配筋方钢管混凝土柱受力机理及设计方法研究

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为了改善超高层建筑底部的大截面钢管混凝土柱的抗火性能和核心混凝土收缩徐变等问题,工程师们开始尝试在钢管混凝土柱内部配置钢筋。但是,国家最新标准《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936)的承载力计算公式没有考虑钢筋的影响,未对钢筋笼的配置给出设计建议。其中,配筋方钢管混凝土柱受力机理、承载能力和抗震性能等关键问题的研究还没有形成体系。基于此,本文采用试验、有限元和理论分析方法对配筋方钢管混凝土柱的轴压、抗弯、偏压静力性能和抗震性能进行了深入系统地研究,取得的主要研究成果如下:(1)完成了 36个配筋方钢管混凝土柱的轴压试验。通过在试验中观测的破坏过程、破坏模式和钢材的应变发展情况、分布规律,初步探讨了配筋方钢管混凝土柱的轴压受力机理。通过获取的轴压荷载-位移曲线,初步分析了设计参数对配筋方钢管混凝土柱的轴压性能的影响规律。建立了表观破坏演变过程与宏观力学曲线精确匹配的全过程分析方法。为建立精细化有限元模型和提出承载力公式提供试验数据支撑和验证依据。(2)完成了 10个配筋方钢管混凝土柱的抗震性能试验。观测了试件的表观破坏过程和最终破坏模式,获取了螺旋筋、纵筋和方钢管的局部应变数据和水平力-位移滞回曲线。初步探讨了螺旋筋、纵筋对方钢管混凝土的破坏模式、强度退化、刚度退化和耗能能力等抗震性能指标的影响规律。为理论分析提供数据支撑。(3)揭示了配筋方钢管混凝土柱在轴压、抗弯和压弯受力状态下的受力机理。建立了精细化有限元模型,并通过试验数据验证了有限元模型的适用性。结合试验结果和有限元分析结果,从局部变形、应力状态的微观力学角度深入分析了方钢管混凝土的破坏过程和最终破坏模式。建立了螺旋筋约束力的可视化方法,重点揭示了螺旋筋和纵筋对方钢管混凝土破坏模式和内力发展的影响规律。为第六章提出受力分析模型提供依据。(4)采用有限元模型对配筋方钢管混凝土柱的轴压、抗弯和偏压静力性能和抗震性能进行了大规模的扩展分析,共计完成了 557个算例。系统地分析了每个设计参数对所有力学指标的影响规律,确定了关键设计参数的合理取值范围,特别是螺旋筋和纵筋的配置参数。为第六章提出设计建议提供依据。(5)建立了配筋方钢管混凝土柱的设计方法。根据试件在轴压受力状态下破坏形态和混凝土纵向应力梯度,建立了方钢管和螺旋筋对混凝土的复合约束模型,并基于复合约束模型提出了配筋方钢管混凝土的轴压承载力计算公式。基于全截面塑性假设,建立了配筋方钢管混凝土抗弯承载力计算公式,该承载力计算公式考虑方钢管、混凝土受压和纵筋的贡献,未考虑螺旋筋的影响。引入了《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)中的压弯相关公式,并对其中的轴压承载力和抗弯承载力公式进行修正,使其适用于配筋方钢管混凝土构件。采用本文的试验数据、本文的有限元模拟数据以及其他学者的试验数据对本文提出的承载力计算公式进行了验证,同时将验证结果与相关规范计算公式的结果作了对比分析,结果表明,本文提出的承载力计算公式具有更好的计算精度和更小的离散性,而相关规范的计算公式由于没有考虑钢筋的影响而偏保守。提出了配筋方钢管混凝土的施工工艺,确定了螺旋筋和纵筋的配置参数,建议了超大截面方钢管混凝土柱在不同尺寸情况下的内部构造措施。本文研究成果可为配筋方钢管混凝土的工程应用和相关规范的修订提供参考。
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