（固体力学专业论文）素方钢管砼与配筋方钢管砼梁柱力学性能研究.pdf

沈阳： ：业火学硕士学1 1 i ) ：论文 摘要 大量的结构破坏事实表明，建筑物会否倒塌很大程度上取决于梁、柱的设计，特别 是随着建筑物高度和跨度的不断增加，梁、柱承受的荷载越来越大，这要求粱、柱不但 应具有很高的承载力而且还要有很好的延性，以防止建筑物在大震情况下倒塌，保证生 命财产的安全。本文在对钢筋混凝土梁、柱和钢管混凝土梁、柱研究成果的基础上，尝 试了一种结构设计的新模式，即在方钢管混凝土中配置钢筋，形成配筋方钢管混凝土结 构( 此结构已属于方钢管混凝土结构的一种) 。本文对此进行试验分析和有限元分析， 重点研究素方钢管混凝土( 素混凝土填充方钢管结构) 梁、柱和配筋方钢管混凝土梁、 柱的力学性能和影响因素，完成了以下内容： 通过素方钢管混凝土短柱和配筋方钢管混凝土短柱的轴心受压试验，研究了其工作 过程、承载能力和延性，并讨论了影响结构力学性能的主要因素。 通过素方钢管混凝土梁和配筋方钢管混凝土梁的受弯试验，讨论了其工作过程的特 点，并对素方钢管混凝土结构和配筋方钢管混凝土结构的破坏特点进行比较，同时还对 影响结构受弯力学性能的主要因素进行了分析。 基于核心混凝土应力一应变模型，并依靠有限元理论，对结构进行建模分析。通过 对方钢管混凝土短枉和方钢管混凝土梁的荷载一变形关系曲线的模拟，并与试验结果相 比较，来确定建模是否正确。在正确建模的基础上对多种结构进行模拟分析，以对试验 进行补充。在有限元分析补充数据和试验数据的基础上，利用回归分析提出方钢管混凝 土短柱承载力公式和方钢管混凝土梁受弯承载力公式，同时，依据试验结果和模拟结果 对回归公式与国内外现行设计规范公式进行比较。 关键词：配筋方钢管混凝土，承载力，延性，有限元分祈 沈阳工业火学硕士学位论文 s t u d y o nb e h a v i o r so f s q u a r e c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a rb e a m s a n dc o l u m n sa n d s q u a r e c o n c r e t ew i t hr e i n f o r c ef i l l e ds t e e lt u b u l a r b e a m sa n dc o l u m n s a b s t r a c t t h r o u g hi n v e s t i g a t i n g t h e d a m a g e s c a u s e d b ye a r t h q u a k e s ，p e o p l e h a v er e a l i z e dt h ed e s i g n o fc o l u m n sa n db e a m sp l a yak e yr o l ei np r e v e n t i n gt h ec o l l a p s eo fb u i l d i n gi n s t r o n g e a r t h q u a k e s i np a r t i c u l a r ，、v i 血t h ei n c r e a s eo fh e i g h ta n ds p a no fb u i l d i n g ，c o l u m n sh a v et o b e a rh i g h e ra n dh i g h e ra x i a ll o a da n db e a m sh a v et ob e a rh i g h e ra n dh i g h e rb e n d i n gm o m e n t s ot h eb e a m sa n dc o l u m n sa r er e q u i r e dt oh a v e h i 曲s t r e n g t h a sw e l la sh i g h d u c t i l i t yt op r e v e n t t h ec o l l a p s eo f b u i l d i n gi ns t r o n ge a r t h q u a k e sf o rt h es a f e b a s e do nt h es u m m a r ya b o u tt h e p r e s e n tr e s e a r c ho ns t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m n sa n db e a m s ，an e wm o d e lt h es q u a r e c o n c r e t ew i t ht h er e i n f o r c ef i l l e ds t e e lt u b e s i sp u tf o r w a r d s i nt h en e w m o d e l ，t h er e i n f o r c ei s i n s e r t e di n t oc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e s - - s q u a r ec o n c r e t ew i t l lt h er e i n f o r c ef i l l e ds t e e lt u b e s ( i t i ss u b j e c t e dt ot h ec o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b ew i t h s q u a r es e c t i o n ) b a s e do nt h ee x p e r i m e n ta n d t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n de f f e c tf a c t o r so ft h es q u a r e c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e sa n dt h es q u a r ec o n c r e t ew i t ht h er e i n f o r c ef i l l e ds t e e lt u b e sa r e r e s e a r c h e d t h e m a j o r c o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： b a s e do nt h ee x p e r i m e n t so fs h o r t c o m p o s i t ec o l u m n ss u b j e c t e dt oa x i a lc o m p r e s s i o n ，t h e w o r k i n gf e a t u r e ，l o a d c a r r y i n ga n dd u c t i l i t yo ft h es q u a r ec o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e sa n dt h e s q u a r ec o n c r e t ew i t ht h er e i n f o r c ef i l l e ds t e e lt u b e sa r ea n a l y z e da n dm a j o rf a c t o r so fe f f e c t i n g t h ef e a t u r ea r ec a r r l 。e do u t a c c o r d i n g t ot h ef l e x u r a le x p e r i m e n t so ft h ec o m p o s i t es t r u c t u r e ，t h ew o r k i n g p r o c e s si s d i s c u s s e d ，b r e a k i n gf e a t u r e sa r ec o m p a r e da n dm a j o rf a c t o r st h a te f f e c tt h ef l e x u r a lm e c h a n i c a l a r e a n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h es t r e s s - s t r a i nm o d e la n dt h ef e m ，t h es t r u c t u r a lm o d e li sc r e a t e d t h r o u g h t h es i m u l a t e dl o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v eo ft h ec o m p o s i t es t r u c t u r ea n dt h ee x p e r i m e n t a ll o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e ，i tc a nc o n c l u d ei f t h em o d e li sc o r r e c t b a s e do nt h ec o r r e c tm o d e l ，i tg o e s 2 一 沈刖t 业人学硕十学位论文 t oa n a l y z em o r es t m c t u r e st os u p p l et h e t e s t t h r o u g ht h es u p p l e m e n t a ld a t aa n dt h et e s tr e s u l l f o r m u l a su s e df o rp r e d i c t i n gt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i 可a r ep r e s e n t e d i tc o m p a r e sf o r m u l a s w i mt h ed e s i g ns t a n d a r dw i t l lt h et e s tr e s u l ta n ds i m u l a t e dr e s u l t k e yw o r d s ：s q u a r ec o n c r e t ew i t ht h er e i n f o r c er i f l e ds t e e lt u b e s ( r c f t ) ，u l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t y ，d u c t i l i t y ，f e m 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名：日期： 沈刚l ：业人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 随着现代经济、文化、社会的发展，人类对建筑物的要求也越来越高，这使得建筑 物高度和跨度不断增加，梁、柱所承受的荷载越来越大。同时对于地震灾害的研究也表 明在地震中建筑物破坏和倒塌是造成生命财产损失的主要因素，而建筑物中承载梁、柱 的设计是保证建筑物“大震下倒”的关键，这就要求在高荷载的作用下，粱、柱不但要 有足够的强度且应有较好的延性。 在轴压力要求较高的情况下如果采用普通混凝土柱，那么柱子所需要的截面往往非 常大，这不但占用较多的使用空间，而且会形成剪跨比较小的短柱。试验及大量地震灾 害证明，没有特殊处理的短柱破坏呈明显脆性，变形能力与高轴压比柱相差不多。若 采用高强混凝土柱，虽然可以在一定程度上减小柱子的截面面积增大使用空间，但高强 混凝土有脆性高、延性差的缺点，且其随着强度的提高而越来越严重。为了克服高强混 凝土延性差的弱点，需采用较复杂的箍筋形式来增强对高强混凝土的约束力 2 1 。而近来 的试验表明，用箍筋约束的高强混凝土柱，尽管已经使用很高的配箍率，但在较高的轴 压比下仍不能达到普通混凝土柱所具有的抗震延性吼鉴于混凝土脆性随强度增加而增 大，高轴压比下箍筋的作用有限，目前能够采用的措施是限制c 7 0 、c 8 0 这些等级较高 的高强混凝土在高烈度地震设防区钢筋混凝土柱中的应用，除非这些柱的轴压比相对较 低，或者不用钢筋混凝土柱而改用钢管混凝土组合柱。 由于钢管混凝土梁在受弯情况下并无突出的优点，故此对其研究较少，但随着对工 程高效率的要求，使得其与钢材连接构造简单、方便、快捷的优点越来越得到重视。同 时对钢管混凝土梁受弯的研究还有助于更好的研究钢管混凝土柱在压弯情况下的特点。 1 2 钢管混凝土柱 1 2 1 钢管混凝土柱的特性 钢管混凝土柱是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的钢一混凝土组合结构”】【5 1 ( 图1 1 ) ，钢管混凝土柱可以充分发挥钢管与混凝土两种材料的作用，对混凝土来 讲，钢管使混凝土受到横向约束而处于三向受压状态，从而使管内混凝土有更高的抗压 沈刚【j 业人学硕士学位论文 强度和变形能力。对钢管来言由于钢管壁较薄，在受压状态下容易局部失稳而不能充分 发挥其强度潜能，在填入混凝土后，大大增强t f t l 管壁的稳定性，使其强度潜能得到充 分利用。因此钢管混凝土柱具有强度高、重量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击等优点。由 于钢管能对混凝土提供连续的约束，且钢管具有很大的抗剪和抗扭能力，故可以有效的 克服高强混凝土脆性大、延性差的缺点【目，使高强混凝土的工程应用得以实现，经济效 果得以充分发挥。此外在高大建筑物中使用钢管混凝土柱，还具有以f 设计和施工的优 点： 图1 - 1 钢管混凝土柱 ( 1 ) 由于钢管混凝土柱具有良好的延性，设计时无需限制柱子的轴压比，而只需控 制长细比i 。 ( 2 ) 钢管本身就可以作为施工模板，可以省去支模、拆模工序，并且适用于泵送混 凝土，使浇注混凝土非常方便快捷。 ( 3 ) 钢管在施工阶段可起支撑作用，从而可以简化施工安装工艺，节省部分支架， 并适宜于逆作法施工高层建筑的地下部分，从而大大减少了施工工序和施工用地，缩短 了施工工期。 ( 4 ) 可以解决高层建筑中的“胖柱”问题和钢筋高强混凝土柱的脆性破坏问题，从 而获得良好的综合效益。 工程应用表明，与钢柱相比，组合柱中的混凝土提高t i n 材的屈曲能力，增加了柱 子的刚度和稳定性，提高结构的耐冲击和防腐能力，同时可以大大节省钢材；若替代钢 筋混凝土柱，则在用钢量大体相同的情况下可以减少柱截面面积5 0 左右，相应地节约 大量混凝土。 2 沈阳。：业大学硕士学位论文 当然钢管混凝土柱也有一定的不足之处，其耐火性能不如高强混凝土柱，但是优于 钢柱。 1 2 2 钢管混凝土柱的应用研究现状 在应用方面：建筑工程中应用钢管混凝土结构已有百年的历史了，上个世纪初，美 国就在一些单层和多层结构中，采用了圆形钢管混凝土柱。前苏联于2 0 世纪3 0 年代， 用钢管混凝土建造了1 0 1 m 的公路桥。此后在西欧、北美、日本、前苏联等工业发达国 家，钢管混凝土在工业厂房、多层和高层建筑、立交桥以及特种工程中得到较多的应 用，收到了良好的效果。例如，美国1 9 8 9 年建造的西雅图5 8 层的t w ou n i o ns q u a r e ， 总高2 1 9 5 m ，其核心筒采用四根钢管混凝土柱，柱直径3 ，0 4 m ，采用c 11 0 高强混凝土 浇注，可以承担总荷载的4 0 ，而于钢结构方案比较，可以节省钢材5 0 ，降低造价 3 0 眠 钢管混凝土结构技术在我国开发利用已经有近4 0 年的历史了，1 9 6 3 年成功的将钢 管混凝土柱用于北京的地铁车站工程，又于2 0 世纪7 0 年代将其用于冶金、造船、电力 等部门的单层厂房和重型构架中，此后随着研究的逐步深入，又相继将其用于大跨度桥 梁工程以及高层建筑的框架结构中。近年来采用钢管混凝土柱的高层建筑日益增多，这 是因为在高层建筑中，底层柱子受力往往很大，但是建筑物中通常不希望柱子尺寸过 大，加上在抗震方面要求底层柱子应陔具有较好的延性，在施工方面要求缩短工期、施 工方便，而钢管混凝土柱完全可以满足这些要求。例如已建成的深圳赛格广场大厦，地 上7 2 层，地下4 层，总高度2 9 1 6 m ，是我国的一座采用钢管高强混凝土柱的钢结构体 系超高层建筑，也是当时世界上最高的一座钢管混凝土高层建筑。工程地下部分施工采 用了逆作法，因此地下室和基土的开挖与地上结构的施工可以同时开展，大大缩短了施 工工期。目前国内已建成的钢管混凝土拱桥和采用钢管混凝土柱的高层建筑已经有1 0 0 多座，取得了良好的经济效果和社会效果 9 1 i 。 在研究方面：钢管混凝土组合柱已经被广泛的应用到工业厂房、高层建筑、桥梁以 及近海建筑物中，这时在结构中就更能体现：t ：l l j 管混凝土组合柱的优点：钢管混凝土柱 无需模板和箍筋，钢管内混凝土的存在避免了钢管向内凹曲，而钢管同时对混凝土提供 了有效的横向约束。这种连续的约束提高了混凝土的延性，尤其是对于高强混凝土 1 2 1 。 一3 沈阳一r 业大学硕士学位论文 但钢管混凝土柱的耐火性能相对于钢筋混凝土柱差，必须采取一定的防火措施。除了采 用在钢管上涂刷防火涂料或外挂水泥砂浆等保护措施外，国外学者还提出了在钢管内防 腐钢筋或钢纤维的方法来提高钢管混凝土柱的刷火性能1 3 3 4 。k o d u r 总结了他们的研究 成果，认为对于长细比比较大的钢管混凝土柱和偏心受压或承受非常高的轴压力的钢管 混凝土柱，应为钢管混凝土中加入钢筋来提高组织的耐火能力口。2 0 世纪6 0 年代，英 国n e o g i p k 等人研究了钢管内的混凝土三向受力时强度的提高问题，并提出了考虑铜 管对混凝土的约束效应条件下的钢管混凝土承载力的计算方法，这是钢管混凝土理论研 究的一个重大突破。在这个时期，美国的k n o w l e sr b 、p a r kr 等人亦通过大量试验研 究了钢管混凝土柱的受力性能，取得了很多成果。在试验与理论研究的基础上，一些国 家相继编制了钢管混凝土结构设计规范，其中有欧洲标准化委员会编制的e c 4 、英国的 b s 5 4 0 0 、美国的a c l 3 1 8 8 9 和a i s c l r f d ( 1 9 9 4 ) ，日本的a i j ( 1 9 8 0 、1 9 9 7 ) 1 6 , 1 7 j 。 在我国的发展：自从上个世纪5 0 年代以来，国内的哈尔滨建筑大学、中国建筑科 学研究院以及苏州混凝土和水泥制品研究院等单位对钢管混凝土的基本理论进行了大量 的研究，取得了可喜的成果，已在圆形钢管混凝土柱的研究中领先于国际水平，并大致 形成了三个体系，集中反映在蒋家奋和汤关编写三向应力混凝土【1 8 】、蔡绍怀编写的 钢管混凝土结构的计算与应用【1 朝和钟善桐的钢管混凝土结构 z o l 这三本书中。目 前国内关于钢管混凝土结构的设计还没有国家标准，但一些行业制定了相关设计规程， 主要又以下四种：国家建材工业局编制的钢管混凝土设计与施工规程【2 1 1 ( j c j0 1 8 9 ( 1 9 8 9 ) ) ( 以下简称j c j 叭一8 9 ) 、中国工程建筑标准化协会编制的钢管混凝 土设计与施工规程口列( c e c2 8 ：9 0 ( 1 9 9 2 ) ) ( 以下简称c e c2 8 ：9 0 ) 、电力行业编 制的钢一混凝土组合结构设计规程【2 3 】( d i j t5 0 8 5 1 9 9 9 ( 1 9 9 9 ) ) ( 以下简称 d l 厂r5 0 8 5 1 9 9 9 ) 和国家军用标准战时军港抢修早强型组合结构技术设计规范 【2 4 j ( g j b ( 2 0 0 1 ) ) ( 以下简称( g j b ) 。 当前对钢管混凝土的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 钢管混凝土结构的耐火性能不如混凝土结构，但是远好于钢结构，开展钢管混 凝土结构火灾下性能的研究，将为结构的耐火处理和火灾后结构的维修加固提供科学的 依据f 2 5 正7 1 ； 4 沈阳。【业大学硕士学位论文 ( 2 ) 过去对钢管混凝土的抗震性能的研究主要集中在基本构架方面，随着试验手段 的提高，目前已开始进行钢管混凝土结构体系抗震性能的试验研究，这将为结构体系的 抗震设计提供重要的依据【2 驯； ( 3 ) 尽管方形或矩形钢管混凝土对核心混凝土的约束能力较圆形钢管差，但与圆形 钢管混凝土柱相比，方形或矩形钢管混凝土柱具有节点连接方便，结构处理方便等优 点，是目前研究的热门课题之一口9 “】； ( 4 ) 钢管混凝土杜、梁节点设计在钢管混凝土结构设计中是非常关键的环节，设计 一些受力合理、传力明确、施工简便的节点形式，将有力推动钢管混凝土结构的应用与 发展。目前国内外一些科研机构结合工程实际，开展了这一方面的研究口扣蚓： ( 5 ) 由于钢管的约束作用可以明显的提高高强混凝土的延性，使其工程应用得以实 现。因此近年来，国内外有关学者对钢管高强混凝土的力学性能开展了一系列的研究 3 5 1 。此外还开展了自应力钢管混凝土的研究，通过在混凝土中加入膨胀剂、聚酯树脂等 来改善混凝土的性能进而达到提高钢管混凝土柱的承载力和抗震能力等目的 3 6 , 3 7 。 1 2 - 3 钢管混凝土力学性能分析现状 钢管混凝土柱在受力过程中钢管和混凝土之间将产生相互作用效应，这种效应导致 了钢管混凝土柱物理力学性能的复杂性，因此如何估算这种效应成为确定钢管混凝土柱 承载力的基本问题。各国学者基于试验结果，从不同的角度对这个问题进行了研究，提 出了各自的承载力计算方法。国内的苏州混凝土和水泥制品研究院、中国建筑科学研究 院和哈尔滨建筑大学提出的计算公式已分别被规程j c j0 1 8 9 、c e c s2 8 ：9 0 ) ) 和 d l ，r 5 0 8 5 1 9 9 9 ) ) 所采纳。其中规程c e c s2 8 ：9 0 ) 更多的沿用了钢筋混凝土结构设 计规范中的方法，主要依据钢管混凝土构件的试验结果，以经验回归公式为主【博】。规程 ( ( j c j 叭一8 9 在基本构件计算中借用了混凝土结构设计理论的一些公式形式，根据钢管 混凝土构件的试验结果和理论分析建立起一套半经验半理论的计算公式【1 9 1 。规程 ( ( d l f r 5 0 8 5 1 9 9 9 ) ) 是以建立在试验基础上的理论公式为主1 2 0 ，在公式推导方面较多的 借鉴了钢结构的设计理论，得出的计算公式相对较复杂。而在g j b 规范中，对以上 的圆钢管混凝土设计更加深入的基础上，还首次涉及到了方钢管混凝土的设计内容。 5 沈刚i ：业人学硕士学位论文 在国内外有关钢管混凝士的设计舰范或规程中，均给出了钢管混凝土的轴压和压弯 承载力计算公式，规程( ( d l t 5 0 8 5 1 9 9 9 ) ) 还给出了钢管混凝土柱在压、弯、扭、剪等 力的共同作用下承载力的计算公式。至于轴压e e 问题，由于钢管混凝土柱的抗压和变形 能力良好，即使在高轴压条件下，仍可以形成在受压区发展塑性变形的“压铰”，不存 在像钢筋混凝土那样的受压区先破坏的问题，也不存在像钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳 的问题，从保证控制截面的转动能力而苦，钢管混凝土柱无需限定轴压比。因此，国内 的四个规程中均没有关于轴压比限定的规定。下面对国内外关于钢管混凝土柱轴压和压 弯承载力的计算方法加以简单介绍。 1 2 3 ，1 轴心受压承载力 对于钢管混凝土短柱轴压承载力的计算，同本的规范采用了简单的累加方法，没有 考虑钢管与混凝土之问相互作用力( 套箍力) 引起的混凝土强度的提高。美国的规范也 没有考虑钢管对混凝土的套箍力作用效应。欧洲、英国的设计规范考虑了圆形钢管对混 凝土的约束作用。在我国现行的三个规范均考虑了钢管对混凝土的约束作用，钢管混凝 土柱轴压承载力计算公式采用式( 1 1 ) 的表达式形式，在确定妒和眠时，三个设计规程 基于不同的理论，提出了不同的计算方法。 ( 1 ) ( ( j c j0 1 8 9 给出的轴心受压钢管混凝土短拄承载力公式为 n o = 六a 。+ k l z a 。 ( 1 1 ) 式中：六为钢管材料的屈服强度，厶为混凝土抗压强度标准值，a ，和a 。分别为钢管 和混凝土的截面面积，k ，为核心混凝土的轴心抗压强度提高系数。 公式( 1 1 ) 为考虑紧箍力效应的塑性承载力计算公式，式中的系数k ，既包括出于紧 箍力使混凝土强度提高的部分，又包括由于钢管环向受拉而导致钢管纵向承载力降低的 部分，同时还根据试验结果做出了某些调整，因此式( 1 1 ) 属于半经验半理论公式。 稳定系数妒则是由于失稳临界力m ，与短柱轴压承载力i v 。的比值确定。对于在弹性 工作阶段失稳的长柱，直接引用欧拉临界力公式计算失稳临界力。对于在弹塑性工作阶 段失稳的中长柱，首先根据实测应力应变曲线提出经验的钢管混凝土应力一应变关 6 沈1 3 1 - 1 ：业火学硕士学位论文 系，由此求出弹塑性工作阶段柱子的受压综合切线变形模量e 。 论求其失稳临界力，得到 心：挚以 然后采用切线模量理 ( 1 2 ) 式中：a 为柱子的长细比，a 。为钏管混擞土柱截面面积，a ，。= 爿。+ 爿。 ( 2 ) ( c e c s2 8 ：9 0 ) ) 给出的钢管混凝上短拄的轴压承载力讨算公式为 n o = f 3 0 一 08 0 0 04 0 0 06 0 0 0 8 0 0 01 0 0 0 0 1 2 0 0 0 应变( x1 0 “) 图2 9 含钢率不同时应力一应变关系曲线 5 0 5 0 5 0 r 0 0 5 o i警争、禹。 沈阳工业大学硕十学位论文 用，这使得核心混凝土的极限应力明显提高，从图2 9 中可以看出没有钢管约束的素混 凝土的极限应力明显要低于外部套有钢管的混凝土的极限应力，而含钢率在0 1 o 2 范 围内的三组试件中混凝土的极限应力变化不大。 进入塑性阶段以后，素混凝土的应力迅速降低。而在方钢管混凝土中，由于外部的 方钢管的约束，不仅减缓了混凝土应力降低的速度，并且还可以保持很大的应变，从而 大幅提高结构的延性系数，结构的抗震性能得到保证。 2 4 2 2 方钢管混凝土短柱中方钢管的应力一应变关系 图2 1 0 是仅在核心混凝土强度( 厶) 和厚度不同时方钢管的应力一应变关系曲线。 与上述混凝土的应力一应变关系曲线一样，在弹性阶段不同参数结构中方钢管的曲 图2 1 0 厚度不同时方钢管的应力一应变关系曲线 图2 1 13 2 l m - s c 荷载一变形曲线 一1 9 方钢管 图2 1 2 方钢管混凝土三向应力状态 沈阳工业火学硕士学位论文 线基本重合。在方钢管混凝土进入弹塑性阶段以后，由于混凝土的存在有效防止了方钢 管的屈曲，从而提高了极限应力。 在结构的承压过程中，方钢管所承担的纵向压力从初期的不断增大转变为后期的不 断减小，其转折点发生在方钢管混凝土最大承载力点附近( 图2 ，11 ) ，这说明在进入塑 性阶段以后，方钢管处于三向应力状态( 见图2 1 2 ) ，随着侧压力的增大，方钢管的承 载能力有所下降。这时方钢管的作用己从初期的主要为纵向承压转变为后期的纵向承压 和提供对混凝土的套箍作用以提高混凝土的承载能力。 2 4 3 方钢管混凝土短柱的破坏分析 在荷载初期，核心混凝土和方钢管都处于弹性阶段。当荷载增加到6 0 7 0 的极 限荷载时，核心混凝土和方钢管发展到弹塑性阶段，方钢管上局部开始出现倾斜的剪切 滑移迹象，之后方钢管逐渐向外凸出形成剪切滑移带，达到极限荷载时钢管迅速向外凸 出形成剪切滑移带，最后汇集并形成了一个明显的主剪切裂缝，并最终导致了试件的破 坏。 1 ) 空钢管 2 ，酸充竣 f 营 圈2 1 3 方钢管混凝土的破坏图形 2 5 影响方钢管混凝土短柱轴压力学陛能的各因素分析 2 , 5 1 混凝土强度的影响 从图2 1 4 可见，高强混凝土组合短柱的弹性阶段明显要长于普通混凝土组合短柱 的弹性阶段。从表2 2 中又可以看出，在方钢管混凝中由于方钢管的存在，使混凝土 的变形得到了很好的控制，这使得结构中混凝土的抗压强度得到一定的提高。特别是对 2 0 沈阳l ：业人学硕十学位论文 于高强度混凝土，由于其混凝土有强度较高，延性差的特点，而方钢管的存在使得高强 混凝土在保证其较高强度的同时，还能够有效的改善其延性差的特点。 另一方面，从图2 1 4 中可以看出， 由于核心混凝土强度的改变，所引起的 方钢管混凝土荷载一变形曲线的变化程 度，随着方钢管厚度的增加逐渐减小。 这表明，在方钢管厚度较大时，核心混 凝土的变化所引起的结构承载力和延性 的差异可以近似忽略 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 _ 8 0 0 榻6 0 0 柱4 0 0 2 0 0 o 0 51 0 变形( m m ) 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 主1 0 0 0 v 8 0 0 饕e o o 4 0 0 2 0 0 o o 5 变形( m m ) 1 0 1 5 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 1 4 核心混凝土不同时组合结构荷载与变形曲线 2 5 ，2 套箍指标的影晌 套箍指标0 的计算公式为 e = a 。 。a ：j c k t 2 2 ) 6 组试件3 2 l m s c 、4 5 l m s c 、6 0 l m - s c 、3 2 h m s c 、4 5 h m s c 和6 0 h m s c 中仅仅是套箍系数不同其它指标均相同。在图2 1 5 中可以看到在试件达到n ，前套箍指 标的变化对试件的变形的影响不是非常显著，但对于承载能力的提高却是非常明显的。 这是因为一方面钢管的面积增大，提高了钢管的承载能力，另一方面是因为钢管的厚度 一2 1 沈1 ：业大学硕十学位论文 使得钢管对混凝土的套筘作用更加明显，从而使得承载力得到提高。 在表2 2 中可以看到( 以核心材料为高强度混凝土为例) 随着套箍系数从0 8 6 5 增 加到1 6 6 3 ，相应的延性系数也从1 3 1 4 增加到2 1 9 5 ，这说明随着套箍系数的增大，延 性系数也随着增大。这是由于套箍系数较大时更能保证方钢管混凝土的变形。 图2 1 5 套箍系数不同时荷载一变形曲线比较 2 5 3 混凝土中配筋的影响 由于方钢管混凝土的破坏主要是由于核心混凝土受压和受剪引起的裂缝所导致的， 随着裂缝的开展混凝土变形增大，虽然外包方钢管限制了混凝土的整体变形，但是随着 裂缝的增多和增大，最终引起方钢管混凝土整体破坏。由于混凝土的抗压性能要好于抗 剪性能，增加混凝土的抗剪性能从而限制混凝土的变形是很必要的，通常混凝土梁中的 做法是在其中配置钢筋以提高其抗剪性能，故而有些学者提出是否可以把这种方法引入 - 2 2 ( b ) 沈阳t ：业大学硕士学位论文 到方钢管混凝土中，使其成为配筋方钢 管混凝士结构。但从图21 6 中表明在 核心混凝土中配置纵筋和箍筋以提高承 载能力的方法不是很有效。由于混凝土 的破坏就是本身裂缝开展的过程，虽然 纵筋可以控制中部的剪力和纵向承载 ( 本试验纵向配筋率较低，所以纵向承 载力较小) ，箍筋( 此试验为构造箍筋) 可以对核心混凝土产生套箍作用，但是 由于纵筋和箍筋的存在本身就加大了初 ( c ) 图2 1 6 配筋方钢管混凝土荷载一变形曲线 始裂缝，使得裂缝的控制增加了难度，所以综合考虑，在纵向配筋率较低的情况下，核 心混凝土中配筋的作法对承载力的提高不是很明显。 同时从图2 1 和表2 - 2 可以看出在方钢管混凝土中配筋的位置对于承载力也有一定 的影响。由于混凝土中的剪力是由中部向外逐渐减小，所以当配筋靠近中央时，钢筋主 要起到抗剪作用，当配筋靠近边缘时，钢筋主要起到套箍作用。当套箍率较小的时候， 提高套箍率对提高方钢管混凝土的承载力更有效，此时钢筋靠近边缘好些。当套箍率较 大时，提高抗剪作用相对更能提高其承载力，此时钢筋靠近中央会更有效。 虽然核心混凝土中配筋对承载能力 的提高不是非常有效，但是对于抗震性 能的改善却是非常明显的。图2 1 7 为各 种试件的延性系数的比较图。从图中可 以看出h b s c 和h s s c 两类方钢管混 凝土较h m s c 类延性系数均有一定程 度的提高。而h w - s c 类结构的延性系 数较h m s c 类提高不大或者略有下降， 这是因为过多的配筋损坏了混凝土内部的 密实性，这样就使得结构的整体性能受到 豢 幅 赳 剁 2 3 01 23456 类别 “1 ”代表h m - - s c 、2 代表h b - - s c 、 。3 ”代表h s - - s c 、“4 ”代表h w - - s c 图2 1 7 试件类别与延性系数关系 沈刚上业人学硕士学位论文 影响。 2 6 小结 本章介绍了轴心受压素方钢管混凝土和配筋方钢管混凝土的试验结果，研究了混凝 土强度、套箍指标和核心混凝土中配筋率和配筋方式对方钢管混凝土组合短柱的影响， 并通过试验对结构进行分析，由试验结果得出以下结论： ( 1 ) 在核心混凝土中加入钢筋对于提高柱子的承载力不是非常明显，但能提高柱子 的廷陛，在一定程度上延缓或抑制混凝土中剪切斜裂缝的开展。 ( 2 ) 对配筋方钢管混凝土结构，当套箍率较小时，配筋靠近边缘对提高方钢管混凝 土的承载力更有效；当套箍率较大时，配筋靠近中央对提高方钢管混凝土的承载力更有 效。 2 4 沈阳t 业人学硕士学位论文 3 方钢管混凝土梁受弯力学性能的试验研究 3 1 前言 钢管混凝土以其抗压强度高而最适合于作受压构件 4 1 , 4 2 。在受弯构件中采用钢管混 凝土并无突出的优点，因此，钢管混凝土的受弯力学性能及其计算方法，过去人们研究 的相对较少。但是，实际工程中，柱子往往处于压弯受力状态，由于纯弯是压弯的一种 特例，所以。对纯弯构件的深入研究，可以有助于建立钢管混凝土偏压柱的m 一相关 曲线。本文论述了包括素方钢管混凝土结构和配筋方钢管混凝土组合结构在内的多组试 件受弯力学试验的结果，从而研究了其在此状态下的工作机理、承载能力和延性，讨论 了影响组合结构受弯力学性能的主要因素，包括混凝土强度、套箍系数、配筋方式和配 筋量。并对素方钢管混凝土和配筋方钢管混凝土结构进行了比较。 3 2 弯曲试验概况 3 2 ，1 试验材料 方钢管混凝土梁的试验材料与方钢管混凝土短柱的基本相同，方钢管的厚度分别为 3 2 r n m 、4 5 m m 、6 0 m m ，实测屈服强度和抗拉强度分别为2 9 9n m m 2 、2 9 3n r a m 2 、 2 8 5n m m 2 和3 7 0 5 n m m 2 、3 6 3 _ 3n m m 2 、3 7 9 3 n r a m 2 。方钢管内部填充的状况为中空 ( c h s b ) 、低强度混凝土( l m s b ) 、高强度混凝土( h m s b ) 、大带钢筋高强混凝土 ( h b s b ) 、小带钢筋高强混凝土( h s s b ) 和二重带钢筋高强混凝( h w s b ) ，但是构 件的尺寸不同，采用的试件是边长为1 7 5l l 加f l l _ ，长为2 0 0 0i t l r n 的方钢管混凝土结构其 卜4 卜一 。一一，一上煦q l 一 固罾图鳝 c h - s b l m s bh m s bh b s b h s s bh w - s b 图3 , 1 方钢管混凝土梁的试验构件 2 5 沈刚1 。业大学硕士学位论文 h s s b 截面情况见图3 1 ，配筋方钢管混凝土内部 的配筋情况如图3 2 所示。混凝土所选用的 材料与轴压时相同，其配比如表2 1 所示