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《哈尔滨工业大学》 2018年
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圆钢管混凝土轴压短柱尺寸效应研究

陈鹏  
【摘要】:钢管混凝土能够满足现代结构向大跨、高耸、重载方向发展的趋势及承受恶劣环境的需求,在高层、超高层建筑、大跨桥梁以及多种构筑物中得到了广泛应用。随着建筑高度、桥梁跨度的增加以及结构形式的多样化,钢管混凝土构件的截面尺寸不断增大,其尺寸效应问题也突显出来。大尺寸钢管混凝土在高层、超高层建筑及大跨桥梁中常被用作主要承重构件,其轴压尺寸效应问题不容忽视。相比于素混凝土,钢管混凝土由于受约束效应影响,其尺寸效应规律更为复杂。然而,目前关于钢管混凝土尺寸效应的研究相对较少,且相关研究尚不能反映约束对混凝土尺寸效应的影响。因此,本文对圆钢管混凝土轴压构件的尺寸效应进行了深入研究。具体内容包括:(1)进行了15个不同直径素混凝土试件的轴压力学性能试验,从试验角度分析了素混凝土轴压短柱破坏模式、截面弹性模量、峰值应力及峰值应变的尺寸效应规律;基于现有文献关于素混凝土峰值应力的统计数据,对典型尺寸效应公式的预测精度进行了对比分析,确定了素混凝土峰值应力的尺寸效应规律;通过分析标准试件与大尺寸试件中峰值应力与峰值应变的对应关系,提出了素混凝土峰值应变尺寸效应计算公式;结合素混凝土峰值应力与峰值应变的尺寸效应规律,建立了考虑尺寸效应影响的混凝土轴压本构模型;基于混凝土轴压峰值应力尺寸效应公式,分析了尺寸效应对结构可靠度指标的影响。(2)进行了36个不同直径圆钢管混凝土试件的轴压试验,分析了不同约束水平下圆钢管混凝土轴压短柱破坏模式、截面弹性模量、峰值应力、峰值应变及延性系数的尺寸效应规律;将试验结果与钢管混凝土轴压承载力规范计算公式进行对比,分析了尺寸效应对相关计算公式预测精度的影响,提出了钢管内核心混凝土峰值应力尺寸效应系数表达式,对EC4规范承载力公式进行了修正;基于考虑尺寸效应影响的钢管混凝土承载力公式,分别对实验室及工程中钢管混凝土轴压承载力的尺寸效应进行了分析。(3)进行了主动约束混凝土统计试验数据与现有理论公式的对比分析,确定了可靠的主动约束混凝土模型;通过对比主动约束混凝土与被动约束混凝土应力-应变曲线,分析了约束力施加路径对被动约束混凝土纵向应变及纵向应力的影响,进而建立了被动约束混凝土分析模型,该模型既适用于约束力线性变化的FRP约束混凝土,也适用于约束力非线性变化的钢管内核心混凝土;结合约束混凝土分析模型及钢管双向本构方程,在满足钢管与混凝土之间变形协调及应力平衡的前提下,建立了圆钢管混凝土轴压分析模型;以素混凝土尺寸效应为基础,通过分析主动约束力对尺寸效应的抑制作用,确定了主动约束混凝土尺寸效应模型;将主动约束混凝土尺寸效应引入钢管混凝土分析模型,得到了考虑尺寸效应影响的钢管混凝土分析模型。通过与钢管混凝土试验结果进行对比,验证了所提尺寸效应分析模型的有效性。(4)基于圆钢管混凝土轴压构件尺寸效应分析模型,对不同约束水平下钢管及核心混凝土的尺寸效应规律进行了参数分析,进而提出了考虑尺寸效应影响的核心混凝土纵向应力-应变曲线及钢管混凝土纵向应力-应变曲线;通过对比钢管与混凝土横向变形系数的发展规律,研究了混凝土径向收缩对约束产生时纵向应变的影响,进而分析了混凝土收缩对不同尺寸钢管混凝土试件轴压承载力的影响。研究表明,核心混凝土峰值应力及峰值应变受尺寸效应影响显著;对于套箍系数0???1.0钢管混凝土,当直径由150mm增加到2000mm时,其峰值应力尺寸效应介于6.5%?26.7%之间,峰值应变尺寸效应介于7.5%?39.3%之间;核心混凝土的径向收缩会延缓钢管对混凝土的约束作用,然而在自生收缩范围内(小于150??),核心混凝土径向收缩对标准钢管混凝土试件及直径为1500mm的钢管混凝土试件轴压承载力的影响分别为2%、3%。因此,混凝土径向自生收缩对不同尺寸钢管混凝土试件承载力的影响可忽略不计。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TU973

【参考文献】
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