钢板混凝土单元平面内力与弯扭协同作用研究

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钢板混凝土组合(以下简称SC)结构凭借其良好的抗侧力性能与抗震性能被广泛应用于近海工程、核电工程和超高层建筑。SC结构主要由两侧钢板和内浇混凝土组合而成,二者通过栓钉、加劲肋等形成紧密连接,两侧钢板通过对穿型钢或对穿钢筋等连接形成整体。目前针对SC结构平面内力学性能的理论分析与试验研究日趋成熟,但对SC结构同时承受平面内力与平面外弯扭等荷载耦合作用下的承载力研究相对薄弱。为了对受平面外力SC单元进行计算,本文引入了薄板小挠度理论,以钢板的屈服作为SC单元屈服破坏标志,对承受不同组合荷载SC单元进行计算,得出Nx-Ny、Nx-Mx、Ny-Mx、Mx-My相互作用曲线以及Nx-Ny-Vxy、Nx-Ny-Txy、Nx-Ny-Mx、Nx-Mx-My相互作用曲面,并对 Tresca 屈服及von Mises屈服控制的SC单元的承载力进行对比。对于承受平面外弯矩及扭矩的SC单元,本文借鉴ANSI/AISC N690s1-15规范并提出新的等效转换方法。对于平面外弯矩,等效转换原则为:将单元沿厚度中面均分为两个半单元,将弯矩通过力臂系数转化为半单元平面内轴力,受平面内力作用的半单元与原单元该侧钢板应有一致的应变。通过60万个算例(平面内轴力及平面外弯矩不同比例的组合作用)计算分析后,本文提出偏于安全的简化弯矩力臂系数公式,该公式考虑了配钢率、钢板和混凝土材料属性的影响;对于扭矩,本文提出一种简化的等效转换原则:扭矩仅转化为半单元平面内剪力,致使单元屈服的扭矩转为剪力后应使半单元屈服。经36万个算例验证,提出的简化扭矩力臂系数公式偏于安全。本文从单元层次着手对受平面内力与平面外弯矩及扭矩叠加作用的SC结构的承载力进行研究,研究充分考虑单元双向受力的特点与材料的泊松效应,提出针对单元同时受平面内力与弯扭作用的简单设计方法,为复杂组合荷载作用下SC结构的设计分析提供参考。
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