双钢板-混凝土组合结构的钢板局部屈曲和屈曲后性能研究

Concrete-filled double-steel-plate (CFDSP) composite structures are innovative and high-efficient structures developed in recent years. CFDSP composite structures have potential uses in various types of structures, such as the core tubes of super high-rise buildings, nuclear power plants, offshore structures, and so on. The local buckling and post-buckling behavior of the surface steel plates in CFDSP composite structures has a great effect on the load-carrying and deformation capacities of CFDSP composite structures, and it is also an important factor that affects the design of connection configurations. However, so far, no systematic and in-depth studies have been conducted on the local buckling and post-buckling behavior of the steel plates in CFDSP composite structures. This project plans to study the force-deformation behavior of the surface steel plates after buckling using experimental method and finite element analyses. Based on the results from the experimental study and finite element analyses, the computation methods for the critical buckling stress, post-buckling strength and deformation capacity are to be developed using some mechanics theories and mathematical method. After that, the methods for determining the force-deformation relationship of the surface steel plates under compression and tension-compression cyclic loading are to be established. On these bases, a rational design method for the connection configurations of CFDSP composite structures is to be proposed. The achievement of this study will improve the design and analysis methods of CFDSP composite structures, and promote the application of CFDSP composite structures in engineering practice.

双钢板-混凝土（CFDSP）组合结构是近年来发展起来的一种新型、高效的结构形式，在超高层建筑核心筒、核安全壳和近海结构等各类结构中都有广阔的应用前景。CFDSP组合结构的钢板局部屈曲和屈曲后行为对CFDSP组合结构的受力性能具有重要影响，同时也是影响连接构造设计的一个重要因素，但目前对这方面的研究还非常有限。本项目计划采用试验和有限元分析，研究不同连接构造形式下的钢板的局部屈曲机制、屈曲后的受力和变形机制以及承载力退化阶段的塑性破坏机制等；在此基础上，采用板件的稳定理论等力学原理和统计分析等数学方法，建立钢板的临界屈曲应力、屈曲后强度和变形能力的计算方法，进而建立钢板在轴压和拉压往复荷载作用下的力-变形关系的计算方法；基于上述研究，提出CFDSP组合结构的合理的连接构造设计方法。研究成果将完善CFDSP组合结构的设计与分析方法，促进CFDSP组合结构在实际工程中的推广应用。

双钢板-混凝土组合结构是近年来发展起来的一种高效的结构形式。它可作为超高层结构的核心筒剪力墙，也可应用与核安全壳和一些防护结构中。在双钢板-混凝土组合结构中，外包钢板和内填混凝土之间的连接构造是保证两者协同工作的重要措施，也影响着外包钢板的局部稳定性能。目前常用的连接构造包括竖向隔板和对拉钢筋（螺杆）两类。本项目分别对采用这两类连接构造的双钢板-混凝土组合结构的钢板局部屈曲性能开展了系统研究。针对竖向隔板连接构造，提出了一种新型试验方法，可用于直接测量轴压下钢管和内填混凝土所承担的轴压力。对不同宽厚比的方钢管混凝土柱开展了轴压试验。基于试验结果，对已有钢管受压强度计算公式进行了评估，提出了设计建议。基于试验得到的钢管应力-应变曲线，对现有的钢管应力-应变模型进行了修正，建立了可靠的钢管应力-应变模型。针对对拉钢筋（螺杆）构造，对采用不同宽厚比和对拉钢筋间距的试件开展了轴压试验。试验结果表明：当距厚比为1/2时，对拉钢筋的约束对钢板局部屈曲性能的提升不明显；当距厚比减小至1/3时，对拉钢筋的约束能显著提升钢板的局部屈曲性能。为进一步研究钢板受压承载力，采用有限元方法对相应钢板的弹性局部屈曲应力进行了分析，建立了弹性局部屈曲应力的计算公式。基于试验和弹性局部屈曲分析结果，提出了带对拉钢筋双钢板-混凝土组合结构中的钢板受压强度和残余强度计算公式。项目研究成果完善了双钢板-混凝土组合结构的设计与分析方法，将有效促进双钢板-混凝土组合结构在实际工程中的推广应用。