钢管自应力免振混凝土结构力学性能研究

论文摘要

钢管自应力免振混凝土结构是近年出现的一种钢—混组合形式,它是用自应力膨胀混凝土替代了普通混凝土而形成的一种新的钢管混凝土结构。这种组合结构与普通钢管混凝土相比具有新的特点:采用具有较高工作性能的免振混凝土解决了普通混凝土难以保证施工质量的问题;外包薄壁钢管有效约束了膨胀混凝土的膨胀变形,有效解决普通混凝土收缩等引起的钢—混组合界面的粘结问题,从而保证两者协调工作,并且使得混凝土的内部结构更加密实;钢管充分利用了膨胀混凝土的膨胀能,能够产生较大的化学预应力,为核心混凝土提供较高的侧向预应力。钢管自应力免振混凝土结构充分地挖掘了钢管混凝土结构的承载潜能,可以说是钢管普通混凝土结构的发展和完善。本文的论文工作是以国家自然科学基金《钢管自应力免振混凝土结构设计理论研究》为背景展开的,主要的工作有以下几个方面:(1)本文所采用的自应力混凝土由硫铝酸盐自应力水泥配制的。通过大量的试验来研究混凝土配合比、钢管尺寸、外部限制形式等对自应力混凝土膨胀性能的影响,重点研究钢管限制条件下,自应力混凝土的膨胀性能。在试验研究的基础上,拟合出自应力混凝土的有效膨胀变形表达式,建立了钢管限制膨胀混凝土的有限元模型,编制了考虑徐变、膨胀等因素的三维有限元程序,对钢管限制条件下自应力混凝土的膨胀过程进行分析,试验结果和计算结果基本相符合。(2)在本课题组已有试验资料的基础上,补做了12根套箍系数较大的钢管自应力免振混凝土轴压短柱试件。对本课题组共进行的37根轴压短柱的试验结果分析,采用分解分析的方法,回归出钢管自应力免振混凝土轴压结构核心混凝土的等效单轴本构关系,与传统的弹性、塑性、断裂、损伤等力学模型相比具有简单实用的特点,便于进行工程计算。(3)采用混凝土的边界面模型,编制了三维有限元程序,对钢管自应力混凝土轴压短柱和偏压柱的受力全过程进行了计算,并与试验结果进行对比分析。计算结果表明,由于自应力的影响,钢管自应力混凝土柱的力学性能要比普通钢管混凝土柱优越,承载力在一定的范围内随着自应力的增大而增加;自应力对偏心受压柱的影响随着偏心距的增加而减弱。(4)如前文所述,钢管自应力混凝土的主要特点之一就是钢—混组合界面存在着初应力。本文通过23根钢管自应力混凝土构件的界面推出试验,证明自应力的存在对提高钢管自应力混凝土结构钢—混组合界面的粘结强度有积极的意义,本文研究分析了钢—混组合界面的粘结能力及其影响因素,并根据试验结果给出了钢管自应力混凝土结构组合界面粘结强度的计算方法。(5)对12根钢管自应力混凝土试件和3根普通混凝土试件进行了抗弯性能研究,结果表明:在自应力的影响下,钢管自应力混凝土的抗弯承载力提高;自应力对钢管混凝土的初始抗弯刚度无明显影响。在试验的基础上,编写了三维有限元程序,对钢管自应力混凝土构件的抗弯性能进行分析并和试验结果进行对比。(6)进行了40根钢管自应力混凝土试件的简支梁试验,研究钢管自应力混凝土构件的抗剪性能。试验发现钢管混凝土构件在横向剪力的作用下,主要的破坏形态有两种:当剪跨比大于0.5的时候,构件呈现出弯曲破坏的特征;当剪跨比小于0.5的时候,构件呈现出剪切破坏的特征;自应力和剪跨比对钢管混凝土在横向剪力作用的变形及承载力有重要影响的影响。和普通的钢筋混凝土构件一样,随着剪跨比的增大,构件的抗剪承载力下降。由于自应力的存在,钢管混凝土构件的抗剪承载力有一定程度的提高。自应力对抗剪承载力的贡献与剪跨比的大小有关,剪跨比较小的构件,自应力的影响更为明显;本文根据试验结果,回归出计算钢管自应力混凝土构件抗剪承载力的经验公式。(7)对钢管自应力混凝土构件长期载荷作用下的变形性能进行了试验研究。采用ACI的徐变模型和三维徐变理论,建立了钢管自应力混凝土轴心受压柱的长期载荷作用下的计算分析模型。修改了钢管自应力混凝土核心混凝土等效应力—应变关系,对徐变后的钢管自应力混凝土的轴压承载力进行了分析计算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钢管混凝土结构的研究文献综述
• 1.2.1 钢管混凝土的发展历史
• 1.2.2 钢管混凝土短期力学性能及计算方法
• 1.2.3 钢管混凝土的徐变及其计算
• 1.3 自密实混凝土研究综述
• 1.3.1 自密实混凝土的发展
• 1.3.2 自密实混凝土的特点
• 1.3.3 自密实混凝土的工作度及其评价方法
• 1.3.4 自密实混凝土的原材料及其配合比
• 1.4 自应力混凝土
• 1.4.1 自应力混凝土的发展及应用
• 1.4.2 自应力混凝土的配合比设计
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 自应力免振混凝土膨胀性能研究
• 2.1 前言
• 2.2 自应力免振混凝土的原材料及配合比设计
• 2.3 试件的制作及变形测量
• 2.4 试验结果分析
• 2.4.1 自应力混凝土自由膨胀和单向限制条件下变形
• 2.4.2 自应力混凝土钢管限制条件下的变形
• 2.5 自应力混凝土钢管限制膨胀变形过程的有限元分析
• 2.5.1 自应力的计算及自应力混凝土的膨胀机理分析
• 2.5.2 自应力混凝土钢管限制条件下的有限元理论模式
• 2.5.3 有限元模型的建立
• 2.5.4 计算结果
• 2.6 本章小结
• 3 钢管自应力混凝土轴压短柱性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 试验简述
• 3.3 钢管自应力混凝土中核心混凝土的单轴本构关系
• 3.3.1 分析方法
• 3.3.2 核心混凝土的强度准则和峰值应变
• 3.3.3 核心混凝土的变形关系
• 3.4 钢管自应力混凝土结构的三维有限元分析
• 3.4.1 核心混凝土的本构关系
• 3.4.2 钢材的本构关系
• 3.4.3 有限元模型的建立
• 3.4.4 计算结果
• 3.4.5 自应力的影响
• 3.5 钢管自应力混凝土轴压短柱承载力计算
• 3.6 本章小结
• 4 钢管自应力混凝土偏心受压短柱性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.2.1 材料的本构关系
• 4.2.2 基本假设
• 4.2.3 计算方法
• 4.3 计算结果
• 4.3.1 载荷—挠度曲线
• 4.3.2 参数分析
• 4.4 钢管自应力混凝土偏心受压柱承载力计算方法
• 4.5 本章小结
• 5 钢管自应力混凝土结构钢-混界面粘结性能
• 5.1 前言
• 5.2 试验简介
• 5.3 试验结果
• 5.3.1 粘结破坏的发展过程
• 5.3.2 参数变化对载荷滑移曲线的影响
• 5.3.3 钢管外表面的应变沿长度的分布规律
• 5.3.4 粘结强度分析
• 5.4 粘结强度的计算方法
• 5.5 讨论
• 5.6 本章小结
• 6 钢管自应力混凝土抗弯性能
• 6.1 前言
• 6.2 试验研究
• 6.2.1 试件的制作
• 6.2.2 加载装置及量测方法
• 6.3 试验验结果
• 6.3.1 试验现象及破坏过程
• 6.3.2 荷载—挠度关系曲线
• 6.3.3 参数分析
• 6.3.4 应变分布
• 6.3.5 弯矩—曲率关系曲线
• 6.3.6 试件的实测承载力
• 6.4 钢管自应力混凝土结构抗弯承载力计算方法
• 6.4.1 极限弯矩
• 6.4.2 抗弯刚度
• 6.5 有限元分析
• 6.5.1 计算方法
• 6.5.2 计算结果
• 6.6 本章小结
• 7 钢管自应力混凝土抗剪性能
• 7.1 前言
• 7.2 试验概况
• 7.2.1 试验材料
• 7.2.2 试件的设计及制作
• 7.2.3 试验加载装置及加载制度
• 7.3 试验结果
• 7.3.1 试件的破坏形态
• 7.3.2 载荷-位移曲线
• 7.3.3 自应力对钢管自应力混凝土抗剪承载力的影响
• 7.3.4 钢管自应力混凝土的抗剪承载力计算方法
• 7.4 本章小结
• 8 钢管自应力混凝土轴向载荷作用下的徐变性能
• 8.1 前言
• 8.2 试验简介
• 8.3 徐变变形计算
• 8.3.1 核心混凝土的初应力
• 8.3.2 徐变系数及计算方法
• 8.3.3 参数分析
• 8.4 徐变对钢管自应力混凝土轴压构件力学性能的影响
• 8.4.1 计算方法
• 8.4.2 计算结果
• 8.5 考虑徐变的钢管自应力混凝土柱承载力计算
• 8.6 小结
• 9 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢