不锈钢管-混凝土-钢管中空夹层组合结构抗弯力学性能研究

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不锈钢管-混凝土-钢管中空夹层组合结构是在传统的中空夹层钢管混凝土的基础上发展起来的一种新型组合结构。该类结构不仅继承了传统中空夹层钢管混凝土的承载力高、塑性和韧性高、耐火性能好、截面抗弯刚度大、自重轻等优点,而且由于外钢管材料为不锈钢,因而还具有较好耐腐蚀、耐久性等优点,可以广泛的应用于对抗腐能力要求较高的跨海桥梁结构和海洋平台等结构中。本文采用试验研究和有限元理论分析手段对不锈钢管-混凝土-钢管中空夹层组合结构的抗弯力学性能进行了系统地研究,对其破坏形态、破坏机理进行了研究,并开展了系统的参数分析,根据参数分析的结果,提出了该类结构在纯弯荷载作用下截面抗弯承载力实用计算方法。本文的主要研究内容有:(1)以不锈钢管-混凝土-钢管中空夹层组合结构的剪跨比和空心率为主要变化参数,开展了其抗弯性能的试验研究。利用数据采集系统记录了受力全过程的荷载、位移、应变随时间的变化关系。试验结果表明:不锈钢管-混凝土-钢管中空组合试件在纯弯荷载作用下表现为延性破坏;试件的剪跨比越大,则受弯承载力越小;当空心率不大于0.70时,随试件空心率的增加,其抗弯承载力增大;当空心率大于0.7时,随着试件空心率的增加,其抗弯承载力逐渐减小。(2)利用ABAQUS有限元软件对不锈钢管-混凝土-钢管中空夹层组合结构的抗弯性能进行了有限元的理论分析,有限元计算结果与试验结果很好的吻合,所有试件极限抗弯承载力的试验结果与有限元理论分析结果比值的平均值为0.986,标准差为0.083,即有限元理论分析结果与试验结果偏差较小,且数据离散性不明显。(3)利用验证后的有限元分析模型开展了其试件受弯全过程的外钢管、内钢管、混凝土的应力分布情况的研究,得到了不锈钢管-混凝土-钢管中空夹层组合结构在纯弯荷载作用下的工作机理。(4)以剪跨比、空心率、混凝土强度、名义含钢率和内管径厚比为变化参数,利用正交试验原理设计正交试验,采用有限元分析方法对正交表中的试验进行模拟分析,利用方差分析法对正交试验结果进行处理,得到各因素对不锈钢管-混凝土-钢管中空组合构件抗弯力学性能的影响程度。(5)对影响试件在纯弯荷载作用下极限抗弯承载力的参数进行分析,在参数分析的基础上,提出了不锈钢管-混凝土-钢管中空夹层组合结构在纯弯荷载作用下的截面抗弯承载力实用计算方法。
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