圆端形钢管混凝土长柱轴压性能研究

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圆端形钢管混凝土兼顾较好的约束性能与较高的承载性能,近年来被广泛应用于桥梁工程中,国内外学者对圆端形钢管混凝土的轴压、偏压、纯弯、复杂受力下的力学性能等进行了研究与探讨,但目前缺少有关圆端形钢管混凝土长柱力学性能的研究。本文通过试验研究、有限元分析等方法,对圆端形钢管混凝土长柱轴压性能进行了系统深入的研究,具体内容如下:
  ⑴对1根圆端形钢管混凝土短柱和5根圆端形钢管混凝土中长柱试件进行轴压试验,试件考虑了长细比、高宽比和含钢率的变化,分析上述参数对试件的破坏形态、承载能力等力学性能的影响。结果表明:圆端形钢管混凝土短柱发生强度破坏,中长柱试件受力过程经历了弹性阶段、屈服阶段与破坏阶段,发生弹塑性失稳破坏;圆端形钢管混凝土中长柱的承载力与含钢率呈正比、与长细比呈反比,对于高宽比较大的试件,含钢率对承载力的影响更大;分析各个试件的荷载—纵向应变曲线可知,短柱与中长柱试件的界限长细比在10.76~21.53之间。
  ⑵进行了圆端形钢管混凝土长柱轴压性能的有限元分析,研究了试件受力全过程的应力分布、相互作用等力学性能,对长细比、高宽比、钢材强度、混凝土强度、含钢率等进行大量的参数分析,得到短柱、中长柱、长柱的不同破坏模式,探究各个参数对圆端形钢管混凝土中长柱轴压性能的影响,得出以下结论:短柱发生屈曲破坏,中长柱发生弹塑性失稳破坏,长柱发生弹性失稳破坏;钢材强度、含钢率、混凝土强度提高,构件轴压极限承载力增大,混凝土强度对中长柱的影响较大,对长柱的影响较小;当H/B增大时,构件弱轴稳定性和极限承载力有所提高,但对初始刚度影响不大。
  ⑶确定了圆端形钢管混凝土短柱、中长柱、长柱之间的界限长细比公式,提出了圆端形钢管混凝土长柱轴压承载力简化公式,总结了国内外已有钢管混凝土长柱构件承载力计算方法,利用试验数据对比分析各个计算方法的精确性,提出适用于工程实际的圆端形钢管混凝土长柱承载力计算方法。
  ⑷采用有限元分析的方法,从破坏形态、承载能力、相互作用力等方面,对比分析了圆形、矩形、圆端形钢管混凝土长柱构件的轴压性能,并探讨长细比、材料性能、含钢率等参数对构件的影响差异。研究表明:三种构件均发生弯曲变形,矩形构件中部伴有屈曲变形,圆端形和圆形截面构件未发生局部屈曲破坏;圆端形构件的极限承载力介于圆形和矩形之间,与矩形截面较接近;圆端形构件有较好的约束性能与较大的惯性矩,在下降段有较好的延性;含钢率及钢材强度对矩形截面构件的影响最大,对圆形截面构件的影响最小,圆端形截面构件介于两者之间,混凝土对三种截面承载性能的影响不大。
  本文研究了圆端形钢管混凝土长柱的轴压性能,提出了圆端形钢管混凝土短柱、中长柱、长柱的界限长细比公式,揭示了短柱、中长柱、长柱的不同破坏机理,分析了长细比、含钢率等参数对圆端形钢管混凝土长柱轴压性能的影响,提出了适用于工程实际的圆端形钢管混凝土长柱承载力计算方法。研究成果为圆端形钢管混凝土偏压提供了理论基础,完善了圆端形钢管混凝土体系,给圆端形钢管混凝土实际工程应用提供了理论依据。
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