华侨大学硕士学位论文薄壁钢管混凝土短柱基本力学性能研究姓名：金周申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：高轩能20080501华侨大学硕士学位论文 - I - 摘摘 要要 在传统的钢管混凝土工程中，经常采用的是管壁较厚的钢管混凝土。 已有的工程经验表明， 在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管， 可以减少钢材 用量，减轻焊接工作量，达到降低造价的目的。但是薄壁钢管在轴向荷载 下容易发生局部屈曲， 尤其是截面形状为方形或矩形时。 参照钢结构处理 局部屈曲的方法， 可沿薄壁钢管混凝土管壁纵向设置加劲肋， 利用加劲肋 的抗弯刚度为板件的面外提供约束变形的支撑点， 从而提高板件发生局部 屈曲的临界应力。 本文主要通过试验和理论分析对设肋和不设肋薄壁矩形 钢管混凝土结构的变形和受力性能进行了研究，主要包括以下几个方面： (1) 分别以板件宽厚比、加劲肋的抗弯刚度和焊接方式以及加荷方式 为研究对象，进行了 10 根薄壁方钢管混凝土短柱轴压力学性能的试验研 究。以荷载偏心率、截面高宽比、肋的焊接形式为主要变化参数，进行了 11 根带肋和不带肋薄壁矩形钢管混凝土短柱偏压力学性能的试验研究。 考察了薄壁钢管混凝土在轴压和偏压作用下的力学性能， 并分析了各参数 对试件力学性能的影响。 (2) 采用有限单元法对轴压、偏压构件的荷载变形全过程曲线进行 了数值计算， 计算结果与试验结果吻合较好， 说明了本文有限元分析的可 靠性。在此基础上，通过分析计算，回归了完全加劲时加劲肋所需要的刚 度计算公式， 并对带肋、 不带肋薄壁钢管混凝土力学性能进行了系统研究。 研究表明，加劲肋的设置能够有效改善薄壁钢管混凝土的局部屈曲性能， 增强钢管对核心混凝土的约束作用， 从而提高构件的轴压承载能力， 但对 延性的影响很小。 (3) 采用有限单元法对偏压带肋和不带肋构件受力过程中核心混凝土 的应力分布、钢管的破坏模态进行了研究，分析了荷载偏心率、截面套箍 系数和加劲肋的设置对力学性能的影响。 (4) 将本章和已有试验结果与国内外常见的规程计算结果进行了比 较，并在参数分析和试验研究的基础上，建议了带肋和不带肋薄壁钢管 混凝土短柱在轴压和偏压受力状态下的承载力实用计算方法，其计算结 果得到试验结果的验证，可为有关工程实践提供参考。 关键词：关键词：薄壁钢管混凝土；加劲肋；轴压；偏压；试验研究；有限元华侨大学硕士学位论文 - II - Abstract Usually, thick steel tubes are used in traditional engineering of concrete-filled steel tubes (CFST). Engineering experiences show that using thin-walled steel tubes in CFST engineering can reduce the consumption of steel, the workload of welding and cost of the project. However, the thin-walled steel tubes are prone to local buckling under axial pressure, especially for the square and rectangular cross-section shape. Referencing steel structure, layouting the longitudinal stiffeners along the thin-walled steel tubes of CFST can provide restrictions for plate panels, consequently postpone the occurrence of local buckling. Behavior and mechanism of Concrete filled thin-walled steel tubular beam-columns were investigated. Two kinds of section tubes were studied in this paper, that is, the stiffened concrete-filled thin-walled steel tubes (SCFTST) and the unstiffened concrete-filled thin-walled steel tubes (UCFTST). The main work in the dissertation includes: (1) Experimental tests on ten concrete-filled thin-walled tubular columns (CFTST) were axially carried out, the main experimental parameters were tube diameter-to-thickness ratio, flexural rigidity and welding ways of stiffener, loading ways. Eleven concrete-filled thin-walled rectangular steel tubular beam-columns were tested, where eccentricity ratio, depth-to-width ratio, welding ways of stiffener were selected as main varied parameters. The behavior of the thin-walled steel tubular columns was analyzed. Parametric analysis was performed on the influences of bearing capacities of the composite members. (2) Load-deformation relationship curves of CFTST subjected to compression and bending were analyzed by finite element method. The predicted load versus deformation relationship curves are in good agreement with those of tests，it demonstrated that the numerical method is reliable in predicting the load versus deformation relationship. A calculation method of flexural rigidity of stiffener was proposed by the finite element method. The 华侨大学硕士学位论文 - III - study shows that the stiffeners can improve the local buckling performance of CFTST efficiently, enhance the restriction to core concrete by steel tubes, consequently increase the axial compression capacity of members, however the influence on ductility is not obvious. (3) Stress distributions of concrete and failure modes of tubes were analyzed by finite element method to CFTST beam-columns. Parametric analysis was performed on the influences of mechanism of the composite members by the finite element method. The selected parameters were eccentricity ratio, depth-to-width ratio and stiffener, etc. (4) The experimental results are compared with the predicted ones on current design codes, and based on the parametric analysis, simplified calculation methods of bearing capacities of SCFST members subjected to compression and bending were proposed. Key words: concrete-filled thin-walled steel tubes; longitudinal stiffeners; axial compression; eccentric compression; experiment; finite element method 原创性声明原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享有和承担由此论文所产生的权利和责任。 学位论文作者签名：学位论文作者签名： 日期：日期： 学位论文版权使用授权声明学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学位论文和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅。 论文作者签名：论文作者签名： 指导教师签名：指导教师签名： 签签 名名 日日 期：期： 签签 名名 日日 期：期： 华侨大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 钢管混凝土的特性及发展概况钢管混凝土的特性及发展概况 钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube，简称CFST)构件是指在钢管中填充混凝土而形成的组合构件， 它是一种将钢管和混凝土的优点结合在一起而发展起来的新型结构构件形式。按截面形式的不同，钢管混凝土构件可分为圆形截面、方形截面、矩形截面和多边形截面(如图1-1)，其中圆形截面、方形截面和矩形截面钢管混凝土的应用较为广泛。 (a) 圆形截面 (b) 方形截面 (c) 矩形截面 (d) 多边形截面 图图 1-1 钢管混凝土截面形式钢管混凝土截面形式 钢管混凝土结构是混凝土与钢材的优良组合形式，两种材料取长补短，充分发挥了混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能，达到了优化组合的效果，其性能优于两种材料性能的简单叠加，表现出许多优良的结构性能和较高的经济技术指标： (1) 承载力高 混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，且具有良好的塑性性能，但在受压时容易失稳而丧失轴向承压能力。在钢管中填充混凝土，随着受压荷载的增大，钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态，其泊松比由0.283增大到0.5后就保持不变；而混凝土的泊松比