压比的降低、钢管强度的提高、钢管壁厚的增大、约束拉杆间距的减少、约束拉杆直径的增大,带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱单向偏压曲率延性系数也随之增大;约束拉杆直径的增大的影响效果不如其他因素明显;混凝土强度的提高反而降低曲率延性系数。通过对数值计算结果的回归分析,分别提出了适合带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土构件单向偏压曲率延性系数计算的简化公式。 (6)荷载角对带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱截面的曲率延性系数影响非常显著;在荷载角α= 0°(或90°),截面的曲率延性系数最小;在荷载角α= 45°附近处,截面的曲率延性系数最大;从荷载角为0°逆时针到45°,曲率延性系数也随之从最小值增加至最大值。通过对数值计算结果的回归分析,分别提出了适合带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土构件双向偏压曲率延性系数计算的简化公式。


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