高强方钢管高强混凝土构件的静力性能

The use of high-strength materials can reduce the sectional dimensions of components, lower self-weight of structure, decrease the size of foundation and load and reduce seismic response of structure in building structures. Brittle failure of high-strength concrete can be prevented by the use of high-strength concrete filled steel tube, which can bring strength of concrete into full play and save cements, gravels and some other non-renewable resources. Compared with high-strength steel tube column, instability can be avoided as a reason of the more unfolding cross-section and larger inertia moment of high-strength concrete filled steel tube with the same steel consumption. Meanwhile high-strength concrete filled steel tube can prevent the local bucking of steel tube. The theoretical analysis, numerical modeling and experiment are carried out to study mechanical properties of axial compression short columns, middle long columns, long columns, beam columns, one-way eccentric columns, two-way eccentric columns,etc, and give members' computing methods of bearing capacity and deformation on the basis of studying indexes of bearing capability, constitutive relationship of high-strength concrete filled high-strength square steel tube and cooperative working mechanism of combining materials. And practical design method of various components of high-strength concrete filled square high-strength steel column is presented, in order to lay the theoretical groundwork for the application of this new structural system and make contributions to sustainable development of civil engineering.

在建筑结构中，使用高强材料可以减小构件截面尺寸、降低结构自重、减少基础尺寸和负荷、降低结构的地震反应。将高强混凝土灌入高强钢管可以防止高强混凝土发生脆性破坏，并能充分发挥高强混凝土的强度,还可以节约水泥、砂石等不可再生资源；与高强钢柱相比，用钢量相同情况下，高强钢管柱截面开展、惯性矩大，避免高强钢柱截面尺寸小易发生失稳的问题，将高强混凝土灌入可以防止钢管发生局部屈曲。本项目采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法，在研究高强方钢管高强混凝土组合材料的承载力指标、本构关系以及组合材料协同工作机理的基础上，研究高强方钢管高强混凝土轴心受压短柱、中长柱、长柱，纯弯构件，单向、双向偏心受压柱等的静力性能，提出以上各类构件的承载力、变形等的计算方法；提出高强方钢管高强混凝土各类构件的实用设计方法，为使这种新型结构体系能够应用于工程实践奠定坚实的理论基础,为实现土木工程的可持续发展做贡献。

为进一步满足低碳、节能、环保及增大建筑使用空间的要求，在钢管混凝土中，采用高强钢材、高强混凝土来代替普通钢材、普通强度混凝土是一种行之有效的办法。目前，我国关于钢管混凝土结构设计的主要规程在有些方面还不是很完善。因此，本项目对高强钢管高强混凝土构件的静力性能进行了深入的研究，主要研究工作与成果包括：. 进行了6个高强方钢管高强混凝土轴压短柱及18个轴压中长柱、长柱试验研究，并结合ABAQUS有限元分析，得到了轴压短柱荷载-纵向应变曲线及轴压中长柱、长柱荷载-中截面侧向挠度曲线等。将典型构件荷载-纵向应变曲线分为弹性段、弹塑性段、塑性强化段和下降段四个阶段，深入研究了构件的工作机理。基于高强方钢管及高强混凝土两种高强材料，给出在轴压荷载作用下组合材料的本构关系。在有限元参数分析的基础上，定义了轴压中长柱、长柱的界限长细比；得出高强方钢管高强混凝土轴压短柱、中长柱与长柱承载力计算方法与实用设计方法。. 进行了6个高强方钢管高强混凝土纯弯构件的试验研究，结合有限元分析，得到了纯弯构件的弯矩-曲率关系曲线等，研究了纯弯构件混凝土应力与应变分布、钢管应力与应变分布、各组分分别承担荷载的大小以及中性轴的变化规律等；分析了不同含钢率、钢管屈服强度、混凝土抗压强度对纯弯构件极限承载力、抗弯刚度、延性等的影响。得出了高强方钢管高强混凝土纯弯构件抗弯承载力计算方法与实用设计方法。. 进行了64个高强方钢管高强混凝土压弯构件试验研究，结合有限元分析，将典型构件荷载-中截面侧向挠度曲线分为弹性段、弹塑性段、塑性强化段和下降段四个阶段，深入研究了构件的工作机理。通过参数分析研究了偏心率、偏心角、长细比、混凝土强度、钢材屈服强度和含钢率对压弯构件力学性能的影响，得出单向及双向压弯构件承载力相关方程、设计公式及侧向变形计算方法。