课题研究报告-2

课题研究报告一、课题研究背景及意义钢管混凝土是利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善;而核心混凝土的存在，加强了钢管混凝土的稳定性。总之,通过钢管和混凝土组合不仅可以弥补两种材料各自的缺点,而且能够充分发挥二者的优点,这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在。自20世纪60年代中期钢管混凝土开始引入中国以来,在不到50年的时间里,钢管混凝土不论是从理论推导上还是从工程实践上都得到了迅速的发展,但大部分研究工作都集中在短柱上,对中长柱的研究不是很多。目前国内钢管混凝土研究领域的著名学者有钟善桐,韩林海和蔡绍怀等学者。钟善桐和韩林海把钢管和混凝土看成统一体，提出了统一理论，并编写了相关规范。同时，蔡绍怀等一批学者考虑了钢管和混凝土的相互作用，提出了套箍理论，并以此编写了相关规范。由于这两种理论出发点不同，所以其计算结果有差异，对依据规范来进行工程设计的工程师造成了不便，为解决此问题，本课题通过对试验结果和两种理论各自对应规范的计算结果进行比较，对计算结果进行比较和修正，期望能给设计人员以后的设计工作提供一些参考和建议。二、文献检索范围及检索策略本课题是针对钢管混凝土柱的基础理论研究，初次接触此课题，应首先了解钢管混凝土柱轴心受压的基础知识，从汇文图书系统中查找相关书籍；其次，确定检索词，查阅中文文献并在其英文摘要中找到中文检索词对应的英文检索词；最后，查阅英文文献。在此过程中，若发现问题则应及时调整检索策略。由于本课题是对前人论文的总结，所以在收集文献时，主要是收集与此课题相关的文献，不需针对此课题具体实施检索，而且此课题是对前人论文试验数据与计算结果的整理，并通过数学方法回归，所以在此不需要使用专利检索。中文检索1.1书籍检索关于书籍检索，由于对本领域已有所了解，钢管混凝土结构领域的著名学者主要有钟善桐，韩林海和蔡绍怀，由于他们的理论出发点不同，针对此课题需对这两派学者的理论进行比较整理。所以，在书籍检索时，需对他们的著作都进行检索。1.1.1汇文系统检索由于课题目标明确，检索策略为：检索式：钢管混凝土结构检索条件：任意匹配检索结果为：81.1.2书籍检索小结由于书籍检索采用的检索词比较狭窄，在搜索结果中指找到了钟善桐和韩林海的著作，缺少蔡绍怀的著作。由于对本领域有所了解，后更改检索策略，放宽检索式，采用检索式为“钢管混凝土”再次检索，找到了所需的著作，所以，总结起来，检索词不宜太狭窄，也不宜太广泛，否则不能得到所需的检索结果。在书籍检索的结果中，我选取了钟善桐的《钢管混凝土结构》，韩林海的《钢管混凝土结构-理论与实践》和蔡绍怀的《现代钢管混凝土结构》。对这三位学者的基本理论，我进行了和课题相关内容的阅读。1.2中文电子期刊检索1.2.1中国期刊网通过对以上检索到得书籍进行阅读，大致了解了钢管混凝土的基本概念。先针对此课题，采取宽进严出的检索策略，初步确定检索词为：钢管混凝土柱，受压，稳定，中长柱。由于是对前人资料的总结整理，所以搜索范围的时间选取应比较宽，以便能获取更全面的资料。检索策略1：检索式：钢管混凝土柱（关键词)并且受压（关键词）检索范围：1979年-2011年检索结果：241检索结果分析：对检索结果进行分析，发现范围太广，很多检索结果与课题内容无关，显然是检索式范围太广，决定更改检索策略。检索策略2：检索式：钢管混凝土柱（关键词）并且稳定（关键词）并且受压（关键词）检索范围：1979年-2011年检索结果：13检索结果分析：对更改检索式后的检索结果分析，发现与内容都与课题相关，但是为确保搜全率，再次更改检索策略。检索策略3：检索式：钢管混凝土（关键词）并且中长柱（关键词）检索范围：1979年-2011年检索结果：161.2.2维普数据库为避免出现在中国期刊网中检索出现的问题，尝试两类不同的检索词检索：第一类为：钢管混凝土、中长柱；第二类为：钢管混凝土柱、受压、稳定。检索策略1：检索式：钢管混凝土（关键词）并且中长柱（关键词）检索范围：1989年-2011年检索结果：11检索策略2：检索式：钢管混凝土柱（关键词）并且受压（关键词）并且稳定（关键词）检索范围：1989年-2011年检索结果：7检索结果分析：发现检索结果不如中国期刊网中理想，为提高查全率，更改检索策略。检索策略2：检索式：钢管混凝土柱（关键词）并且受压（关键词）检索范围：1989年-2011年检索结果：191.2.3中文电子期刊检索小结中国期刊网和维普数据库对输入检索词的前后匹配的识别能力不同。中国期刊网只能识别独立的词语，而不能将其默认为一句话中一个词语的一部分；维普数据库则具有这种识别功能。所以在检索这两种数据库时，检索词要区别对待。对于中国期刊网，要尽量尝试多的检索词，找到合适的搭配方案；而维普数据库的要求则降低很多，只要输入常用词语的通用截词即可。通过阅读搜索到得中文期刊，得到有关课题的实验数据和计算数据，但是也通过中文文献，发现有些中文文献引用的是外文的数据，希望通过对外文文献的检索，能得到更多的原始数据。2.英文检索通过阅读以上检索到的中文文献的英文摘要，确定以下英文检索词：concrete-filledsteeltube(钢管混凝土)、compression(受压)、stability(稳定性)。2.1ASCE检索策略：检索式1:concrete-filledsteeltube(abstract)andcompression(abstract)检索范围：1983年-2011年检索结果：29检索策略：检索式2：concrete-filledsteeltube(abstract)andstability(abstract)检索范围：1983年-2011年检索结果：42.2Elsevier检索策略：检索式1:concrete-filledsteeltube(abstract)andcompression(abstract)检索范围：allyear检索结果：33检索策略：检索式2：concrete-filledsteeltube(abstract)andstability(abstract)检索范围：allyear检索结果：42.3EI检索策略：检索式1:concrete-filledsteeltube(abstract)andcompression(abstract)检索范围：1969-2011检索结果：355检索结果分析：由于检索结果太多，更改限制条件，但是也不至于使搜索范围太过狭窄，搜索条件仍然设为两个。检索策略：检索式2：concrete-filledsteeltube(abstract)andstability(abstract)检索范围：1969-2011检索结果：522.4英文电子期刊搜索小结在英文电子期刊检索过程中，出现了数据库检索结果严重不均衡的现象，这与每个数据库收藏的期刊类别侧重点不同有关。遇到这种问题，应该根据检索词的主次顺序决定它们的重要性，从而逐步提高或放低对它们检索限制的要求，必要时可以舍弃或增加检索词。在对英文文献的搜索中，发现国外关于此课题的文献发表时间比较早，种类的分布范围也较广，弥补了中文文献搜索中的一些不足。三、国内外研究现状综述对圆钢管混凝土中长柱受压计算系数的修正摘要：本文从中外文献出发，对文献中的试验数据和计算数据进行整理，并对这些实验数据用电力规范和CECS规范进行计算，通过比较数据，找出更接近实际实验结果的规范，并对其进行数据修正，为设计者提供参考和建议。关键词：钢管混凝土受压稳定中长柱前言钢管混凝土具有优越的力学性能:内填混凝土增加了钢管壁的稳定性；钢管的约束作用使核心混凝土处于三向受压应力状态,提高了混凝土的抗压强度和变形能力,因此钢管混凝土柱以其稳定承载力高、抗弯性能好、施工方便等优点,在实际工程上得到广泛的应用。到目前为止,国内外学者对钢管混凝土柱的轴压稳定承载能力已经做过一些研究,并给出了相应的计算公式。但鉴于钢管混凝土构件本构关系的复杂性,寻找既有一定精度又便于工程应用的轴压稳定承载力计算公式,依然受到工程界的普遍关注。2.国内外钢管混凝土受压性能的研究现状钢管混凝土构件轴心受压时的极限承载力求解的方法大致有以下三种:1）修正的欧拉公式:Ncr=π2(EsIs+EcIc)/L2（1）式中，Es和Ec分别为钢管和混凝土的弹性模量；Is和Ic分别为钢管和混凝土的截面惯性矩；对于长柱在弹性阶段稳定承载力,可采用欧拉公式(如公式(1)所列)进行计算.对于非弹性阶段的承载力,文献[1]用修正的Euler公式确定,即将Euler公式中的弹性模量用切线模量代替,为此需建立钢管混凝土应力-应变关系曲线.2）统一理论法:文献[2]从大量试验数据中,找出长细比对承载力的影响规律,回归得到钢管混凝土构件稳定承载力经验公式,此方法简单直观。但长柱与中长柱的承载力与长细比的不同关系没有具体体现,概念不明确。钟善桐、韩林海等根据统一理论建立的全截面轴心受压承载力计算公式[2]:N=fckAsc(1.212+Bξ+Cξ2)式中：fck为核心混凝土的标准强度；Asc为钢管混凝土的截面积；ξ=Asfy/Acfck为钢管混凝土构件的约束效应系数。B=0.1759(fy/235)+0.974；C=−0.1038(fck/20)+0.0309。3）套箍法：为了有效的利用钢管混凝土柱的受力特点和变形能力，将钢管混凝土的理论计算分为两个阶段，即使用阶段和极限阶段。第一阶段：使用阶段。轴心受压承载力公式N0=Ns+Nc=fyAs+fckAc（1）第二阶段：极限阶段。极限承载力公式Nu=φ(Ns+kNc)=φ(fyAs+kfckAc)(2)式中：N0表示使用阶段轴压承载力；Nu表示极限阶段极限承载力，Ns表示钢管承担的荷载；Nc表示混凝土承担的荷载，k表示弹塑性阶段混凝土的承载力提高系数，φ表示稳定系数。公式中用fck代替fc来计算核心混凝土的承载力是充分考虑了由于钢管与核心混凝土的相互作用而使核心混凝土的承载力有所提高这一有利因素。在使用阶段,钢管和混凝土分别按照各自的刚度承担荷载；在极限阶段，由于钢管和混凝土之间相互作用力而使核心混凝土的承载力提高。3.总结由于长径比的增大，而使轴心受压构件的极限承载能力降低是由于材料的初始缺陷、荷载作用点的偶然偏心、实际约束条件等多种复杂因素。因此，对于极限承载能力随长径比增大的变化规律，都是通过实验数据近似得出的。后两种计算方法中，以轴心受压短柱为基础，采用了将大量的实验数据，拟合的方法，找出以折减系数变量，以长径比L/D为自变量的函数关系。第一种计算方法，是通过试验分析，分别找出钢材和混凝土的随长径比变化的本构关系。求极限承载力时，将各自的截面面积与应力相乘后，即为钢管和混凝土各自承担的承载力，叠加后得出整个构件的极限承载力。后两种计算方法产生偏差的原因主要有两点：①由于以实验数据为基础，找出轴心受压长柱的相对于轴心受压短柱的折减系数与长径比的关系。借用的实验数据多而广泛；各个实验方法的不同，实验条件的不同，实验材料的不同等不确定因素造成实验结果的偶然性，以及实验结果的局限性。由此实验数据拟合得出的函数关系，必然产生偏差。②对长柱极限承载能力的影响是由初始缺陷、荷载的偶然偏心、约束条件等因素引起。因此，试验结果应该是离散的。当拟合轴心受压长柱的相对于轴心受压短柱的折减系数与长径比的关系时，产生偏差是难免的。第一种计算方法产生偏差的原因主要有以下两点：①来自于本构关系模型的建立。本构关系模型是在实验基础上建立起来的，应力和应变的关系是很复杂的，用统一的函数关系曲线确定其关系，势必要产生偏差。②材料的强度等级不同，本构关系曲线差别也是很大的。例如：普通钢材有明显的屈服台阶，而高强钢材则没有明显的屈服台阶。混凝土的强度等级不同，应力应变关系曲线的差别很大。即使同样的强度等级，骨料的不同、水泥品种的不同、水泥用量的不同、水灰比的不同、施工条件的不同、龄期的不同等各种偶然因素，使混凝土的本构关系变得复杂。参考文献[1]李斌,闻洋.钢管混凝土轴压长柱承载力的试验研究[J].地震工程与工程振动,2003,23(5),130-133.[2]闻洋.钢管混凝土轴心受压构件推荐公式研究.包头钢铁学院硕士论文.2003.[3]蔡绍怀.套箍混凝土轴心受压构件的强度计算[J].建筑结构,1980(4),23-29.[4]蔡绍怀.钢管混凝土柱的性能和强度计算.建筑科学研究报告.1984.NO.1-3,北京：中国建筑科学研究院[5]蔡绍怀,顾万黎.钢管混凝土长柱的性能和强度计算.建筑结构学报.1985(1),32-40.[6]蔡绍怀，顾维平.钢管混凝土空心长柱的性能和承载能力计算.建筑科学.1987(4),11-21.[7]汤关祚，沈希明.钢管混凝土基本力学性能的研究.建筑结构学报,1982(1),13-31.[8]王仁，熊祝华.塑性力学基础.北京：科学出版社，1982[9]钟善桐.钢管混凝土偏心受压构件稳定计算的理论研究.哈尔滨建筑工程学院学报,1980(2),29-46.[10]钟善桐，王用纯，余志敏.钢管混凝土偏心受压构件工作性能和强度计算理论的研究.电力建设科技报导.1979（1），北京：电力工业部电力建设研究所.[11]周广师.钢管混凝土偏心受压构件稳定承载力的研究.哈尔滨建筑工程学院学报,1982(4),29-46.[12]蔡绍怀.钢管混凝土柱的性能和强度计算.建筑科学研究报告.1984.NO.1-3,北京：中国建筑科学研究院[13]ArchitecturalInstituteofJapan(AIJ).RecommendationsforDesignandConstructionofConcreteFilledSteelTubularStructures.Tokyo(Japan),1997.[14]中国工程建设标准化协会标准.《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28:90）北京：中国计划出版社，1992[15]LoadandResistanceFactorDesignSpecification[S]．AmericanInstituteofSteelConstruction，1999．[16]Eurocode4：DesignofCompositeSteelandConcreteStructure[S]．EuropeanCommitteeforStandardization，1996．[17]RecommendationsforDesignandConstructionofConcreteFilledSteelTubularStructures[S]．ArchitecturalinstituteofJapan，1997．[18]聂建国．钢一混凝土组合结构[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005．[19]姜绍飞,廖云,张昕宇等.大长细比钢管混凝土轴压柱的力学性能[J].沈阳建筑工程学院学报:自然科学版,2002,18(1):1-4.[20]韩林海,姜绍飞,曹宇清等.大长细比钢管混凝土轴心受压柱承载力的试验研究[J].钢结构,1999,14(2):21-25.四、课题创新点及文献分析本课题是师兄在做自密实钢管混凝土受压性能研究时发现数据和规范的特点，为验证普通钢管混凝土是否也同样具有此特点，如果和自密实钢管混凝土规律一样，可以对规范公式中的计算公式进行修正，为以后的计算提供参考和建议。鉴于钢管混凝土的研究对于短柱已经相对成熟，而中长柱这方面由于其自身的特殊性，尚待更多的研究。通过对搜索到得文献的阅读，一短柱为出发点，和规范公式吻合较好，而随着长径比的增加，逐渐表现出偏离性，说明了对此课题研究的