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钢管混凝土的优势主要在于钢管对核心混凝土的约束作用,然而,矩形钢管混凝土的钢管对核心混凝土的约束作用不如圆钢管混凝土显著,其承载力和延性的改善不如圆钢管混凝土明显,但矩形钢管混凝土也有独特的优点,在工程中也广泛采用。为了改善矩形钢管混凝土的钢管对核心混凝土的约束作用,近年来不断出现一些改进矩形钢管混凝土受力性能的构造措施,设置约束拉杆就是其中之一。本文研究了带约束拉杆矩形钢管混凝土轴压受力性能,主要研究内容、方法和结论如下:
1.进行了9个带约束拉杆矩形钢管混凝土试件的轴压试验,试验现象表明:所有试件在达到极限承载力之前,钢板均未发生明显鼓起;直到达到极限承载力并进入下降段后,钢板在试件外表面两对边上的某一两约束拉杆之间区域鼓起,两对边鼓起区域不完全对称,鼓起变形的程度不同,同时内部混凝土被压碎,试件破坏。部分试件破坏时,钢板连接处焊缝爆裂,且破坏程度不同,钢板鼓起区域边缘的拉杆被拉断,且均在拉杆中部或端部被拉断,而未发生拉杆与螺栓连接破坏。拉杆能延缓试件钢板的局部屈曲,改变试件轴压破坏形态,从而改善试件轴压受力性能。
2.分析了这9个试件的钢板表面应变、约束拉杆应变、试件轴压荷载—变形关系,分析结果表明:截面对称部位的应变具有相似的变化规律。当接近极限承载力和进入下降段时,鼓起区域的钢板中心横向应变显著增加,表明钢板对核心混凝土产生了显著的约束作用;而鼓起区域的钢板中心纵向应变增加速度变缓,并开始减小,最终转负为正。钢板鼓起区域附近的拉杆应变发展较其它区域显著,表明拉杆对钢板鼓起区域的核心混凝土约束作用最明显,能有效发挥作用。具有较高的拉杆配筋率的试件的轴压承载力较高;拉杆不等间距布置的试件轴压承载力略大于拉杆等间距布置的试件。
3.分别采用VonMises、MohrCoulomb、DruckerPrager、SmearedCracking和DamagedPlasticity这五种材料模型,对本文的9个试件轴压受力性能进行有限元模拟,对比了采用这五种模型的计算结果以及试验结果,DamagedPlasticity模型较其它四种模型合理,但仍有不足。并采用DamagedPlasticity模型分别对具有不同参数试件的轴压受力性能进行有限元分析,分析结果表明:试件轴压承载力随拉杆数量的增加、直径的增大、拉杆纵向间距的减小而增大,随拉杆水平布置方式的变化而变化得不明显,但拉杆等间距布置并非最合理的布置方式。
4.采用过—王五参数幂函数准则、等效峰值应变准则、以及Popovis混凝土应力—应变表达式,对对这9个试件轴压受力性能进行理论分析;并用类似的方法分析带拉杆方形、L形、T形钢管混凝土试件轴压承载力,理论分析结果与试验结果吻合良好;此外,还分析了考虑焊缝破坏的钢板弹性局部屈曲性能,钢板屈曲应力因焊缝破坏而进一步降低,拉杆能降低焊缝破坏对钢板屈曲应力的影响,还给出了防止钢板发生局部屈曲的拉杆最大纵向间距的计算公式;最后,提出带约束拉杆矩形钢管混凝土构件轴压承载力实用计算公式。