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圆端形钢管混凝土受压力学性能与可靠度研究

王二磊  
【摘要】:目前国内外关于钢管混凝土的研究主要集中在圆形和矩形钢管混凝土,对异形钢管混凝土的研究还较少。异形截而钢管混凝土具有截而形式灵活、节点构造多样及抗震性能好等优点,在工程中已被逐渐应用。武汉后湖大桥采用单索而非对称独塔圆端形钢管塔柱,是一种创新型结构形式。针对圆端形截而钢管混凝土构件,如何计算其承载力,进行结构设计,最基本、最可靠的研究工作是通过模型试验来研究该类构件的力学行为,结合理论分析对比,校正模型,弥补试验数据不足的缺陷,从而为结构设计提供依据。 本文依托武汉后湖大桥工程实际,通过圆端形钢管混凝土轴压试验、偏压试验及有限元分析,系统研究了圆端形钢管混凝土抗压力学性能,进而基于可靠度理论,利用ANSYS可靠度分析模块,对圆端形钢管混凝塔柱可靠度进行了分析。本文进行的主要工作和取得的成果有: 第一,基于工程实际,进行大尺寸圆端形截而钢管混凝土试件轴心受压试验、偏心受压试验,轴压试验表明:轴向荷载作用下,圆端形钢管混凝土试件具有较好的承载能力,但由于角部应力集中,套箍效应引起的试件强度提高有限;套箍力分布不均匀,其在钢管壁的分布与钢管形状有很大关系;由于本试件套箍系数较小,钢管对核心混凝土的约束不大,试件破坏整体表现出脆性破坏的特征。偏压试验分析表明:偏心率是影响试件偏心受压力学性能的主要因素,随着偏心距的增大,承载力不断降低:在偏心距较大的工况下,试件荷载-横向位移曲线弹性工作阶段较短,承载能力降低较多;极限荷载作用下,圆弧与直线段交接处钢管焊缝首先开裂,试件破坏时,钢管受压区边缘已达到屈服,而另一侧尚处于弹性受拉阶段。 第二,在试验的基础上,对圆端形钢管混凝土轴心受压及偏心受压进行了有限元模拟。研究表明:摩擦系数的变化对圆端形钢管混凝土试件的轴心受压承载力影响很小;核心混凝土的强度对钢管混凝土轴压承载力提高影响不大;钢材强度对轴心受压试件弹塑性影响较大;相同含钢率的情况下,钢材的强度越大,圆端形钢管混凝土轴心受压的承载力越高,试件的延性越强。对于圆端形钢管混凝土偏心受压试件,随着长细比的增加,圆端形钢管混凝土的承载力降低,弹性工作阶段缩短,而弹塑性工作阶段延长;随混凝土强度的增大,相对屈曲系数逐渐变小;随着钢材强度增大,试件承载力不断提高,但承载力提高趋势趋缓;随着钢管壁厚增加,试件的承载力越高,延性增强。 第三,基于统一理论,结合试验及有限元模拟,拟合得到适合于圆端形钢管混凝土轴心受压、偏压试件的承载力计算公式,并将公式计算结果与试验结果及有限元分析结果进行对比,吻合良好。 第四,基于可靠度理论及ANSYS可靠度分析模块,对后湖大桥圆端形钢管混凝土塔柱,采用蒙特卡洛法和响应面法进行可靠度分析。研究表明:对于以应力作为输出控制指标的可靠度计算而言,抗拉强度满足要求的结构可靠度为98.69%,抗压强度满足要求的结构可靠度为98.89%。上述分析表明,有限元理论与可靠度理论的有机结合,可应用于复杂结构的可靠性分析。 对于圆端形这种特殊截面钢管混凝土,本文给出了大量首次发表的研究成果,揭示了圆端形钢管混凝土受压力学特性,系统分析了圆端形钢管混凝土塔柱可靠度,其研究结果为圆端形钢管混凝土的进一步研究和工程应用提供了重要的理论依据。


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