钢管混凝土结构以其优良承载力、塑性和韧性、方便的施工操作以及较高的经济效益等优势成为工程实践中一种重要的工程结构。普通的钢管混凝土结构可以较好的发挥钢管和混凝土两种材料的优势,但钢管的约束作用一般要到核心混凝土受压、横向变形明显、发生竖向开裂时方能发挥。核心混凝土初始预压应力的存在可使钢管更早地参与横向约束,使得核心混凝土全过程均处于三向受压状态,可推迟其开裂,有效延长混凝土的弹性状态,因此核心混凝土预压应力的施加方法及预应力结构的性能也越来越受到重视。本文通过试验和理论分析,提出了几种对核心混凝土施加预压应力的方法,主要研究在核心混凝土内掺加铝粉,利用铝粉发泡产生体积膨胀来实现预压应力的施加,在混凝土初凝之前就产生预压应力并永久保留,从而改善钢管混凝土结构的力学性能。本文主要研究内容如下:(1)设计了一种核心混凝土施加预压应力的方式--螺丝旋进法。通过钢管表面开设螺纹孔,将螺丝旋进钢管内,挤压内部尚未初凝的混凝土实现预应力施加;用水代替混凝土灌入钢管内,进行螺丝加压预应力构件的可行性试验研究,通过试验结果与理论分析的对比,验证了螺丝加压预应力钢管混凝土整套装置的可行性和可靠性,但此种预应力施加方式对装置的密封性具有较高的要求。(2)探究了铝粉加气混凝土的工艺过程,并对加气混凝土材料性能进行试验研究,包括强度、膨胀率等参数,通过试验分析提出了合适的水灰比与铝粉掺量。在满足膨胀率与材料强度的条件下,采用2%的铝粉掺量(占水泥的用量)能保证混凝土有20%的膨胀率且强度下降控制在24%以内。(3)开展了4根铝粉加气钢管混凝土短柱的自应力试验。自应力值在铝粉反应的前40min内呈现增长,混凝土初凝完成后预应力即施加完毕,自应力值最大可达4.23MPa;进一步研究了自应力钢管混凝土的预应力损失变化情况,结果表明:正常养护条件下,施加的预应力值可靠稳定,预应力长期损失控制在8%以内,验证了整套装置及工艺流程的可行性。(4)开展了4根铝粉加气自应力钢管混凝土和2根普通钢管混凝土柱的轴心受压对比试验,研究了不同预应力水平下钢管混凝土短柱力学性能。结果表明:初始预应力的存在可改善钢管混凝土轴压性能,与普通钢管混凝土柱相比,预应力试件弹性阶段的最大荷载最高可达极限承载力的88%,极限承载力提升15%左右。(5)对比了几种预应力施加工艺的优劣性,得出了不同的预应力施加方式的适用性。螺丝旋进法与铝粉加气产生的混凝土体积膨胀,两种施加预应力方式产生的预应力损失小,外接高压泵施加方法可与现代施工工艺相结合,可操作性强。(6)使用数值模拟软件建立了预应力钢管混凝土柱的轴压试验模型,模拟了施加预应力及试件轴压的全过程,软件分析结果与试验结果吻合良好,较为深入的揭示了预应力混凝土轴压工作机理。