矩形钢管混凝土管壁的大挠度屈曲理论模型与DIC试验研究

Rectangular concrete-filled steel tube has great engineering application prospect for its advantages in large flexural stiffness, simplified joints structure and convenient construction in the truss beam, frame column and pier structure. As the width-to-thickness ratio of steel plate increasing, compressive rectangular steel tube is prone to taking on local buckling, then its ultimate capacity is controlled by the stability of steel plate instead of strength. At present, the steel plate stability theory takes post-buckling strength contribution into consideration, adopts the effective width-to-thickness ratio design method to calculate the ultimate capacity of plate. Due to the effect of lateral restraint by the core concrete, and steel tube buckling mode is different from ordinary one, especially for stress distribution on the stage of post-buckling is not clear, so it cannot calculate the local stability of rectangular concrete filled steel tubes by the traditional design method. This project focuses on the post-buckling mechanical properties of rectangular concrete- filled steel tube plate, bases on Digital Image Correlation (DIC) and large deflection theory of plate, carries out the local buckling visualization experiment and semi-analytical theoretical derivation of rectangular concrete-filled steel tube. The post-buckling strength of plate has influenced by the stress patterns, stiffened conditions and so on, and the design method of width-to-thickness ratio for rectangular concrete-filled steel tube plate will establish by taking these influences into consideration.

矩形钢管混凝土结构具有抗弯刚度大、节点构造简单、施工方便的优点，在桁架梁、框架柱、墩柱等结构的工程应用上前景广阔。随着管壁宽厚比的增加，受压矩形钢管容易发生局部鼓曲破坏，其极限承载力由钢材的强度控制变成钢板的稳定控制。目前，钢结构板件稳定理论考虑了板件屈曲后强度的贡献，使用有效宽厚比设计方法来计算板件的极限承载力。由于核心混凝土的侧向约束作用，钢管板件的局部屈曲模式不同于普通钢结构板件，特别在屈曲后阶段的钢管应力分布规律尚不明确，不能直接套用传统钢结构的设计方法进行矩形钢管混凝土局部稳定验算。本项目重点针对矩形钢管混凝土钢管板件的屈曲后力学性能，基于数字图像相关技术(DIC)和板的大挠度理论，拟对矩形钢管局部屈曲过程进行可视化试验和半解析理论推导。考虑受力模式、加劲条件等因素对板件屈曲后强度的影响，建立矩形钢管混凝土钢管板件的有效宽厚比设计方法。

矩形钢管混凝土作为轴压或偏压构件，常见于桥梁墩柱、桁架弦杆或超高层建筑的框架柱。这类结构的钢管一般采用宽厚比较大的板件，容易发生局部失稳。受内侧混凝土支撑的影响，受压钢管板件总是远离混凝土方向屈曲变形。钢管混凝土板件的屈曲模式与传统钢板件相比差异较大，现有的经典板壳理论成果不再适用。.为解决该问题，项目组以钢管混凝土壁板屈曲的力学性能为核心，开展其屈曲过程的理论分析与可视化试验研究。开展了板件屈曲模态、屈曲路径、屈曲荷载的可视化测量。给出了板件屈曲系数、有效宽度、屈曲平衡路径、界限加劲刚度以及宽厚比限值等参数的闭合解公式。主要研究成果如下：.(1) 对三维DIC的立体视觉匹配算法进行了改进，给出了板件屈曲变形的坐标变换方法，推导了板件中面薄膜力参数的插值公式，实现了DIC技术在板件屈曲模态与路径、荷载特征值、薄膜效应等参数测量的应用。.(2) 建立了单侧约束平板屈曲的泛函化构造公式，推导了以广义坐标向量为未知量的伽辽金积分方程。基于该理论模型，分别给出了单侧约束平板初始屈曲的迭代求解方法和后屈曲的摄动求解方法。.(3) 对单侧约束平板的初始屈曲问题进行了理论求解，给出了均匀受压、非均匀受压、设置单肋、设置多肋、设置PBL键等各类单侧约束平板屈曲的解析解。.(4) 对单侧约束平板的后屈曲过程进行了摄动求解，采用Koiter提出的平板后屈曲路径通式为摄动方程，以广义坐标向量为摄动参数，给出了单侧约束平板非线性后屈曲的解析解。.(5) 根据板件屈曲系数、有效宽度、屈曲平衡路径、界限加劲刚度以及宽厚比限值等重要参数的解析表达式，结合相关钢结构稳定设计方法，讨论了单侧约束平板考虑局部稳定的强度设计理论。.本课题旨在建立单侧约束板件局部屈曲行为的基本理论体系，完善以立体视觉为平台的板件屈曲参数量化的基本原理。这些基础工作对钢-混凝土组合结构板件的稳定设计方法提供了必要的理论和技术支撑，对完善钢管混凝土结构理论具有重要的理论意义。