非等壁矩形钢管粉煤灰混凝土构件承载性能的理论和试验研究

Due to the effective constraints on core concrete by outer steel tube, concrete-filled steel tube members, in which partially or even completely alternative with fly ash replacement cement as the binder material, also have ideal mechanical behavior and deformation properties. Used as structural elements, concrete filled steel tubes(steel core concrete columns) with square or rectangular cross section have more merits compared with ones of circular section, such as better resistance to flexture and simpler beam-column connections. In the same conditions of cross section area and steel ratio, concrete-filled non-uni-thickness walled rectangular steel tubes(CFNUTWRSTs) have more bending capacity compared with the uni-thickness walled ones. It is the optimal cross section of beam-column used as frame elements...Relative researches about high volume fly ash concrete filled non-uni-thickness walled rectangular steel tubes(HVFACFNUTWRSTs) have not been reported up to now. Our project is to focus on the mechanical behavior of HVFACFNUTWRSTs as beam-column members based on former works on high volume fly ash concrete and concrete filled steel tubes. Comprehensive studies will be carried out in fly ash concrete material design, cross section design, theoretical and experimental researches and structure test numerical simulations. The research project includes as below: 1. To find the strength variation laws of fly ash concrete in steel tubes. 2. To establish axial force-bending moment-curvature relationship for composite Mono-symmetric cross section of fly ash concrete filled non-uni-thickness walled rectangular steel tubes(FACFNUTWRSTs). 3. To obtain the strength variation laws of FACFNUTWRSTs for different volume fly ash, different concrete age, different thickness of steel tube, and different slenderness ratio of members. 4. To determine methods, and also to present a simplified analytic method, for computing the ultimate strength and stability capacity of FACFNUTWRSTs as beam-column members. ..The results of our project on HVFACFNUTWRST members will provide a new provident choice in structural design, and so, accelerate the progress of using the structure of concrete filled steel tubes in our country.

由于钢管对核心混凝土的有效约束，用粉煤灰部分甚至完全替代水泥作为胶凝材料的钢管混凝土构件也具有良好的承载能力和变形性能。方形、矩形钢管混凝土构件具有抗弯性能好、节点构造简单等优点。在截面和含钢率相同条件下，非等壁矩形钢管混凝土构件比等壁厚钢管混凝土具有更大的抗弯能力，是框架梁柱的优化截面形式。在已有研究的基础上，本课题对非等壁矩形钢管内填充高参量粉煤灰混凝土构件进行承载性能研究，通过材料设计、截面设计、模型试验、理论分析和结构试验数值仿真等途径，探讨粉煤灰混凝土在钢管约束下的强度变化规律，研究受压、受弯构件的承载性能随粉煤灰掺量、混凝土龄期、钢管壁厚、构件长细比等因素的变化规律，建立单轴对称非等壁矩形钢管粉煤灰混凝土组合截面的轴力-弯矩-曲率关系，确定构件的强度和稳定承载力计算方法和简化解析计算方法。本项目研究是钢管混凝土结构设计研究的一个新思路，它将更好地促进钢管混凝土结构的应用和发展。

为充分发挥材料的结构力学性能，组合截面构件尤其是钢管混凝土组合截面构件已被广泛应用于各种大型工程结构中。圆形及方、矩形钢管混凝土作为常见的截面形式，国内外已进行了大量研究，而对非等壁矩形钢管混凝土则研究较少。后者作为一种优化的截面形式，与钢筋混凝土更为类似，有更为良好的承载性能。同时，在钢管混凝土结构中掺入粉煤灰，尽可能取代水泥，具有降低成本、保护环境的作用。因此对非等壁矩形钢管粉煤灰混凝土构件承载机理和性能的研究有着重要的理论和现实意义。. 本项目第一部分进行钢管粉煤灰混凝土的材料设计，对粉煤灰活性激发剂进行了试验研究，对核心粉煤灰混凝土的配合比进行设计，对粉煤灰混凝土的抗压强度和应力-应变全曲线进行了测试，并提出了粉煤灰混凝土抗压强度以及应力-应变全曲线的计算公式。. 第二部分对非等壁矩形钢管粉煤灰混凝土组合截面（单轴对称）核心区大小，轴心受压载荷位置（物理形心），非等壁矩形钢管粉煤灰混凝土构件在受弯、偏压下的承载力计算分别进行了理论研究，提出了相应的理论计算公式，并给出实用的设计计算方法。. 第三部分对非等壁矩形钢管粉煤灰混凝土构件进行受弯、偏压的试验研究，考虑的因素主要有粉煤灰的掺量、截面含钢率、柱长、偏心距等因素，并将试验结果与理论预测结果进行对比，两者吻合较好，验证了理论分析的正确性。. 第四部分对非等壁矩形钢管粉煤灰混凝土受弯、偏压构件的数值模拟方法进行研究，提出了适用于有限元分析的核心粉煤灰混凝土的本构模型，并与试验结果进行对比，两者吻合较好，验证了有限元模拟方法的正确性。. 第五和六部分分别对非等壁矩形钢管高强混凝土受压和受弯构件进行研究，通过试验研究、有限元模拟、理论分析探究受压构件的力学性能，主要分析非等壁矩形钢管混凝土构件的管壁厚度对承载性能的影响，理论结果和有限元结果均与试验结果吻合较好，验证了理论以及数值模拟的正确性。. 本项目在非等壁矩形钢管粉煤灰混凝土以及非等壁矩形钢管高强混凝土领域给出了大量首次得到的研究成果，为非等壁矩形钢管粉煤灰混凝土构件和非等壁矩形钢管高强混凝土构件的进一步研究和工程应用提供了重要的理论依据和实用参考价值。