圓端形鋼管混凝土受壓力學(xué)性能與可靠度研究.pdf

1、目前國內(nèi)外關(guān)于鋼管混凝土的研究主要集中在圓形和矩形鋼管混凝土，對(duì)異形鋼管混凝土的研究還較少。異形截面鋼管混凝土具有截面形式靈活、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造多樣及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在工程中已被逐漸應(yīng)用。武漢后湖大橋采用單索面非對(duì)稱獨(dú)塔圓端形鋼管塔柱，是一種創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)形式。針對(duì)圓端形截面鋼管混凝土構(gòu)件，如何計(jì)算其承載力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最基本、最可靠的研究工作是通過模型試驗(yàn)來研究該類構(gòu)件的力學(xué)行為，結(jié)合理論分析對(duì)比，校正模型，彌補(bǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足的缺陷，從而為結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　 本文依托武漢后湖大橋工程實(shí)際，通過圓端形鋼管混凝土軸壓試驗(yàn)、偏壓試驗(yàn)及有限元分析，系統(tǒng)研究了圓端形鋼管混凝土抗壓力學(xué)性能，進(jìn)而基于可靠度理論，利用ANSYS可靠度分析模塊，對(duì)圓端形鋼管混凝塔柱可靠度進(jìn)行了分析。本文進(jìn)行的主要工作和取得的成果有：
　　 第一，基于工程實(shí)際，進(jìn)行大尺寸圓端形截面鋼管混凝土試件軸心受壓試驗(yàn)、偏心受壓試驗(yàn)，軸壓試驗(yàn)表明：軸向荷載作用下，圓端形鋼管混凝土試件具有較好的承載能力

3、，但由于角部應(yīng)力集中，套箍效應(yīng)引起的試件強(qiáng)度提高有限；套箍力分布不均勻，其在鋼管壁的分布與鋼管形狀有很大關(guān)系；由于本試件套箍系數(shù)較小，鋼管對(duì)核心混凝土的約束不大，試件破壞整體表現(xiàn)出脆性破壞的特征。偏壓試驗(yàn)分析表明：偏心率是影響試件偏心受壓力學(xué)性能的主要因素，隨著偏心距的增大，承載力不斷降低：在偏心距較大的工況下，試件荷載-橫向位移曲線彈性工作階段較短，承載能力降低較多；極限荷載作用下，圓弧與直線段交接處鋼管焊縫首先開裂，試件破壞時(shí)，鋼管

4、受壓區(qū)邊緣已達(dá)到屈服，而另一側(cè)尚處于彈性受拉階段。
　　 第二，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)圓端形鋼管混凝土軸心受壓及偏心受壓進(jìn)行了有限元模擬。研究表明：摩擦系數(shù)的變化對(duì)圓端形鋼管混凝土試件的軸心受壓承載力影響很?。缓诵幕炷恋膹?qiáng)度對(duì)鋼管混凝土軸壓承載力提高影響不大；鋼材強(qiáng)度對(duì)軸心受壓試件彈塑性影響較大；相同含鋼率的情況下，鋼材的強(qiáng)度越大，圓端形鋼管混凝土軸心受壓的承載力越高，試件的延性越強(qiáng)。對(duì)于圓端形鋼管混凝土偏心受壓試件，隨著長細(xì)比的

5、增加，圓端形鋼管混凝土的承載力降低，彈性工作階段縮短，而彈塑性工作階段延長；隨混凝土強(qiáng)度的增大，相對(duì)屈曲系數(shù)逐漸變?。浑S著鋼材強(qiáng)度增大，試件承載力不斷提高，但承載力提高趨勢趨緩；隨著鋼管壁厚增加，試件的承載力越高，延性增強(qiáng)。
　　 第三，基于統(tǒng)一理論，結(jié)合試驗(yàn)及有限元模擬，擬合得到適合于圓端形鋼管混凝土軸心受壓、偏壓試件的承載力計(jì)算公式，并將公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果及有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，吻合良好。
　　 第四，基于可靠

6、度理論及ANSYS可靠度分析模塊，對(duì)后湖大橋圓端形鋼管混凝土塔柱，采用蒙特卡洛法和響應(yīng)面法進(jìn)行可靠度分析。研究表明：對(duì)于以應(yīng)力作為輸出控制指標(biāo)的可靠度計(jì)算而言，抗拉強(qiáng)度滿足要求的結(jié)構(gòu)可靠度為98.69％，抗壓強(qiáng)度滿足要求的結(jié)構(gòu)可靠度為98.89％。上述分析表明，有限元理論與可靠度理論的有機(jī)結(jié)合，可應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠性分析。
　　 對(duì)于圓端形這種特殊截面鋼管混凝土，本文給出了大量首次發(fā)表的研究成果，揭示了圓端形鋼管混凝土受壓力學(xué)