内钢板中空方形钢管混凝土叠合柱轴压与压弯力学性能研究

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中空钢管混凝土(CFST)叠合柱具有截面开展、自重轻与延性好等优点,可以满足桥梁结构大跨、高耸、重载与承受恶劣环境等需求,已在桥梁主拱与高墩中得到应用。采用内八边形钢板代替内纵筋在浇筑过程中可作为内模板简化施工,并且内钢板可为混凝土提供支撑以提高构件延性。但目前尚无关于内钢板中空方形CFST叠合柱基本力学性能的研究,也无相关规范提供参考。为准确预测内钢板中空方形CFST叠合柱的轴压与压弯承载力,本文对内钢板中空方形CFST叠合短柱开展了轴压试验与有限元研究,对压弯柱进行了机理分析与参数分析,主要研究内容与成果包括:(1)进行了4个内钢板中空方形CFST叠合柱轴压力学性能试验,以及4个中空方形CFST叠合柱对比试验、4个内钢板钢筋混凝土(RC)组合柱对比试验、2个RC柱对比试验。考察了各试件轴压荷载作用下的破坏模态及内钢板与CFST部件对叠合柱延性、刚度与轴压承载力的影响。结果表明:各类型轴压短柱破坏模式基本一致,表现为试件中截面外鼓并伴有混凝土剥落。(2)基于ABAQUS有限元软件,建立了内钢板中空方形CFST叠合柱构件及相关对比构件在轴压状态下的有限元模型。在验证模型可靠性的基础上,对典型构件受力全过程、各部分接触作用等受力机理进行了研究;同时以典型构件为基础对81根内钢板中空方形CFST叠合柱构件展开了参数分析,重点研究了截面尺寸、管内外混凝土强度、钢材强度以及纵筋与钢管用钢量分配对构件轴压承载力、刚度与延性的影响。结果表明:轴压过程中各部件共同工作性能良好;截面尺寸与混凝土强度对构件轴压力学性能影响显著,钢材强度与用钢量分配对构件力学性能影响不明显。(3)建立了内钢板中空方形CFST叠合柱压弯有限元模型。重点分析了典型构件在各类受压工况下的受力特点、受力全过程与各部件内力分配等;研究了CFST部件占比D/B、偏心率e/B以及长细比λ对构件压弯承载力与Nu-Mu相关曲线的影响规律;在此基础上,对比了内钢板中空方形CFST叠合柱与相关对比构件的压弯承载力与Nu-Mu相关曲线。结果表明:本文研究参数范围内,各叠合柱构件在偏心率e/B=0.75时发生界限破坏;构件压弯承载力随着D/B的增大而增大,随着e/B与λ的增大而减小。(4)基于试验研究与参数分析结果,结合国内外相关规范,提出了内钢板中空方形CFST叠合柱的轴压承载力设计方法;通过等效截面法,建议了该类构件不同中和轴位置处的压弯承载力计算公式。结果表明:本文建议的内钢板中空方形CFST叠合柱轴压与压弯承载力计算公式具有较高的精度。
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