高层连续性施工对钢管混凝土柱性能影响的试验和理论研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yu0426
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目前钢管混凝土结构广泛应用于高层超高层建筑结构中,这不仅要归功于其优越的力学性能和抗火抗腐抗震抗冲击等特性,还得益于其经济高效的施工模式。空钢管具有施工模板的作用,避免了普通混凝土结构施工中模板安装拆卸的相关工作,同时还可以做为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构自重,在管内混凝土未完全硬化时能够支撑下一阶段空钢管架设和混凝土的浇筑等荷载,从而加快工程进度。这样就使得钢管承受了比正常情况时更大的应力,混凝土未完全硬化就在早龄期承受荷载,以及混凝土早龄期更显著的徐变和弹性模量变化,更加大了钢管提前进入屈服的可能,影响钢管混凝土构件的稳定性能。而目前规范中相关公式与构件性能几乎都基于硬化成熟的钢管混凝土试件的研究,对上述问题影响的研究将具有重要的工程意义。  本文通过试验、有限元模拟和理论分析对问题进行了研究。并根据试验验证校核了有限元模拟分析的正确性和适应性,分析了施工中各参数的影响。还推导了钢管混凝土柱龄期强度公式,建立了适用于钢管混凝土分级施工的构件挠度递推模型,从而将施工影响等效转化为构件初始弯曲问题,进而利用伯利公式分析施工各因素对钢管混凝土柱稳定承载力的影响。本文具体内容将主要包括以下研究工作:  本文试验研究了钢管混凝土柱龄期强度的发展,以及分级加载时钢管混凝土柱徐变后的龄期强度。实际工程中常使用膨胀剂弥补管内混凝土的收缩影响,试验还进行了膨胀剂体积比不同时早龄期分级加载的钢管混凝土柱的徐变试验,并进行徐变后的承载力试验,分析了膨胀剂体积掺量和加载时间间隔对极限强度和徐变变形影响。  本文针对现有有限元软件的不足编译子程序进行二次开发,实现对弹性模量和徐变的龄期变化的模拟,建立适用于模拟钢管混凝土早龄期分级加载施工的有限元分析模型,包括空钢管初应力、核心混凝土弹性模量龄期变化、以及混凝土的徐变等影响,并与本文试验与相关学者研究成果进行比较验证模型的正确性。在考虑钢管混凝土柱长细比、含钢率等尺寸,和钢管屈服强度、混凝土标号等材料性能因素变化时,分析施工因素对钢管混凝土柱稳定承载力的影响,包括施工加载时间间隔、每级荷载比例和加载分级次数等参数的变化。  本文基于弹性模型,把钢管混凝土轴压短柱分解为空钢管和核心混凝土的轴压受力与平面应变问题的叠加,得到考虑混凝土龄期发展的钢管混凝土柱极限强度的弹性解析解。并通过试验结果将公式推广到非弹性范围,还通过试验和有限元对公式的正确性和适用性进行验证。  为了深入研究施工对钢管混凝土柱稳定性能的影响并得到相应的计算公式,本文还根据施工的特点建立构件中点挠度分析通用模型并推导得到递推公式。基于初弯曲问题的均质构件基本压弯微分方程,利用叠加法,建立具有递推功能并可以考虑钢管和核心混凝土不同步变化的构件挠度的分析模型,推导得到构件中点挠度变形的递推公式。进而基于统一理论,分别验证挠度递推公式对钢管混凝土普通构件一次性加载、连续加载问题的适用性,并与相关学者研究比较验证递推公式在初应力影响的钢管混凝土稳定承载力分析中的适用性。  根据分级加载施工的特点,同时考虑空钢管初应力、混凝土弹性模量龄期变化以及混凝土的徐变等影响,利用挠度递推公式得到考虑分级加载的钢管混凝土轴压柱中点挠度的计算公式,把施工对钢管混凝土特性影响转化为对构件初始弯曲的影响,进而利用伯利公式得到考虑施工影响的钢管混凝土承载力稳定计算公式。并与普通钢管混凝土稳定承载力比较,得到施工影响系数,与有限元模拟结果进行比较以验证公式的正确性。还在此基础上分析各因素变化时施工影响系数的规律,为工程实际提供参考。  本文最后还通过有限元分析考虑施工影响的钢管混凝土小偏心受压构件的力学性能,并基于现有的钢管混凝土的压弯相关方程,进行构件施工影响修正,得到考虑施工影响参数的钢管混凝土偏压稳定相关公式,为工程提供参考。
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