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钢管混凝土组合力学性能及粘结滑移性能研究

康希良  
【摘要】: 钢管混凝土由于具有许多优点,因而在工程中得到越来越多的应用。对钢管混凝土力学性能的研究是目前工程界研究的热点问题之一,但大多数的研究都集中在承载能力的研究和抗震性能的研究方面。目前国内外对于钢管混凝土协同工作和粘结滑移性能及粘结滑移本构关系的研究还很少,有的也不够深入。因此本文在总结国内外对钢管混凝土组合力学性能和粘结滑移性能研究的基础上,研究了钢管混凝土弹性阶段的紧箍力,从弹性理论出发,推导出了钢管混凝土弹性阶段紧箍力的计算公式,得到了紧箍力与钢材的泊松比、混凝土的泊松比、弹性模量比、含钢率及核心混凝土上作用应力之间的关系;对钢管混凝土柱中荷载不同传入方式下,钢管与混凝土的轴向压力分配进行了研究,得到了各自的轴向压力分配系数。得出了剪力传递长度的计算公式及剪力传递范围内的粘结抗剪能力。 基于连续介质力学理论导出了钢管混凝土组合弹性本构关系,这一本构关系为进一步研究钢管混凝土的弹塑性稳定及疲劳等问题提供了理论基础,同时也得到了考虑紧箍作用下钢管混凝土的组合轴压刚度的计算式。由理论计算公式得到的钢管混凝土的组合轴压刚度与统一理论计算的结果相近。 钢管混凝土的组合刚度,要比目前广为采用的没有考虑紧箍作用的换算刚度高,组合轴压弹性模量也要比换算弹性模量高;组合轴压刚度也比换算刚度要高,其差值随含钢率的增加而增大,随混凝土强度的提高而略有降低。 基于弹性力学中能量法和最小势能原理,导出了钢管混凝土柱在轴向压力作用下的紧箍系数、组合轴压弹性模量的理论计算公式。理论计算公式算得的结果与按照统一理论所得的结果相近,也与按弹性理论得到的钢管混凝土受压柱组合弹性模量理论公式所算得的结果相近。 钢管混凝土短柱的推出试验荷载—滑移曲线表现为两种形式,一是曲线出现明显的峰值点和随后的下降段,二是曲线不出现峰值点和下降段,但有明显的拐点。界面最大粘结力随钢管混凝土柱长细比、径厚比、含钢率的变化而变化。节点推出试验中钢管和混凝土之间的粘结强度要比短柱推出试验中的粘结强度高,粘结破坏荷载相应也比短柱的要大。轴压试验中无论是A式加载还是B式加载,对短柱的极限承载力影响不大。 通过对17个钢管混凝土短柱及节点试件的试验,首先得到了9个短柱推出试验试件的荷载—滑移关系曲线,由此可得到推出试验试件的极限粘结荷载及极限粘结强度的大小,通过分析得到了影响粘结强度的因素和粘结强度随这些因素(长细比、径厚比、含钢率、紧箍系数等)的变化规律。也得到了钢管壁上的应变随位置及荷载的变化而变化的规律,经进一步分析得到了粘结强度随位置及荷载变化的规律,也确定出了剪力传递区的长度以及粘结一滑移本构关系。其次得到了4个轴压试验试件的荷载—位移关系曲线,也得到了钢管壁上的应变随位置及荷载的变化而变化的规律,得出了粘结强度随位置及荷载变化的规律,并确定出了剪力传递区的长度以及粘结—滑移本构关系。最后通过对2个节点推出试验试件和2个节点轴压试验试件的试验,得到了荷载—位移关系曲线,同时得到了钢管壁上的应变随位置及荷载的变化而变化的规律,得到了粘结强度随位置及荷载变化的规律,确定出了剪力传递区的长度以及粘结—滑移本构关系。 从理论上分析了钢管应力、钢管与混凝土的粘结应力及相对滑移的相互关系,通过数学分析,推导了钢管应力、钢管与混凝土的粘结应力及相对滑移的解析表达式。得到了粘结应力—滑移相互关系随不同位置的变化规律。 根据9个圆钢管混凝土推出试件的试验结果,通过线性统计回归得到了考虑长细比、径厚比、含钢率、紧箍系数等影响因素的钢管混凝土初始粘结破坏荷载、极限粘结破坏荷载、初始粘结强度、极限粘结强度的计算公式,把由计算公式得到的计算结果与试验结果进行了比较分析和误差分析。 根据实测推出试件中钢管外贴应变片中的应变随位置的变化关系,推导了粘结应力与外钢管表面应变的关系式,分析了粘结应力沿圆钢管混凝土柱高的分布规律,通过对圆钢管应变的量测发现粘结应力沿柱高方向大体上服从指数分布。 通过线性统计回归得到的极限粘结强度计算公式,对圆钢管混凝土钢管先受力构件力学性能的影响进行了初步探讨。通过分析可知,钢管先受力构件的粘结强度大小直接影响到剪应力传递长度的大小;但对钢管混凝土极限承载力没有显著的影响,然而将会使构件在较小的应力下产生过大的变形。 对9个推出试验试件进行了非线性有限元计分析,得到了粘结破坏荷载及相应的滑移值,计算结果都比试验值低,对计算结果和试验值相差的原因进行了分析,但所有试件计算结果和试验结果的比值很有规律性。总体说来,本文采用的有限元分析方法给出了较为准确的计算结果。 在非线性有限元分析的推出模型中,钢管的轴向应力从加载端开始沿轴向逐渐增大,沿轴向的变化规律基本接近直线变化;混凝土的轴向应力从加载端的最大值开始沿轴向逐渐减小,沿轴向的变化规律也基本接近直线变化,钢管和混凝土的轴向应力的变化规律与试验结果的变化规律接近。粘结面中混凝土的粘结应力,当荷载较小时,在试件的加载端一定长度(剪力传递长度)范围内按直线规律变化,然后在较长范围内基本保持常量不变化。


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