椭圆中空夹层钢管混凝土短柱受压性能与承载力计算方法研究

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椭圆中空夹层钢管混凝土柱是一种新型截面形式的组合构件,椭圆形截面在功能性与美学性方面都具备诸多优点,其不仅具有流线型的外观,更融合了圆形截面及方形截面的优点,拥有近似于圆形截面较好约束力的同时,又避免了方形截面角部应力集中的问题;另外,构件长轴与短轴抗侧刚度的不同,可以在满足结构主要受力方向受力要求的同时,节省另一方向的材料用量。中空夹层钢管混凝土结构采用内钢管替换了混凝土形心附近的混凝土,在减轻结构自重的同时,提高了构件的抗弯刚度,保证了构件的承载力。目前国内外对于中空夹层钢管混凝土柱的研究仍然较少,且多数集中于圆形、方形两种截面形式,对于椭圆中空夹层钢管混凝土构件受力系统性研究的缺乏严重制约了其应用及发展。本文对椭圆中空夹层钢管混凝土构件的轴压性能及偏压性能进行了试验研究和有限元分析,为推进该构件在实际工程中的应用奠定了基础。具体工作内容如下:(1)进行了8根椭圆钢管混凝土短柱的轴压试验,其中包括2根椭圆钢管混凝土实心短柱,6根椭圆中空夹层钢管混凝土短柱。试验主要参数为空心率、钢材强度以及混凝土强度。揭示了该新型组合构件的破坏模式与受力机理,研究了椭圆中空夹层钢管混凝土短柱在轴压荷载下的荷载位移曲线、荷载全过程应变响应、延性系数、混凝土贡献率及承重比等关键力学性能指标。结果表明,短柱的主要破坏模式为腰鼓型破坏伴随剪切型破坏;不同参数下短柱的力学性能指标不同且椭圆中空夹层钢管混凝土轴压短柱与相同参数的实心椭圆钢管混凝土轴压短柱相比具有轻质高强的特点,实用性及经济效益更好。(2)对椭圆中空夹层钢管混凝土短柱的轴压力学性能进行有限元分析,建立了与试验相符的轴压构件有限元模型并将其破坏模式、极限承载力、荷载位移曲线与轴压试验结果进行了对比。在确保本章有限元模型准确的基础上,充分考虑工程实际应用、材料参数和几何参数等对椭圆中空夹层钢管混凝土短柱轴压力学性能的影响,进一步研究椭圆中空夹层钢管混凝土轴压短柱在不同参数下的受力状态并对其受力机理进行了分析。(3)进行了8根椭圆中空夹层钢管混凝土短柱的偏压试验,试验研究的主要参数为偏压方向、偏心率、钢材强度以及混凝土强度。揭示了构件的破坏模式与受力机理,研究了椭圆中空夹层钢管混凝土短柱在偏压荷载下的荷载位移曲线、荷载全过程应变响应、延性系数及强度系数等关键力学性能指标。结果表明,短柱的主要破坏模式为偏压侧发生环向鼓曲,偏压相反侧受拉伸长;不同参数下短柱的力学性能指标不同且椭圆中空夹层钢管混凝土偏压短柱与相同参数的轴压短柱相比,承载力较低,但延性系数普遍更高。(4)对椭圆中空夹层钢管混凝土短柱的偏压力学性能进行有限元分析,建立了与试验相符的偏压构件有限元模型并将其破坏模式、极限承载力、荷载位移曲线与第四章的试验结果进行了对比。在确保本章有限元模型准确的基础上,充分考虑工程实际应用、材料参数和几何参数等对椭圆中空夹层钢管混凝土短柱偏压力学性能的影响,进一步研究椭圆中空夹层钢管混凝土偏压短柱在不同参数下的受力状态并对其受力机理进行了分析。(5)基于规范及相关研究结果,提出了计算椭圆中空夹层钢管混凝土短柱的轴压承载力及偏压承载力简化计算公式。将两种公式的计算结果与试验结果和有限元分析结果进行准确性验证,结果表明,本文提出的承载力计算公式对于椭圆中空夹层钢管混凝土短柱的轴压及偏压承载力具有较好的适用性。
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