基于全生命周期的内配型钢钢管混凝土构件徐变工作机理研究

The concrete-filled steel tubular member with internal profiled steel is the typical and common type for columns of the superhigh-rise buildings currently, and its typical characteristic are huge setional size and complex mechanical behavior and construction requirements. It has special processing and manufacturing and constructional features. There are no design guides in national desige codes. The typical factors will be considered in this research work, including initial imperfection and residual stress during it’s processing and manufacturing stage, initial stress of steel member during contruction, long-term loading at serviceable limitation state. The typical mechanical performance and mechanism of this type of composite member under the whole life-cycle will be investigated systematically. The manufacturing errors, initial imperfection, residual stress, initial stress under construction, short-term and sustained loading, are the main parameters during research. The results will be attained by typical experiments, numerical simulation and lagre numners of parametric study. The design approaches of this composite members will proposed to solve the typical various life-cycle satges. The design methods will be achieved to perfect the design theory and practical engineering for this type of composite members.

内配型钢的钢管混凝土构件是目前高层及超高层建筑中普遍采用的柱形式，典型特点是截面尺寸大、受力和构造复杂，加工制造及施工安装均有其自身特点，国内设计规范中尚无其设计方法。本课题将其在加工制造阶段的初始缺陷及残余应力、施工安装阶段的初始应力及使用阶段的长期持荷等典型特征综合考虑，系统研究该类组合构件在覆盖全生命周期过程中的典型各阶段的力学性能及工作机理。分别研究其考虑加工制造过程中可能出现的制造误差、初始缺陷、加工残余应力，以及在施工安装过程中钢构件产生的施工期间初始应力，正常使用阶段一次加载下的力学性能及考虑长期荷载作用下的组合构件的力学性能和工作机理，通过典型试验、数值模拟和参数分析，最终获得该类组合构件在覆盖全生命周期过程中如加工制造、施工安装、正常使用阶段、荷载长期作用阶段等的典型各阶段的力学性能及工作机理，从而为该类构件提供合理的正常使用阶段的设计方法，以期指导工程实践。

与传统钢管混凝土相比，内配型钢钢管混凝土具有承载力高、延性好以及抗震性能强等优点，因此在高层或超高层建筑以及大跨桥梁中有越来越多的应用。其典型特点是截面尺寸大、受力和构造复杂，加工制造及施工安装均有其自身特点，国内设计规范中尚无其设计方法。本课题将其在施工安装阶段的初始应力及使用阶段的长期持荷等典型特征综合考虑，系统研究该类组合构件在覆盖全生命周期过程中的典型各阶段的力学性能及工作机理。课题共设计了54根内配工字形钢钢管混凝土构件进行全寿命周期下受压试验研究，考虑钢管初应力部分的试件有12根，长期荷载部分试件有20根（含对比试件），考虑全生命周期试件共9根，其余为对比试件。截面形式涵盖了圆形、方形和矩形截面。主要试验参数是钢管初应力系数和长期荷载比。基于试验得到了不同工况下试件的典型破坏特征和受力机理等，进而初步了解该类组合构件在覆盖全生命周期过程中的典型各阶段力学性能。同时采用ABAQUS有限元分析软件建立基于全生命周期的数值模型，对各单一阶段及同时考虑钢管初应力和长期荷载共同作用下的内配型钢钢管混凝土构件进行分析得到了试件的荷载-变形全过程曲线、承载能力、延性等，并分析各参数对受压试件荷载-变形曲线以及各部件间相互作用的影响。研究结果表明全生命周期下构件在持荷阶段纵向变形发展主要集中在前100天内，考虑全生命周期后对轴压短柱承载力影响不显著，但对压弯构件承载力以及延性影响显著。基于数值模型进行大量参数分析得到考虑全寿命周期对内配型钢圆（方）钢管混凝土承载力影响规律，最终提出该类组合构件考虑施工因素和长期荷载作用等影响下的轴压和偏压承载力计算方法以及有关设计、构造等建议。