钢管混凝土（Concrete filled steel tube, 简称CFST）由于优越的力学性能而广泛运用于建筑、桥梁和输电线路等工程。随着结构向高耸、大跨、重载发展以及材料科学和冶金制造工业的进步，高强钢的应用可缩减构件截面尺寸，降低结构自重，获得良好的经济效益，从而在工程中被逐步推广。影响高强钢材料强度发挥的关键问题是钢管局部屈曲。在高强薄壁钢管中内填混凝土形成高强薄壁钢管混凝土，可利用内填混凝土对钢管支撑作用有效减缓或避免钢管局部屈曲，而混凝土由于受到钢管约束作用，承载力和延性性能得到提高，是新型钢管混凝土结构研究热点。目前对于高强薄壁钢管混凝土研究不足，缺少相应的设计方法。本文对高强薄壁钢管混凝土构件力学性能和设计方法展开研究，具体进行以下几方面的研究工作： 1） 基于以往文献试验数据统计分析，以径厚比和混凝土抗压强度为参数，设计了16根 高强薄壁圆钢管混凝土短柱试件，并对其进行轴心受压试验。基于试件破坏过程和失效机理，提出短柱峰值荷载点处计算模型，明确短柱中钢管与混凝土相互作用关键参数为围压，并提出大径厚比下围压计算公式。在此基础上，提出适用于纤维模型法的钢管和核心混凝土单轴本构关系，与试验结果和收集到的215个圆钢管混凝土短柱试验数据对比验证所提模型的正确性。最后基于叠加理论，提出短柱极限承载力计算公式，与已有试验数据对比，验证公式可用于预估高强薄壁圆钢管混凝土短柱承载力。 2） 依据过往试验与有限元分析结果，以长细比为参数，设计了15根高强薄壁圆钢管混 凝土长柱试件，并对其进行轴心受压试验。在试验基础上，建立精细化有限元模型，通过与试验对比验证模型合理性后，分析了径厚比、混凝土强度和长细比等参数对长柱稳定系数的影响。结果表明：影响高强圆钢管混凝土长柱稳定系数的最主要因素为构件的长细比。最后，基于边缘屈服准则和极限分析，提出高强圆钢管混凝土长柱稳定系数实用计算公式。 3） 基于工程实际，以径厚比和剪跨比为参数，设计了15根高强薄壁钢管混凝土梁，并 对其进行三点弯曲试验。在试验研究的基础上，采用有限元方法分析了钢材强度、混凝土强度、钢管直径和壁厚等参数对梁抗弯极限承载力的影响。研究结果表明：在峰值荷载时，高强钢管在受拉区和受压区均已屈服，且受压区混凝土受钢管约束作用，强度得到提高；梁抗弯承载力受径厚比和钢材强度等级影响较大而受混凝土强度等级影响较小。最后，基于高强薄壁钢管混凝土梁失效模式，提出梁弯曲破坏计算模型和极限承载力计算公式，与试验和有限元结果对比验证公式正确性。 4） 依托实际220kV输电线路工程，设计制作了部分灌浆的高强薄壁钢管混凝土输电杆 足尺试件，并对其进行试验研究，验证高强薄壁钢管混凝土在工程应用的可靠性。在试验研究的基础上，建立了高强薄壁钢管混凝土输电杆精细化有限元模型。依据试验和仿真分析结果，分析了高强薄壁钢管混凝土输电杆失效机理，验证了本文提出的高强薄壁钢管混凝土梁抗弯承载力计算公式的正确性，从而为工程应用提供参考。 |
学校主站