钢管混凝土柱非均匀约束效应研究

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钢管混凝土柱具有承载力高、延性好、施工方便等特点,能够充分利用钢材的材料性能,在高层和超高层建筑中具有广阔的应用前景。与钢管混凝土轴压构件相比,偏压构件较复杂,其钢管对核心混凝土的约束作用与轴压下钢管对核心混凝土的约束作用并不相同。在偏压荷载作用下,弯矩导致构件截面纵向应变沿高度方向线性变化,部分截面甚至处于受拉状态,约束作用沿环向呈不均匀分布,此时受压区任意截面高度处钢管对核心混凝土的环向约束作用低于轴压状态下相应纵向应变对应的约束作用。目前尚未有学者揭示非均匀约束作用的机理和规律。本文采用纤维模型法和有限元对钢管混凝土偏压柱的非均匀约束效应开展了较为系统的研究,主要研究内容包括:(1)分别采用纤维模型法和有限元对钢管混凝土偏压柱进行模拟。在有限元模拟时,通过系统的分析,确定合理的本构关系、单元类型、网格划分、接触面定义和初始缺陷,通过文献试验数据验证了纤维模型法程序和有限元模型的可靠性。(2)进行系统参数分析,研究长细比、核心混凝土强度、钢材强度、含钢率和偏心率对钢管混凝土偏压柱中非均匀约束效应的影响。基于有限元分析结果,评价非均匀约束效应在不同参数范围下对试件性能的影响。研究表明,混凝土强度、含钢率、偏心率、钢材强度与长细比均为影响非均匀约束效应的关键参数。当含钢率与钢材强度较高(含钢率≥16%且钢材强度等级≥Q355)而混凝土较低(混凝土强度等级低于C50)时,约束效应的非均匀性引起的峰值荷载与延性差异较为明显。此差异在偏心率为0.6时达到峰值,分别为19%与24%。以上结果在设计时均应予以注意。当构件长细比较大时(长细比≥48),非均匀约束效应影响较小(小于5%),此时构件二阶效应影响显著,在设计时可不考虑非均匀约束的影响。(3)对已有的偏压试验装置进行梳理,总结各种装置的特点和使用时应该注意的问题,提出了对圆钢管混凝土偏压短柱试验装置的建议。
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