薄壁钢管混凝土短柱基本力学性能研究

论文摘要

在传统的钢管混凝土工程中,经常采用的是管壁较厚的钢管混凝土。已有的工程经验表明,在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管,可以减少钢材用量,减轻焊接工作量,达到降低造价的目的。但是薄壁钢管在轴向荷载下容易发生局部屈曲,尤其是截面形状为方形或矩形时。参照钢结构处理局部屈曲的方法,可沿薄壁钢管混凝土管壁纵向设置加劲肋,利用加劲肋的抗弯刚度为板件的面外提供约束变形的支撑点,从而提高板件发生局部屈曲的临界应力。本文主要通过试验和理论分析对设肋和不设肋薄壁矩形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:（1）分别以板件宽厚比、加劲肋的抗弯刚度和焊接方式以及加荷方式为研究对象,进行了10根薄壁方钢管混凝土短柱轴压力学性能的试验研究。以荷载偏心率、截面高宽比、肋的焊接形式为主要变化参数,进行了11根带肋和不带肋薄壁矩形钢管混凝土短柱偏压力学性能的试验研究。考察了薄壁钢管混凝土在轴压和偏压作用下的力学性能,并分析了各参数对试件力学性能的影响。（2）采用有限单元法对轴压、偏压构件的荷载-变形全过程曲线进行了数值计算,计算结果与试验结果吻合较好,说明了本文有限元分析的可靠性。在此基础上,通过分析计算,回归了完全加劲时加劲肋所需要的刚度计算公式,并对带肋、不带肋薄壁钢管混凝土力学性能进行了系统研究。研究表明,加劲肋的设置能够有效改善薄壁钢管混凝土的局部屈曲性能,增强钢管对核心混凝土的约束作用,从而提高构件的轴压承载能力,但对延性的影响很小。（3）采用有限单元法对偏压带肋和不带肋构件受力过程中核心混凝土的应力分布、钢管的破坏模态进行了研究,分析了荷载偏心率、截面套箍系数和加劲肋的设置对力学性能的影响。（4）将本章和已有试验结果与国内外常见的规程计算结果进行了比较,并在参数分析和试验研究的基础上,建议了带肋和不带肋薄壁钢管混凝土短柱在轴压和偏压受力状态下的承载力实用计算方法,其计算结果得到试验结果的验证,可为有关工程实践提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管混凝土的特性及发展概况
• 1.2 薄壁钢管混凝土的研究现状及存在的问题
• 1.2.1 国外的研究现状
• 1.2.2 国内的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容、方法及预期成果
• 参考文献
• 第二章 薄壁钢管混凝土短柱力学性能试验方案
• 2.1 概述
• 2.2 试验规划和设计
• 2.2.1 试验目的
• 2.2.2 试件设计、制作及材料特性
• 2.2.3 测试内容和测点布置
• 2.3 试验装置和加载制度
• 2.3.1 试验装置设计
• 2.3.2 试验加载制度
• 参考文献
• 第三章 薄壁方钢管混凝土短柱轴压力学性能试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 试验现象及结果分析
• 3.2.1 试验现象描述
• 3.2.2 试验结果分析
• 3.3 试件破坏模态分析
• 3.4 薄壁方钢管混凝土短柱轴压力学行为分析
• 3.4.1 加劲肋对轴压承载力的影响
• 3.4.2 截面宽厚比对试件力学性能的影响
• 3.4.3 加载方式对试件承载能力的影响
• 3.4.4 加劲肋对延性系数的影响
• 3.4.5 套箍系数与钢管混凝土延性的关系
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 薄壁方钢管混凝土短柱轴压性能数值分析
• 4.1 引言
• 4.2 采用的ANSYS 单元类型和材料本构关系
• 4.2.1 单元类型
• 4.2.2 材料的本构关系
• 4.3 建模分析方法
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 网格的划分
• 4.3.3 对试验结果的验证性分析
• 4.4 充分加劲的加劲肋刚度
• 4.5 轴压破坏模态及局部屈曲性能分析
• 4.6 加劲肋对轴压力学性能的影响
• 4.6.1 加劲肋对轴压承载力的影响
• 4.6.2 加劲肋对混凝土强度提高程度的影响
• 4.6.3 加劲肋对延性系数的影响
• 4.7 套箍系数与混凝土强度提高程度的关系
• 4.8 本章小结
• 参考文献
• 第五章 轴压承载力计算方法探讨
• 5.1 世界各主要规范（规程）的轴压承载力验算方法
• 5.2 薄壁方钢管混凝土短柱轴压承载力实用计算方法
• 5.2.1 未带肋构件承载力验算方法
• 5.2.2 带肋薄壁钢管混凝土短柱轴压承载力的验算方法
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 薄壁矩形钢管混凝土短柱偏压性能试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验现象及结果
• 6.3 试件破坏模态分析
• 6.4 试验结果分析
• 6.4.1 荷载-变形关系曲线
• 6.4.2 部分试件挠度变形曲线
• 6.4.3 荷载（P）与拉压应变（ε）关系曲线
• 6.5 矩形钢管混凝土偏压试件的延性性能
• 6.6 各试验参数对试件承载力的影响
• 6.6.1 荷载偏心率对构件承载力和变形的影响
• 6.6.2 截面高宽比对构件承载力和变形的影响
• 6.6.3 加劲肋的设置对构件承载力和变形的影响
• 6.7 钢管沿截面高度应变分布情况
• 6.8 本章小结
• 参考文献
• 第七章 薄壁矩形钢管混凝土短柱偏压性能理论分析
• 7.1 薄壁矩形钢管混凝土短柱偏压性能数值分析
• 7.1.1 试件分析模型的建立
• 7.1.2 薄壁钢管混凝土偏压荷载—变形关系计算
• 7.1.3 各研究参数对承载力的影响的有限元分析
• 7.1.4 偏压构件受力特性分析
• 7.1.5 矩形钢管混凝土偏压试件的延性
• 7.2 世界各主要规范（规程）的偏压承载力验算方法
• 7.3 薄壁矩形钢管混凝土短柱偏压承载力实用计算方法
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.1.1 薄壁钢管混凝土短柱的力学性能
• 8.1.2 薄壁钢管混凝土短柱的承载性能
• 8.2 今后研究工作的建议及展望
• 致谢