外方内圆复合不锈钢管混凝土柱力学性能与设计方法研究

Corrosion protection of the steel structures has been a key problem in engineering for a long time. After reviewing a lot of literatures and investigations, the composite-sectioned concrete-filled stainless steel tube structures were put forward. If the composite-sectioned structures were used, anticorrosion coating could be reduced as well as its repair process after the steel structure were built up, and due to the constraint of circular steel tube to core concrete, less stainless steel would be required with a lower engineering cost. The constraint effect of inside and outside steel tubes to core concrete is quite complicated, so study on the working mechanism of composite-sectioned concrete-filled square stainless steel tube stub columns reinforced with circular steel tubes, pure bending specimens and beam-column specimens will be carried out in this project, using combined method of experimental study, theoretical analysis and parametric analysis. Numerical models were verified and constraint effect of steel tubes to core concrete and core concrete strength were studied from the tested data. And then, working mechanism on the status of axial compression, pure bending and beam-column specimens was clarified. Based on the tested and parametric analysis results, the simplified design method of the bearing capacity and stiffness of composite-sectioned stainless steel tube columns could be provided, in purpose of providing reference in the further study or application of this kind of structures.

钢结构防腐一直是实际工程中必须面对的问题，项目组在大量查阅文献和调研的基础上提出了一种新型复合不锈钢管混凝土结构，采用此类结构可减少防腐工序及防腐涂层的后期维护，并通过内置圆钢管形成复合截面减少不锈钢材料的用量，降低工程造价。内外钢管的复杂约束作用使得复合不锈钢管混凝土结构工作机理较为复杂。本项目拟采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法开展研究工作：对外方内圆复合不锈钢管混凝土轴压短柱、纯弯试件和压弯试件的力学性能展开试验研究，分别考察内、外钢管约束效应及核心混凝土强度等参数变化的影响规律，为数值模型提供验证；结合理论分析，明晰复合不锈钢管混凝土柱在轴压、纯弯和压弯状态下的工作机理；基于试验研究和参数分析结果，获得复合钢管混凝土柱的轴压极限承载力、稳定承载力、抗压及抗弯刚度和压弯相关方程的实用计算方法，为该类结构的深入研究和应用提供参考。

钢结构防腐一直是实际工程中必须面对的问题，本项目中新型复合不锈钢管混凝土结构项目组在大量查阅文献和调研的基础上提出的，采用此类结构不但具有承载力高、延性好、抗震性能好的优点，还可减少防腐工序及防腐涂层的后期维护，并通过内置圆钢管形成复合截面减少不锈钢材料的用量，降低工程造价。不锈钢材料的非线性和内外钢管的复杂约束作用使得复合不锈钢管混凝土结构工作机理较为复杂，与普通钢管混凝土柱有较大不同。.本项目对外方内圆复合不锈钢管混凝土轴压短柱、纯弯试件和压弯试件的力学性能展开试验研究和理论分析。总共进行了18根轴心受压柱（变化参数：外钢管厚度、内钢管直径、内钢管厚度、内外混凝土强度、是否填充再生混凝土块体等）、5根纯弯试件（变化参数：外钢管壁厚、内钢管直径、内钢管厚度和混凝土强度、是否填充再生混凝土块体等）和15根偏心受压柱（变化参数：内钢管直径、偏心率以及是否填充再生混凝土块体等）的力学性能试验研究，获得了极限承载力、变形（应变）、刚度、荷载-位移曲线等一系列重要的试验数据。对内、外钢管的约束效应及核心混凝土强度等参数变化下承载力、变形等力学性能的变化规律进行研究；建立了非线性分析模型，分析复合不锈钢管混凝土柱在轴压、纯弯和压弯状态下的工作机理。基于试验研究和参数分析结果，获得复合钢管混凝土柱的轴压极限承载力、刚度和压弯相关方程等的实用计算方法。复合钢管混凝土柱截面中的内钢管直径与外钢管边长之比宜在0.7~0.8左右，且以圆形钢管混凝土截面的约束效应较高为宜，以使得整个复合钢管混凝土柱的力学性能趋于更优。.由于方形钢管与圆形钢管对核心混凝土的约束效应不同，复合钢管混凝土柱达到极限承载力时并不同步，因此采用简单叠加的方法来计算复合钢管混凝土柱的极限承载力会使计算结果偏大，而使得设计偏于不安全，应充分考虑这种方形和圆形截面的不同步现象。项目所提及的复合钢管混凝土柱极限承载力的简化计算公式简单明了、具有较强的可行性和便捷性。.复合不锈钢钢管混凝土柱是一种新颖的结构形式，有望满足高承载力、高冲击（抗爆）、复杂环境（高腐蚀性或海洋性环境等）以及较高抗火性能等情况下的结构应用，具有非常广阔的市场应用前景。本项目所进行的研究内容仅为该类结构性能研究中的小部分前期基础，项目组仍将继续该类结构的持续研究工作，以早日推动此类结构的实际应用。已有研究成果可为该类结构的深入研究和应用提供参考。