钢管混凝土异形柱扭转性能研究

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钢管混凝土异形柱结构顺应了现代居住环境对建筑结构的要求,能够避免柱楞突出,提高室内空间利用效率,同时也是一种新型装配化结构。当前钢管混凝土异形柱的研究成果丰富,但对其抗扭承载力的设计方法尚无研究与标准条文。钢管混凝土异形柱由于截面具有单轴对称性,扭转中心和质量中心往往不重合,水平荷载作用下易发生扭转变形。钢管混凝土异形柱做为框架角柱在结构中由于受到压弯剪扭复杂受力因而更易发生破坏。为改善其抗震性能,扩大其在高烈度地区的应用范围,本文对钢管混凝土异形柱扭转性能进行拟静力试验和有限元参数分析,依据结果提出了钢管混凝土异形柱的抗扭设计方法。主要工作与研究成果如下:(1)对5根T形钢管混凝土柱和4根L形钢管混凝土柱进行了纯扭工况下的拟静力试验研究,主要考察了截面形状、加劲形式、柱肢宽厚比、钢管厚度等参数的影响,分析试件的传力机理与破坏模式。通过试验的扭矩-扭转角滞回曲线提取其承载力骨架曲线,研究其刚度、承载力、延性、耗能等力学指标,并通过应变片数据分析钢管的应力分布,揭示其剪应力发展情况。试验表明,钢管混凝土异形柱在纯扭工况下的滞回曲线饱满,变形与耗能能力强,加劲形式对扭转性能的影响较大。(2)对4根T形钢管混凝土柱和5根L形钢管混凝土柱进行了压-扭工况下的拟静力试验研究,主要考察了截面形状、加劲形式、加劲位置、轴压比等参数的影响。通过试验的破坏现象分析得到扭转破坏模式,并对试验得到的刚度、承载力、延性、耗能等指标进行分析,探究钢管混凝土异形柱在压-扭荷载下的力学性能。探究发现当轴压比在一定范围时,轴压力会提高钢管混凝土异形柱的抗扭承载力。(3)通过ABAQUS有限元分析软件建立精细化钢管混凝土异形柱有限元模型,利用试验数据验证其准确性。结合有限元模型的应力和应变云图分析钢管、混凝土、对拉钢筋等各部分的应力和应变分布规律,研究其力学机理。并在此基础上对轴压比、柱肢宽厚比、钢管厚度以及钢材屈服强度四个参数进行了拓展分析,为钢管混凝土异形柱抗扭设计方法提供了数值依据。(4)参考试验和有限元分析结果,提出钢管混凝土异形柱力学计算模型:采用叠加法计算钢管混凝土异形柱的初始抗扭刚度,基于扭率一致原则得到抗扭承载力计算公式;对有限元的参数分析进行归一化得到T/Tu-N/Nu承载力相关关系曲线,并通过数据拟合提出了便于应用的钢管混凝土异形柱压-扭承载力设计公式。提出的设计方法能实现较准确的预测。
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