长期荷载作用下钢管煤矸石混凝土柱约束机理及力学性能研究

The gangue concrete filled steel tube columns, which are regarded as green and environmental protection high-performance new combination structures, can effectively reduce the demand of natural gravel and improve the recycling rate of waste gangue. The constraint effect of outer steel tube overcomes the disadvantage of poor durability and large discreteness of gangue concrete properties. However, the axial deformation and the axial stress in gangue concrete filled steel tube columns increase significantly when subjected to sustainable loads, which reduces the safety reserve of such members. In this context, research efforts should be devoted to the long-term behavior of gangue concrete filled steel tube columns, using theoretical analysis, numerical simulation and experimental research. For this purpose, the axial stress-strain relationship of gangue concrete prism and circular gangue concrete filled steel tubular short columns will be proposed based on the compressive tests; shrinkage and creep tests of gangue concrete as well as long-term test of circular gangue concrete filled steel tube will be conducted to set up the long-term analysis method; accounting for the influence of the long-term deformations of the gangue concrete based on the secondary development platform of the ABAQUS, the calculation procedures and design suggestions will be presented for circular gangue concrete filled steel tube columns. The research in this project will enrich and innovate the designing theory of concrete filled steel tubular columns and promote the engineering applications of gangue concrete filled steel tubular columns.

钢管煤矸石混凝土柱可有效降低天然砂石的需求量，显著提高废弃煤矸石的资源化利用率，是一种绿色环保的高性能新型组合结构。外部钢管的约束作用克服了煤矸石混凝土耐久性差、力学性能离散性大等缺点，但在长期荷载作用下，钢管煤矸石混凝土的轴向变形及钢管的轴向应力显著增大，降低了构件的安全储备。针对缺乏其长期荷载作用下力学性能研究的问题，以理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法开展系统研究：进行煤矸石混凝土棱柱体和圆钢管煤矸石混凝土短柱的轴压力学性能试验，提出考虑约束效应钢管煤矸石混凝土轴向应力-应变关系模型；进行煤矸石混凝土收缩徐变试验和圆钢管煤矸石混凝土短柱长期试验，建立圆钢管煤矸石混凝土柱长期变形分析方法；基于ABAQUS二次开发考虑煤矸石混凝土长期变形的影响，提出圆钢管煤矸石混凝土柱长期静力性能的计算方法与设计建议。研究成果将丰富并创新钢管混凝土柱的设计理论，推进钢管煤矸石混凝土柱的工程应用。

钢管煤矸石混凝土柱可有效降低天然砂石的需求量，显著提高废弃煤矸石的资源化利用率，是一种绿色环保的高性能新型组合结构。为研究钢管煤矸石混凝土柱在短期荷载和长期荷载作用下的轴压力学性能和破环模式，本项目进行了以下工作：1)基于煤矸石混凝土轴压试验结果，获得不同参数影响下的煤矸石混凝土弹性模量、峰值应变及极限应变，提出了考虑骨料取代率和物理性质综合影响的煤矸石混凝土单轴应力-应变关系通用表达式；基于钢管煤矸石混凝土轴压短柱试验结果，提出了考虑约束效应的圆钢管煤矸石混凝土轴向应力-应变关系表达式。2)基于煤矸石混凝土长期性能试验结果，引入煤矸石骨料取代率及骨料物理性质参数，建立了钢管煤矸石混凝土收缩与徐变预测模型；基于钢管煤矸石混凝土柱长期变形试验数据，确定了钢管煤矸石混凝土柱长期性能的关键影响因素；以逐步积分法为基准，采用截面分析法确定了长期荷载作用下钢管煤矸石混凝土柱收缩、徐变变形的简化分析方法。3)建立了圆钢管煤矸石混凝土柱静力性能的有限元分析模型，通过参数分析揭示了长期荷载作用下钢管煤矸石混凝土柱的约束机理，获得影响钢管煤矸石混凝土柱长期性能的关键因素，提出了长期荷载作用下钢管煤矸石混凝土柱静力性能的计算方法与设计建议。本项目研究成果将丰富并创新钢管混凝土柱的设计理论，为钢管煤矸石混凝土长期静力性能的评价提供理论依据，进一步完善钢管煤矸石混凝土力学性能的设计理论与计算方法，推动钢管煤矸石混凝土结构在建筑结构中的应用和发展，为固体废弃物资源化提供一条有效途径。