长期荷载作用下钢管约束钢筋混凝土柱静力性能与设计

Steel tube confined reinforced concrete columns have a promising future in the structural applications for their high load-bearing capacity and satisfactory ductility, seismic and fire performance. This innovative type of columns provide an effective structural substitution for traditional reinforced concrete columns and concrete filled steel tubular columns, and are suitable to be used as the short columns under high stress levels in the high or super high-rise structures, large heavy-load structures and large-span structures. Time-dependent deformations caused by creep and shrinkage of the concrete significantly affect the structural behavior of steel tube confined reinforced concrete columns at service loads. However, neither research report nor relative code on the time-dependent behavior of steel tube confined reinforced concrete columns is available now, which restricts the application and promotion of this composite structure. This project will conduct extensive experimental and numerical study on circular steel tube confined reinforced concrete columns to investigate their time-dependent static behavior and design methods. Particular attention will be drawn on the working mechanism of the time effects of the columns under sustained loading. The shrinkage and creep models to predict the long-term responses of the columns will then be established, and the static design method accounting for the time effects will also be proposed. The research in this project will improve the designing theory of the steel tube confined reinforced concrete columns, and is expected to contribute to their engineering applications.

钢管约束钢筋混凝土柱承载力高、延性好、施工方便、抗火性能好，是对传统钢筋混凝土和钢管混凝土柱的改进，在高层及超高层结构、大型复杂重载结构和大跨度结构中具有广阔的应用前景，尤其适用于承受高轴压比荷载作用的低剪跨比框架柱。高轴压比长期荷载作用下，混凝土时效作用引起的长期变形将降低钢管约束钢筋混凝土柱的安全储备。然而，目前尚无钢管约束钢筋混凝土构件长期静力性能的研究报道，更无设计规范、规程可依，制约了该类新型组合结构的推广应用。为此，本项目将针对长期荷载作用下圆钢管约束钢筋混凝土柱静力性能与设计进行系统的试验研究和理论分析，揭示圆钢管约束钢筋混凝土柱长期变形的工作机理，确定合理可靠的圆钢管约束钢筋混凝土柱的收缩徐变预测模型，提出考虑收缩徐变影响的圆钢管约束钢筋混凝土柱的静力性能设计方法，进一步完善钢管约束钢筋混凝土结构的设计理论，推进钢管约束钢筋混凝土结构的工程应用。

钢管约束钢筋混凝土在工程中常作为结构柱使用，混凝土时效作用引起的长期变形将降低钢管约束钢筋混凝土柱的安全储备。作为钢管约束混凝土构件的延伸，钢管约束钢管混凝土将发挥钢管约束混凝土和钢管混凝土的优势，在结构柱中也具有广阔的应用前景。但目前对钢管约束混凝土构件长期性能的研究尚处于起步阶段，制约了此类构件的工程应用。为此，本文针对长期荷载作用下钢管约束混凝土构件的静力性能展开研究：.（1）研究了长期荷载作用下混凝土在三向受压状态下的徐变预测模型，获得了考虑混凝土分别与钢筋和钢管之间相互作用的轴心受压钢管约束钢筋混凝土短柱长期变形的计算理论。.（2）进行了24个钢管约束混凝土短柱试件的长期持荷试验，持荷时间达600天。长期变形试验结果表明，徐变主要发生在前100天；混凝土强度等级越小，加载龄期越早，试件徐变系数终值越大。此外，进行了2个钢管约束混凝土柱的轴心受压试验，研究获得了满足混凝土多轴徐变理论的应力比范围。.（3）通过理论分析，建议采用EC2模型进行钢管约束钢筋混凝土短柱长期变形预测，且相对湿度取80%。分析表明，外部钢管对核心混凝土产生的横向约束作用显著减小了混凝土的长期变形。对各徐变简化计算方法用于钢管约束钢筋混凝土徐变预测模型的可靠性进行了对比分析，确定了各简化设计方法的应用范围。.（4）建立了钢管约束混凝土长期性能分析的宏观有限元模型，研究了核心混凝土强度等级、加载龄期、总含钢率和内外钢管含钢率比例对钢管约束混凝土构件长期变形的影响。结果表明：总含钢率和内外含钢率比例在临界值内对构件徐变系数影响较大。.（5）首次建立了钢管约束混凝土构件长期性能分析的缩尺细观模型，研究了构件在细观尺度上的徐变机理，分析了内层钢管与核心混凝土之间和骨料与砂浆之间的应力重分布。结果表明，两组应力重分布共同作用下，砂浆竖向应力逐渐降低且应力不均匀性增大。