方钢管混凝土柱轴压承载力尺寸效应研究

The section size of concrete-filled steel tube is increasing with the development of high-rise buildings and long-span arch bridges, and the problem of size effect becomes more prominent, which may reduce the load-carrying capacity and safety reserve of such members. Due to weak confining pressure, the effect of column size on concrete-filled square steel tube is much more significant than that on concrete-filled circle steel tube. In this context, research efforts are focused on the size effect behavior of concrete-filled square steel tube in load-carrying capacity by using experimental research, theoretical analysis and numerical simulation. For this purpose, the size-dependent stress-strain relationship of square concrete will be proposed firstly based on the compressive tests and size effect law. Then, the axially loaded tests of concrete-filled square steel tube will be conducted to develop the size effect model of non-uniformly confined concrete using stress-strain analysis method. By accounting for the difference of size effect of the concrete in effectively confined area and ineffectively confined area, the numerical size effect model will be proposed in MATLAB, and the calculation method of concrete-filled square steel tube with giant section will be presented on basis of parameter analysis. The research in this project will not only enrich the existing theory of concrete-filled steel tube and promote the engineering application of concrete-filled square steel tube with giant section, but also lay the foundation to study the size effect of concrete-filled steel tube with rectangular or special-shaped section.

随着建筑高度及拱桥跨度的不断增加，钢管混凝土截面尺寸不断增大，其尺寸效应问题日益突出，进而使得构件承载力减小、安全储备降低。相比于圆钢管混凝土，方钢管混凝土由于约束作用较弱其尺寸效应更为显著。针对方钢管混凝土轴压承载力尺寸效应问题，本项目拟采用试验研究、理论分析与数值计算相结合的方法开展系统研究：首先，进行方形素混凝土轴压力学试验，结合混凝土尺寸效应经典理论，完善素混凝土轴压应力-应变关系模型；然后，进行方钢管混凝土轴压力学试验，基于剥离分析方法提出非均匀约束核心混凝土尺寸效应模型；最后，通过考虑有效与非有效约束区混凝土尺寸效应的差异，在MATLAB中建立方钢管混凝土尺寸效应数值模型，基于系统的参数分析提出考虑尺寸效应影响的大尺寸方钢管混凝土轴压承载力设计方法。研究成果不仅能丰富钢管混凝土设计理论，有效推动大尺寸方钢管混凝土在工程中的应用，也可为矩形和异形钢管混凝土的尺寸效应研究奠定基础。

随着现代工程向大跨、重载、高耸方向的发展趋势，钢管混凝土构件的巨型化是未来的发展趋势与必然，尺寸效应对其承载力的影响问题也凸显出来。本项目以方形素混凝土及方钢管混凝土轴压构件为研究对象，对其尺寸效应模型及尺寸效应规律进行研究。. 本项目主要工作为：（1）通过考虑混凝土骨料的随机分布特性及砂浆自身的尺寸效应特性，建立了可靠的混凝土细观骨料模型，该模型能够较好反映混凝土抗压强度尺寸效应规律。（2）通过对混凝土细观骨料模型施加侧向约束力，分析了约束水平对混凝土抗压强度提高和尺寸效应抑制的双重作用，基于大量参数分析提出了约束混凝土峰值应力尺寸效应理论公式。（3）发现砂浆弹性模量、峰值应变及下降段系数约为相同强度混凝土的0.8、1.8和1.5倍，考虑砂浆与混凝土在弹性模量、峰值应变、下降段系数等力学性能指标的差异，提出了可靠的混凝土细观骨料三维模型，该模型能够准确反映约束混凝土的力学性能及横向膨胀状态，可用于方钢管混凝土力学性能研究。（4）基于方钢管混凝土细观三维模型，分析了方钢管与核心混凝土的荷载分配，研究发现峰值荷载时刻方钢管纵向应力约为屈服应力的0.64倍。结合约束混凝土尺寸效应，提出了考虑尺寸效应影响的方钢管混凝土轴压承载力理论公式，并最终完成了方钢管混凝土峰值应力尺寸系数表。. 上述研究成果不仅能进一步完善方钢管混凝土的设计理论、指导大尺寸方钢管混凝土在工程实践中的设计与应用，还可为矩形钢管混凝土柱及多腔异型钢管混凝土柱的尺寸效应研究与应用奠定基础。