螺旋加劲薄壁方钢管混凝土叠合柱轴压性能及承载力计算

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为了提高钢管混凝土构件的工程适用性,推出薄壁钢管混凝土,其经济优势显著提高。然而,钢管薄壁化导致其局部屈曲问题更为突出。针对这一问题,本文提出一种新型约束—螺旋加劲肋,该肋沿钢管外壁螺旋分布,形成的空间约束体系能限制钢管屈曲和横向变形。本文基于螺旋肋约束钢管混凝土轴压试验,开展了有限元参数分析及叠合构件轴压承载力理论研究,得到以下结论:(1)普通薄壁方钢管混凝土柱的轴压破坏模式:核心混凝土压碎,钢管外鼓屈曲,螺旋肋约束钢管混凝土轴压柱的破坏模式:外混凝土沿螺旋肋延伸开裂,螺旋肋之间的钢管局部屈曲,屈曲程度较普通构件明显改善。(2)螺旋肋约束叠合柱轴压性能,受其外混凝土工作状态影响较大。单一螺旋肋和螺旋肋-竖板(焊接)约束形式限制混凝土开裂效果差,从而削弱构件刚度和承载力;螺旋肋-钢筋构成的空间约束体系,可延缓薄壁钢管屈曲,限制整体横向变形,保证构件各部位协同工作,相较普通构件,其承载力和延性分别提升18%,8%。(3)螺旋肋-钢筋约束构件的轴压性能最优越,其受力机理为:混凝土与钢管被加劲肋划分为若干螺旋带状结构,叠合柱所受轴向荷载被螺旋肋所呈角度转化为螺旋肋切向的剪力和法向的压力,在压-剪作用下,混凝土斜向开裂,钢管轻微屈曲。(4)通过有限元参数分析得出:该叠合构件受螺距影响较大,减小螺距,钢管受螺旋肋约束效应增强,受力行为趋向于环向加劲肋,螺距越大,对构件竖向刚度贡献越高,其受力行为朝竖向加劲肋发展。改变螺旋肋宽厚比和钢筋直径对构件性能影响较小。提出设计建议:螺旋肋宽厚比取11~15,钢管宽厚比取165~220,螺距取1~1.2柱高,钢筋直径取1/10钢筋间距(间距不大于1/3管径)。(5)基于能量法,求解螺旋肋-钢筋约束下的钢管屈曲承载力;并根据试验及模拟结果,分别提出考虑外混凝土强度折减系数α,及核心混凝土材料增强系数η的外包混凝土和核心混凝土承载力计算公式。最终利用叠加原理,提出螺旋肋-竖向钢筋约束下的钢管混凝土轴压柱的弹性屈曲承载力计算公式。
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