华中科技大学硕士学位论文钢管初应力对钢管混凝土构件性能影响的研究姓名：熊德新申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：朱宏平;查晓雄20050428I摘 要 钢管混凝土结构的应用越来越广泛在多层和高层钢管混凝土结构的实际工程中一般都是先安装空钢管梁和支撑等在安装完若干楼层结构后再向管内浇灌混凝土因此在混凝土凝固并能够与钢管共同承载之前空钢管就承受了一定的荷载作用包括混凝土自重施工荷载等在钢管中就产生了初应力和初应变一些研究表明钢管初应力对钢管混凝土结构的工作性能有重要影响 本文利用大型非线性有限元分析软件 ABAQUS 对钢管初应力作用下钢管混凝土构件受力全过程的性能进行了模拟其中主要研究了钢管初应力对方钢管混凝土轴压短柱轴压长柱和偏压构件等承载力的影响规律讨论了初应力率长细比偏心率等参数的影响最后利用数值分析软件 MATLAB 对前面的有限元模拟结果进行了分析初步提出了钢管初应力影响方钢管混凝土构件承载力折减系数的简化计算公式并对初应力影响系数如何在规范公式中应用进行了说明此外为了验证有限元分析的可靠性将有限元分析结果与试验结果进行了对比对比分析表明两者十分吻合 通过本文的分析发现 初应力的存在主要使得混凝土对构件承载能力的贡献减少构件的变形与挠度增大承载力降低其中初应力率长细比和偏心率对初应力影响系数有重要影响初应力率和长细比越大初应力的影响越大长细比较小时在一定的偏心率范围内 偏心率越大 初应力的影响反而越小 在长细比或偏心率较大时偏心率越大初应力的影响可能越大本文的结论可以为设计施工人员在钢管混凝土结构现实工程中解决初应力问题提供依据 关键词钢管混凝土初应力承载能力性能 I IAbstract The application of concrete-filled steel tubular structures has become widespread in recent decades. In practical construction of multi-storied buildings and skyscrapers, the hollow steel tubes are usually fixed first with steel beams, bracing structures and so on, and then the concrete is pumped into the hollow steel tubes after establishing several or even dozens of stories. Therefore, before the concrete has been solidified and could carry load together with the steel tubes, the steel tubes usually are pre-subjected to some load, including the gravity of core-concrete, working load, etc., which produce initial stresses and strains in steel tubes. There have been some reports based on tests and theoretical analyses, which address the importance of considering the influence of the initial stresses. In this thesis, a numerical investigation has been presented on the effect of initial stresses on the behaviors of concrete-filled steel tubes, adopting the general finite element nonlinear analysis package ABAQUS. It mainly analyses how the initial stresses influence the load-carrying capacity of the concrete-filled square steel tubular members, including axially loaded short columns, axially loaded long columns, beam-columns, etc. Some parameters are studied such as initial stress ratio, slenderness ratio, eccentricity ratio, etc. At last, the numerical results from finite element analysis are summarized by adopting the package MATLAB, some simplified formulae are primarily deduced, and some recommendations on how to consider the effect of initial stresses in design formula are also provided. In addition, in order to verify the reliability, results are compared with the existing experimental data, and it shows that they are consistent very well. This investigation shows that the effect of initial stresses makes the concrete contribute less to the load-carrying capacity, the deformations and deflections become larger, and the I I Iload-carrying capacities reduce. Of all the parameters, the intial stress ratio, the slenderness ratio and eccentricity ratio have more important influence on the effect of intial stresses. The larger the intial stress ratio and slenderness ratio, the larger the effect of the initial stresses; when the slenderness ratio and eccentricity ratio are not very large, the larger the eccentricity ratio, the smaller effect of the initial stresses; while the slenderness ratio or initial stress ratio go beyond some range, the larger the eccentricity ratio, maybe the larger effect of the initial stresses. All of these conclusions could be references for engineers in practical construction. Keywords: concrete-filled steel tube, initial stress, load-carrying capacity, performance 1 1 绪 论 1.1 本文研究目的与意义 钢管混凝土通常是指在钢管中填充混凝土而形成的构件按截面形式不同可分为圆钢管混凝土矩形包括方形钢管混凝土及多边形钢管混凝土等圆钢管混凝土柱受压时具有诸多优点 在实际工程中应用最多 往往成为钢管混凝土柱的代名词方形矩形钢管混凝土柱因外形在建筑上有利主要应用于多层和高层民用建筑中内填混凝土强度级别较高的又称为钢管高强混凝土柱1-5 早期在钢管外包或内填混凝土的主要目的是防止钢管锈蚀和防火如早在 1879年英国赛文Seven铁路桥的建造中采用了钢管桥墩在管中灌了混凝土以防钢管内壁锈蚀为了满足防火要求在一些高层钢结构中在钢梁和钢柱外面包上了混凝土形成了组合梁和组合柱但当时并未考虑混凝土受力如 1889 年在美国芝加哥建成的 9 层全钢框架高楼以及 1891 年建成 20 层钢结构麦索尼教堂Masonic Temple等 1, 5 后来人们发现由于混凝土的存在钢管混凝土构件的承载力大大提高于是一些研究者开始对钢管混凝土构件的力学性能展开系统的研究如 Gardner J.和Jacobson E. R.6在 1967 年对 22 个圆钢管混凝土柱进行了实验研究构件的径厚比D/t为 30-40研究结果表明钢管混凝土达到极限状态时钢材已经达到承载力极限但混凝土还没有达到承载力极限状态另外研究还发现由于钢管和核心混凝土之间的相互作用钢管达到极限状态时的变形较空钢管大为增加同时期的研究者还有 Furlong R. W.(1967,1983)7, 8Neogi P. K.等(1969)9Knowles R. B.和 Park R.(1969,1970)10, 11Bode H.(1973)12Morishita Y.等(1979)13, 14等上述研究主要集中在钢管混凝土构件的静力性能除此之外从上个世纪 80 年代以来钢管混凝土的抗震性能耐火性能长期荷载作用下的性能等均逐步得到研究如 Morishita Y.2 和 Tomii M.(1982)15Aval S. B. B.等(2002)16Lie T. T.和 Chabot M.(1990)17Wang Y. C.(1997,2000)18, 19Ichinose L. H.等(2001)20Uy B.(2000)21等等 我国开展钢管混凝土结构研究工作虽较晚22-26但起点较高理论研究一直处于国际领先水平 已经取得了一系列的研究成果 主要的研究者有钟善桐1, 4蔡绍怀2韩林海3, 27-30沈祖炎31, 32张素梅33王湛34, 35查晓雄5, 36等基于这些研究成果先后颁发了几本有关钢管混凝土结构设计方面的技术规程其中最有影响力的计算圆钢管混凝土柱的行业规程有三部国家建筑材料工业局标准钢管混凝土结构设计与施工规程JCJ 0189中国工程建设标准化协会标准钢管混凝土结构设计与施工规程CECS2890中华人民共和国电力行业标准钢 混凝土组合结构设计规程DL/T 50851999计算矩形钢管混凝土柱的行业规程有一部中国标准化协会标准矩形钢管混凝土柱结构技术规程CECS1592004另外还有一些地方性标准如福建省工程建设地方标准钢管混凝土结构技术规程DBJ 13-51-2003等 钢管混凝土结构得到广泛应用和研究是因为该结构具有很多优点1-31 承载力高在圆钢管混凝土受压构件中由于钢管的约束混凝土三向受压强度提高同时内填混凝土避免或延缓薄钢管发生局部屈曲承载力远大于二者单独承载力之和方钢管和矩形钢管对混凝土的约束效果虽然没有圆钢管好 但能增强构件的延性2具有良好的塑性和