波纹钢管钢筋混凝土短柱偏压性能研究

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波纹钢管混凝土(CFCSP)柱是一种通过将外围钢管替换成薄壁的波纹钢管(CSP)形成的一种新型钢管混凝土(CFST)构件。波纹钢管不仅可作模板使用,且具有良好的防腐性能。已有学者通过对该构件的短柱轴压力学性能进行了初探性研究,明确了波纹钢管与核心混凝土的协同工作机理,结果表明波纹钢管混凝土柱的极限承载力和轴压延性均高于传统的钢筋混凝土和钢管约束混凝土柱。但目前针对该新型构件各类力学性能的研究尚待完善,波纹钢管对柱各方面承载力的强化程度尚不明确,为此本文开展了以下工作:
  1)完成了6个内配置钢筋的波纹钢管混凝土偏压短柱的试验研究,通过考虑偏心距的影响,研究了这种新型管材在偏压下的约束效果及其应力分布。结果表明波纹钢管与核心混凝土之间产生了良好的协同工作并在受压区有效限制了侧向膨胀,但是在受拉区产生了明显的不利作用。这是因为成型的混凝土在波谷区域加速了中截面受拉裂缝的开展。
  2)通过细致的截面环向应力分析得到了构件内部的应力分布规律,这种分布受到荷载作用位置的影响,并对构件承载力产生了一定的影响。
  3)为了验证试验分析结果,建立了有限元模型进行对比,受限于混凝土复杂的螺旋波纹外形引起的单元畸变,按照实际几何外形构建的模型并未成功收敛。因此本文有限元模拟采用简化的有限元模型,即将褶皱的表面按照含钢率等效的原则简化为平整的表面,同时在每个周期的波纹波峰对应的位置断开微小的间隙,从而形成螺旋的板带,简化后的模型结果与试验结果吻合较好。
  4)最后在已有针对钢管混凝土的设计公式的基础上,鉴于波纹钢管混凝土是一种相似组合构件,本文基于欧洲规范EC4的截面塑性假设提出了适用其偏压承载力的计算公式。
  值得注意的是,受弯对此类构件较为不利,波纹钢管并不能提供可观的约束,原因是跨中的受拉侧的混凝土环向裂缝剧烈开展以及波纹钢管环向提供不了拉应力。并且在弯矩较大的情况下,仅可考虑波纹钢管发挥模板和防腐的作用。综上,本文主要研究了波纹钢管混凝土偏压短柱的静力性能、破坏模式以及应力规律等。
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