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新型钢管混凝土构件的理论和试验研究 新型钢管混凝土构件的理论和试验研究 摘要 钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便快捷和经济效益显著等优点， 是一种发展前景广阔的结构形式。为了进一步挖掘钢管混凝土构件的承载潜能，增强 钢管对核心混凝土的约束效应和改善组合截面的形式是比较有效的途径。本文第一部 分，用膨胀混凝土替代普通混凝土填入方形钢管内，建立前期主动约束，组成了方钢 管膨胀混凝土结构。第二部分，针对矩形钢管混凝土梁的受力特点，重新调整钢管壁 厚来改善组合截面的形式，提出了非等壁厚矩形钢管混凝土结构。通过试验、理论分 析对这两种新型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： 首先，通过膨胀混凝土试验研究，确定了适用于填充方钢管的膨胀混凝土的合理 配合比。探讨了膨胀剂、粉煤灰、微硅粉等外加剂掺量对膨胀混凝土的工作性能、不 同龄期强度以及自由膨胀率的影响规律，总结了核心混凝土的自由膨胀模式，为方钢 管膨胀混凝土结构力学性能研究提供了基础。 其次，分析了方钢管膨胀混凝土短柱在轴心受压和偏心受压作用下的力学性能。 分别进行了2 0 根轴压试件、1 8 根偏压试件的试验研究，结果表明，膨胀剂掺量适当 的方钢管膨胀混凝土短柱，相对于普通方钢管混凝土，其轴压极限承载力提高程度可 达7 0 o , - - 1 5 ，偏压极限承载力提高程度可达3 0 o , - - , 1 2 。另外，得到了膨胀剂掺量、宽 厚比、偏心率等参数对方钢管膨胀混凝土短柱承载性能的影响规律。同时，将试验结 果与国内外常见的规程计算结果迸行了比较，提出了方钢管膨胀混凝土短柱极限承载 力的计算方法。 再次，考虑材料非线性和几何非线性，并引入应力场变量，考虑钢材和混凝土材 料在加载过程中泊松比的变化，建立了方钢管混凝土的三维非线性有限元模型。在此 上海交通大学博士学位论文 新型钢管混凝土构件的理论和试验研究 基础上，依据力学模型上的相似性，将膨胀混凝土的微膨胀等效模拟为混凝土的热膨 胀，对方钢管膨胀混凝土进行了荷载一变形全曲线分析，与试验结果吻合较好。同时， 探讨了钢管与核心混凝土间的相互作用机理。分析表明，方钢管膨胀混凝土短柱在加 载前钢管与核心混凝土间存在较大的接触压力，在加载初期，接触压力稍有减小，到 极限荷载附近时，平均接触压力迅速增大。在加载的全过程中，方钢管膨胀混凝土的 平均接触压力始终大于普通方钢管混凝土，其截面的约束效应主要依赖于两个斜对角 区域。 最后，对非等壁厚矩形钢管混凝土纯弯构件进行了试验研究。结果表明，这种新 型结构具有良好的延性和后期承载力，其抗弯性能优于同等条件用钢量的等壁厚矩形 钢管混凝土构件，是一种性能优化的组合结构。同时，对非等壁厚矩形钢管混凝土纯 弯构件的荷载一变形全曲线进行了数值计算，与试验结果吻合较好，经过参数变换分 析，给出了非等壁厚矩形钢管混凝土纯弯构件截面优化的建议参数，相对于等壁厚矩 形钢管混凝土，其抗弯极限承载力可提高5 以上。此外，推导出了非等壁厚矩形钢 管混凝土构件的受弯承载力理论计算公式，与试验结果比较吻合较好。 本文在上述领域内给出了大量首次发表的研究成果，揭示了方钢管膨胀混凝土和 非等壁厚矩形钢管混凝土结构的受载力学特性。其研究结果为方钢管膨胀混凝土和非 等壁厚矩形钢管混凝土结构的进一步研究和工程应用提供了重要的理论依据，具有很 大的参考价值。 关键词：方钢管膨胀混凝土，非等壁厚矩形钢管混凝土，轴压，偏压，纯弯，极限 承载力，非线性有限元 i i 上海交通大学博士学位论文 新型钢管混凝土构件的理论和试验研究 t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nn o v e l m e n b e r so fc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e ab s t r a c t c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e s ( c f t ) h a v ew i d e l yd e v e l o p m e n t a lf o r e g r o u n dd u e t ot h e i r e x c e l l e n tp r o p e r t i e ss u c ha sh i g hs t r e n g t h ，h i g hd u c t i l i t y , l i g h t w e i g h ta n dc o n s t r u c t i o n c o n v e n i e n c e i no r d e rt oi m p r o v ef u r t h e rt h eb e h a v i o ro fc f t m e m b e r s ，c h a n g i n gt h e s e l f - s t r e s ss t a t ea n d o p t i m i z i n gc r o s s s e c t i o n a lc o n f i g u r a t i o no fc o m p o s i t es t r u c t u r ea r et h e e f f e c t i v em e a n s t h ef i r s tp a r ti nt h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e ss q u a r ee x p a n s i v e c o n c r e t e f i l l e d s t e e lt u b e s ( e c f t ) b yu s i n gt h ee x p a n s i v ec o n c r e t ei n s t e a do ft h eo r d i n a r yc o n c r e t et o p r o d u c ea ni n i t i a lc o n f i n e m e n t t h es e c o n dp a r tp r o p o s e st h en o n u n i t h i c k n e s sw a l l e d r e c t a n g f l l a rc f tb yr e - a d ju s t i n gt h et h i c k n e s so fs t e e lt u b et oo p t i m i z ec r o s s - s e c t i o n a l c o n f i g d r a t i o n ，b a s e do nt h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i co fr e c t a n g u l a rc f tb e a m s t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t sa n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h eb e h a v i o r so ft w on o v e lc f tm e m b e r sw e r e i n v e s t i g a t e d t h em a i nw o r ki nt h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： f i r s t l y , m i x t u r ep r o p o r t i o n so ft h ee x p a n s i v ec o n c r e t eu s e ds u i t a b l yt of i l li ns q u a r e s t e e lt u b e sa r ed e t e r m i n e d ，t h r o u g ht h r e es e r i e so fl a b o r a t o r yt e s t s a tt h es a m et i m e t h e i n f l u e n c e so ft h ee x p a n s i o na g e n ta d d i t i o n ，f l ya s ha n ds i l i c o np o w e ro nt h em e c h 撕c a l p r o p e r t i e s ，c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n df r e ee x p a n s i o nr a t i oo fe x p a n s i v ec o n c r e t eh a v eb e e n d i s c u s s e da n ds t u d i e d ，a n dt h ef r e ee x p a n s i v em o d e lo fe x p a n s i v ec o n c r e t ei si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s u p p l yt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t u d yo nt h eb e h a v i o u ro fs q u a r ee c f t m e m b e r s s e c o n d l y , t oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs q u a r ee c f tc o l u m n su n d e r a x i a l l ya n de c c e n t r i c a l l yc o m p r e s s i v el o a d ，l a b o r a t o r yt e s t so f2 0a x i a l l yc o m p r e s s e d s p e c i m e n sa n d18e c c e n t r i c a l l yc o m p r e s s e ds p e c i m e n sa r ec a r r i e do u t e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h eu l t i m a t es t r e n g t ho f a x i a u yc o m p r e s s e ds q u a r ee c f tc o l u m n sw i t h 上海交通大学博士学位论文 i i i 新型钢管混凝土构件的理论和试验研究 a p p r o p r i a t ee x p a n s i o na g e n ta d d i t i o nc a ne n h a n c e7 0 o - - - 15 a sc o m p a r e dw i t ht h a to f o r d i n a r yc f tc o l u m n s ；t h ee l e v a t e dp r o p o r t i o no ft h eu l t i m a t es t r e n g t ho fe c c e n t r i c a l l y c o m p r e s s e ds p e c i m e n si sn o ta sg o o da st h a to fa x i a l l yc o m p r e s s e ds p e c i m e n sa n dc a l l a c h i e v e3 12 m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c e so ft h e e x p a n s i o na g e n ta d d i t i o n ， w i d t h t h i c k n e s sr a t i oa n de c c e n t r i c i t yr a t i oo nt h eb e h a v i o ro fs q u a r ee c f tc o l u m n sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e6 0 m p a r e dw i t hp r e d i c t e do n e so nc u r r e n t d e s i g nc o d e sa n dt h eu l t i m a t es t r e n g t ho fs q u a r ee c f tc o l u m n si sp r o v i d e d t h i r d l y ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ee f f e c t so fm a t e r i a ln o n l i n e a rc o n s t i t u t i v er e l a t i o na n d g e o m e t r i cn o n l i n e a r i t y , a n dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ev a r i a t i o no fp o i s s o n sr a t i oa sw e l la s e l a s t i cm o d u l u so fc o n c r e t eu n d e rc o m p r e s s i v el o a db yi n t r o d u c i n gs t r e s sf i e l dv a r i a b l e s ， t h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h ea x i a l l yl o a d e ds q u a r ec f ts h o r tc o l u m ni sb u i l t u p m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a b i l i t yi nm e c h a n i c a lm o d e ，t h ee x p a n s i o ne f f e c t o ft h ee x p a n s i v ec o n c r e t ei se q u i v a l e n tt ot h a to fo r d i n a r yc o n c r e t ew h e ns u b j e c t e dt oa t e m p e r a t u r ef i e l dt oo b t a i nt h ef u l lr a n g el o a d - d e f o r m a t i o nc h i v ef o rs q u a r ee c f tc o l u m n s t h er e s u l t sc o m p a r e sw e l lw i t he x p e r i m e n t a ld a t a m o r e o v e r , t h ei n t e r a c t i o n a lm e c h a n i s m b e t w e e nt h ec o r ec o n c r e t ea n dt h es t e e lt u b ei si n v e s t i g a t e d t h ea n a l y s i sr e v e a l st h a tt h e r e i st h eb i gc o n t a c tp r e s s u r eb e t w e e nt h ec o r ec o n c r e t ea n dt h es t e e lt u b eb e f o r el o a d i n g t h e c o n t a c tp r e s s u r er e d u c e sw e a k l yw h e nl o a d i n gi nt h ei n i t i a lp e r i o d ，a n dt h ec o n t a c tp r e s s u r e i n c r e a s e sr a p i d l yw h e nt h ea x i a lf o r c er e a c h e st h eu l t i m a t es t r e n g t hn e a r b y n l ea v e r a g e c o n t a c tp r e s s u r eo fs q u a r ee c f tc o l u m n si sa l w a y sb i g g e rt h a nt h a to fo r d i n a r ys q u a r e c f tc o l u m n si nt h ee n t i r ep r o c e s s 刀l ec o n f i n i n ge f f e c to ft h es t e e lt u b eo nt h ec o r e e x p a n s i v ec o n c r e t eh a si t sg r e a t e s te f f e c tm a i n l ya tt h ec o m e rr e g i o n s t h ec e n t r er e g i o n f o l l o w s n l ec o n f i n i n ge f f e c ta tt h eo f f - d i a g o n a lr e g i o n si st h es m a l l e s t t h el o a d b e a r i n g c a p a c i t yo f t h es q u a r ee c f tc o l u m n si sp r o v i d e dm o s t l y b yt h ed i a g o n a lr e g i o n s f i n a l l y , a n e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o u ro f n o n - u n i - - t h i c k n e s sw a l l e dr e c t a n g u l a rc f tb e a m ss u b j e c t e dt o p u r eb e n d i n gh a sb e e n c a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en o n - u n i - t h i c k n e s sw a l l e dr e c t a n g u l a rc f ti sas o r to f o p t i m i z e dc o m p o s i t es t r u c t u r a lm e m b e rw i t hf a v o r a b l ed u c t i l ep e r f o r m a n c e t h em o m e n t c a p a c i t yf o rn o n u n i t h i c k n e s s w a l l e db e a mi ss u p e r i o rt ot h a to fu n i - t h i c k n e s sw a l l e d b e a mu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a m eo v e r a l ls i z ea n dt h es a m em a t e r i a l sc o n s u m p t i o n m e a n w h i l e ，t h ef u l lr a n g el o a d d e f o r m a t i o nr e l a t i o no ft h en o n u n i - t h i c k n e s sw a l l e d i v 上海交通大学博士学位论文 r e c t a n g u l a rc f tb e a m sa r ep r e d i c t e db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，、h i c hc 。i n c i d e w e i lw i t he x p e r i m e n t a ld a t e t h ep r o p o s i t i o n a lp a r a m e t e r 。f t h es t e e l 舶et h i c k n e s si s p m v i d e d t oo p t i m i z et h ec r o s ss e c t i 。nf o rt h er e c t a n g u l a rc f t b e a m ，s i n c et h eb e n d i n g m o m e n t c a p a c i t yc a nb ee n h a n c e db ym o r et h a n5 m o r e o v e r , t h e o r e t i c a if o r m u i a f o rt h e m o m e n tc a p a c i t yf o rn o n u n i t h i c k n e s s w a l l e dr e c t a n g u l a rc f tb e 锄 c o m p a r i s o no ft h ep r e d i c t e dr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a l m e t h o dc a l la t t a i nt ot h e e n g i n e e r i n gd e m a n d i s p r e s e n t e d a r e s u l t si n d i c a t e st h a tt h ep r o ；o s e d i nt h i sp a p e r ，m u c hr e s e a r c hi s p u b l i s h e df i r s t l yi nt h ea b 。v ef i e l da n d d i s c 。v e r e dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 。f s q u a r ee c f ta n dn o n - u n i t h i c k n e s sw a l l e dr e c t a n g u l a rc f t t h e 比s u l t s m a ys u p p l y s i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h e s q u a r ee c f ta n dt h e n o n - u n 卜t h l c k n e s s w a l l e dr e c t a n g u l a r c f ti n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，觚dp r o v i d eu s e 如l i n f o r m a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：s q u a r ee x p a n s i v ec o n c r e t e f i l l e ds t e e l t l l b e ，n o n - u n i t h i c l ( 1 1 e s sw a 】l e d r e c t a n g u l a rc o n c r e t e f i l l e ds t e e l t u b e ， a x i a l c o m p r e s s i o n ， e c c e n t r i c c o m p r e s s i o n ，p u r eb e n d i n g ，e x t r e m eb e a r i n gc a p a c i t y ，n o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s 上海交通大学博士学位论文v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：争君 节 目期： 1 年7 月两日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：芋茅( 睾 日期： d 7 年7 月i 3 日 指导教师躲酊l 国均 日期：u 7 串e l 第一章绪论 ”1 前言 第一章绪论 钢管混凝土( c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e ，简称c f t ) 是将混凝土灌人钢管而形成的 一种组合材料。在承载过程中一方而由于薄壁钢管临界承载力极不稳定，在钢管r f l 填充混凝土形成钢管混凝士，钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三 向受压，延缓了受压时的纵向开裂；另一方面，混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢 管过早地发生局部屈曲。因此，通过两种材料组合相互弥补了彼此的弱点，充分发挥 彼此的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载力大大高于组成钢管混凝土的钢管 和核心混凝土承载力之和，并且使混凝士的塑性和韧性性能大为改善”。与传统的 钢筋混凝土结构相比它具有承载力高、重量轻、塑性韧性好、耐疲劳、耐冲击、施 工方便及节省水泥术材等诸多优点口“。按截面形式的不同可分为圆钢管混凝士， 方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。目前，研究和工程应j h 最多的几种钢管 混凝土构件横截面形式如图1 1 所示。 囹 ( a ) 圆形( b ) 方形( c ) 矩形 目1 - l 常见的钢管混凝土截面形式 f i gi 一1t y p i c a ls e c t i o n so f c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e s 钢管灌凝土是在勘性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 最早使用钢管混凝土柱的工程之一是1 8 7 9 年完工的英国s e v e m 铁路桥的桥墩，在钢 管内填充混凝土以防止锈蚀。在钢管结构得到采用以后，不久出现了在钢管中填充混 凝土用作受压构件的钢管混凝土结构，其性能比外包混凝土结构优越得多。在钢管混 凝土的早期应用中一般不考虑由于组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土间相互作 用对承载力的提高【1 0 啦】。对钢管混凝土力学性能进行较为深入的研究，及这类结构被 大范围推广应用主要是在6 0 年代以后【2 3 3 6 1 。早期钢管混凝土采用的钢管往往是热轧 管，且按钢结构的要求进行设计，钢管的壁厚一般均较大，而且由于钢管内混凝土的 浇筑工艺未得到很好地解决，因而经济效果不明显，从而使钢管混凝土的推广应用受 到了一定的影响。 前苏联在五、六十年代对钢管混凝土结构进行了大量的研究，并在一些土建工程， 如工业厂房和拱桥结构中进行了应用。在西欧一些国家，如英国，德国和法国等主 要研究方钢管混凝土、圆钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构，核心混凝土为素混凝土， 或在核心混凝土中配置钢筋或型钢。美国以研究方钢管混凝土和圆钢管混凝土为主， 核心混凝土为素混凝土。在日本早在1 9 2 3 年发生关西大地展前就有钢管混凝土结 构的工程应用，经过关西大地震后，发现钢管混凝土结构在该次地震中的破坏井不明 显，故在以后的建筑尤其是( 多) 高层建筑中，钢管混凝土得到大量应用；特别是在 1 9 9 5 年的阪神地震中，钢管混凝土更显示了其优越的抗展性能，故震后日本的钢管 混凝土研究进一步成为热门课题日本主要研究方钢管混凝土、圆钢管混凝土和矩形 钢管混凝土结构，核心混凝土为素混凝土或配筋混凝土。另外，澳大利亚和加拿大等 国学者尚对薄壁钢管混凝土结构进行了深入系统的研究。 我国对钢管混凝土结构的研究起步较晚，主要研究圆钢管混凝土结构。1 9 5 9 年原 中国科学院哈尔滨土建研究所首先开始了圆钢管混凝土基本性能的研究工作，并应用 于桥梁上。1 9 6 3 年北京地铁工程局对圆钢管混凝土的工作机理展开了比较系统的研究 工作，首先在地铁工作中采用了圆钢管混凝土柱。以后，冶金建筑研究总院、苏州水 泥制品研究所、原哈尔滨建筑工程学院、中国建筑研究院、电力工业部电力建筑研究 所等单位都先后开展了圆钢管混凝土基本性能及应用试验研究工作。近年来，哈尔滨 建筑工业大学的钟善桐和中国建筑科学研究院的蔡绍怀等对钢管混凝土结构作了大 2 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 量研究，并取得了可喜的成果。圆钢管混凝土结构的研究在我国日趋完善和深入，近 几年来取得了很多杰出成果1 2 9 4 2 】，。在构件性能和理论研究方面在国际上处于领先。 1 2 方钢管混凝土结构的研究现状 和圆钢管混凝土相比，方钢管混凝土的核心混凝土受到的约束作用主要集中在截 面的角部和核心部位，因而其约束效果不如圆钢管混凝土显著。但深入的研究表明， 方钢管混凝土的钢管对核心混凝土仍能提供较好的约束，尤其可以有效地提高构件的 延性。很大程度上仍基本具备圆钢管混凝土的所有优点。此外，方钢管混凝土还具有 截面抗弯刚度较大，梁柱节点处理也较容易等优点，因而，最近几十年来，国内外对 方钢管混凝土的研究工作方兴未艾，实际工程应用也不断增加。 国外对方钢管混凝土的试验研究最早见c h a p m a n 和n e o g i 4 3 】的研究报告，该报 “，；二一， 告较全面地总结了包括方形、圆形和矩形在内的钢管混凝土柱试验研究成果，该试验 ：0 于1 9 6 4 1 9 6 5 年期间进行。随后，f u r l o n 9 1 4 4 1 于1 9 6 7 年发表了5 根轴压和1 7 根压弯 方钢管混凝土构件试验研究成果，其中轴压构件的长细比为3 0 左右，压弯构件的长 * j 、 细比为1 3 6 ，压弯构件的加载方式是先施加轴向力，然后再施加弯矩。试验过程中量 二o：。矗 测了构件中截面钢管四个表面的纵向应变和横向应变的变化情况，初步阐明了方钢管 混凝土的钢管和核心混凝土之间的相互作用情况。1 9 6 9 年k n o w l e s 和p a r k l 4 5 】报导了 6 根轴压和4 根压弯方钢管混凝土构件的试验结果，其长细比在1 1 5 7 8 5 之间变化， 扩大了f u r l o n g 试验中构件长细比变化范围。1 9 7 9 年，t o m i i 和s a k i n 0 1 2 2 】发表了他们 的试验研究报告，该报告详细列举了包括方形、圆形和八角形在内的共计2 6 8 个钢管 混凝土轴压短试件的试验研究成果，其中方形截面钢管混凝土试件共6 0 个。试验变 化参数包括含钢率、混凝土强度和试件的高宽l t , ( l b ，l 为试件的计算长度，b 为钢 管截面外边长) 等，较深入、全面地以识了方钢管混凝土构件的轴压力学性能。同时， 他们还对方钢管混凝土纯弯和压弯构件进行了试验研究 4 6 - 4 8 ，考察了含钢率和轴压比 等参数对构件抗弯承载能力的影响。 以上是国外对方钢管混凝土进行短期加载静力性能试验研究的早期情况。此后的 研究范围进一步扩大。文献 4 9 】以混凝土强度和钢管截面厚度为变化参数，分别进行 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 了1 2 根方钢管混凝土和圆钢管混凝土的轴压短柱试验，试验结果表明，方钢管混凝 土的轴压强度承载力和延性因钢管和核心混凝土之问的相互作用而得以提高，但提高 幅度不如圆钢管混凝土显著。文献 5 0 l 进行了以长细比和偏心率为变化参数的钢管混 凝土偏压构件的试脸研究，其中方钢管混凝土试件2 4 根，长细比为1 4 1 0 4 ，偏心距 为o 1 2 5 m m 。该试验提供了较系统的混凝土压弯构件的试验结果，为进行有关设计 规范的校核提供了依据。文献【5 1 】进行了3 根方钢管混凝土轴压短柱的试验研究，并 同时进行了3 根空钢管试件的对比试验。结果表明，方钢管混凝土试件的强度和延性 均优于空钢管试件。另外，截面宽厚比( b t ，t 为钢管管壁厚度) 越大，方钢管混凝土 试件在加荷过程中钢管的局部屈曲发生得越早但屈曲后的试件仍具有较高的强度承 载力。文献 5 2 】汇总了近年来完成的6 7 根方钢管混凝土压弯构件的试验结果，其中 5 0 个试验属于日美联合地震研究项目( 1 9 9 3 1 9 9 7 ) 内容。通过与试验结果的对比，文 献 5 4 】认为日本a i j 规范高估了方钢管混凝土压弯构件的极限弯矩，而美国a c i 规范 则低估了相应的极限弯矩。为了得到更为精确的计算结果，文献 5 3 对人a i j 规范进 行了修正，方法是综合考虑钢管的局部屈曲、混凝土的脆性及尺寸效应对混凝土强度 的影响。 薄壁方钢管混凝土由于采用了薄壁钢管，所以可以达到节省钢材、降低造价的目 的。薄壁方钢管混凝土与普通方钢管混凝土的显著区别在于薄壁方钢管混凝土构件在 未完全达到其极限承载力之前，薄壁钢管就发生了局部屈曲，从而降低了构件承载力。 1 9 9 2 年，u s a m i 和g e 5 4 1 进行了6 个薄壁方钢管混凝土短试件的轴压试验，试件的宽 厚比范围为4 4 7 3 ，其中有两个试件在钢管内部焊有纵向加劲肋，同时还进行了4 个 空钢管的对比试验。试验结果表明，虽然薄壁方钢管混凝土的钢管失稳较早，但核心 混凝土仍有效延缓了薄壁钢管局部失稳的发展，从而使构件具有很高的强度承载力和 很好的延性。同时，纵向加劲肋的存在能进一步提高薄壁方钢管混凝土的工作性能。 此外，类似的试验研究还有文献【5 5 5 7 ，其中文献 5 6 】进行试验的薄壁方钢管混凝土 试件的宽厚比己达到1 3 1 。 混凝土的高强化是当今世界混凝土发展的一个重要趋势【5 8 】，如何解决方钢管高强 混凝土的设计计算问题是方钢管混凝土发展面临的又一重要课题。1 9 9 2 年，c e d e r c a u 4 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 等【5 9 】人进行了1 8 根长细比为8 6 6 的偏压方钢管高强混凝土的试验研究，并对每根偏 压柱进行了截面尺寸及材料特性完全相同的轴压短柱的对比试验。试验中混凝土圆柱 体抗压强度为4 7 1 0 3 m p a 。试验结果表明对于轴压短柱，1 8 根试件的平均极限承载 力要高于组成方钢管高强混凝土的钢管和高强混凝土单独承载力之和近6 ；对于偏 压长柱，试件的承载力基本由钢管受压区钢材的屈服所控制，此时核心混凝土的承压 能力只发挥到轴压强度承载力的3 0 根据以上试验结果，文献 5 9 认为方钢管高强混 凝土的合理应用范围应该是长细比较小的轴压构件或压弯构件，其中压弯构件的偏心 率也不宜过大，这和文献 6 0 提供的大长细比圆钢管混凝土轴心受压试件的试验结果 是一致的。文献 4 9 也进行了3 根方钢管高强混凝土轴压短柱的试验，其混凝土圆柱 体抗压强度为8 1 4m p a 。通过试验发现，方钢管高强混凝土的延性要明显低于方钢 管普通强度混凝土的延性，且核心高强混凝土因方钢管的约束而产生的强度提高作用 也明显小于方钢管普通强度混凝土。对方钢管高强混凝土进行试验研究的还有文献 6 1 l 和文献 6 2 】，其中文献 6 2 】研究的是方钢管高强混凝土的滞回性能，其混凝土强度 高达1 i o m p a 。 国内对方钢管混凝土的研究起步较晚。1 9 8 5 年，原郑州工学院的张正国等【6 3 埘】 人先后进行了一系列方钢管混凝土构件的试验研究，其中包括3 0 根轴压柱和3 4 根偏 压柱。1 9 9 4 年，范重【6 5 】报道了他在日本工作期间进行的1 2 个方钢管混凝土轴压短柱 的试验研究成成果，并应用塑性理论推导了方钢管混凝土轴压强度承载力的计算公 式。1 9 9 7 年，陶忠【6 6 - 6 9 等人在原哈尔滨建筑大学进行了2 8 个轴压、8 个纯弯和2 1 个压弯共计5 7 个试件的试验研究，该试验通过变化约束效应系数和其它构件几何参 数，为方钢管混凝土构件的荷载一变形关系全过程分析提供了必要的依据。最近，国 内又进行了若干关于方钢管混凝土轴压短柱性能的试验研究【7 0 川】。 随着方钢管混凝土试验研究的大量开展，相应的理论研究也日趋活跃，出现了多 种不同的分析方法但基本上都可以归结为简化算法和数值解法两类。 简化算法通过相关方程等手段直接给出构件的承载力和构件几何参数及物理参 数之间的关系。1 9 6 7 年，f u r l o n g 在文献 4 4 】中给出了方钢管混凝土轴压强度承载力 和抗弯承载力的计算表达式，其中抗弯承载力不考虑混凝土参与共同工作，随后用圆 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 的相关方程来计算压弯构件的强度承载力。通过和试验结果的比较，利用f u r l o n g 的 计算公式常得到比较保守的结果。1 9 6 9 年k n o w l e s 和p a r k 4 5 】提出利用切线模量理 论来计算轴心受压长柱的稳定承载力，在此基础上，采用直线相关方程来计算压弯构 件的承载力。利用k m w l e s 和p a r k 的方法，计算长柱时常偏于不安全，而计算短柱 时则显得保守。文献 4 9 】以叠加钢和混凝土二者承载力的方法给出了方钢管混凝土轴 压强度的计算公式，由于公式中考虑了钢管的局部屈曲和高强混凝土对承载力的影 响，计算结果和试验结果吻合较好。 国内早期就曾采用简化算法计算过方钢管混凝土构件的承载力。1 9 8 9 年，张正 国科】在计算方钢管混凝土偏压构件的强度承载力时，采用了塑性铰的方法。另外，他 还用切线模量法计算了方钢管混凝土中长轴压柱的稳定承载力，文献 7 2 】也采用了类 似的方法。 分析方钢管混凝土的数值解法主要有纤维模型法和有限元法。 纤维模型法( f i b e rm o d e lm e t h o d ) 的特点是计算简单、应用方便和概念直观。应 用该类方法对钢管混凝土进行研究的关健问题在于合理地确定组成钢管混凝土的钢 材和核心混凝土的应力一应变关系模型。h a j j a r 和g o u r l e y t 7 3 】在1 9 9 6 年采用纤维模型 法对方、矩形钢管混凝土构件在压弯荷载作用下的极限承载力进行了计算，分析了钢 材和混凝土的强度，以及截面宽度比b t 等参数对压弯构件轴力弯矩相关曲线的影 响。1 9 9 9 年，z h a n g m 】等也采用纤维模型法对方钢管混凝土压弯构件的荷载变形关 系曲线和极限承载力进行了计算。 随着计算机技术的发展，近年来，越来越多的学者采用有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 进行钢管混凝土力学性能分析。1 9 9 8 年，s c h n e i d e r l 4 1 采用有限元程序计算了 钢管混凝土构件的荷载变形关系曲线，计算结果得到试验结果的验证。s u s a n h a 等 1 7 5 1 2 0 0 1 年在探讨了钢管和其核心混凝土应力应变关系模型的基础上，采用计算软件 a b a q u s 分析了方钢管混凝土轴心受压时的力学规律。2 0 0 3 年，h u 等【7 6 1 利用 a b a q u s 程序对圆形和方形钢管轴心受压柱的荷载。变形关系进行了计算，并分析了 d t 和b t 对组成圆、方钢管混凝土的钢管对其核心混凝土约束效果的变化规律。有 限元法进行钢管混凝土构件的分析的优点在于：( 1 ) 方法通用性强，可进行不同荷载 6 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 情况和不同几何或物理参数情况下构件的计算分析；( 2 ) 计算较为精确，且可较为准 确地分析钢管和核心混凝土之间的相互作用问题。 方钢管混凝土因其独有的特点，实际工程应用也不断增加【7 7 伪】。在国外，尤其是 欧美、日本、加拿大和澳大利亚等国，方钢管混凝土在中低层建筑中的应用已较为广 泛，如日内瓦世界劳工组织的1 4 层总部大楼和英国泰恩河畔f e n w i c k s 商店的四层接 建工程等。近年来方钢管混凝土开始逐渐在高层中采用，如1 9 8 8 年建成的澳大利亚 帕斯f o r r e s tc e n t e r 大厦，其高度达到1 1 0 m 。以及日本东京新宿广场塔楼，地上3 1 层，柱子全部采用方钢管混凝土构件。 在国内的应用起步较晚，但发展势头迅猛，且主要用于高层建筑。于1 9 9 8 年修 建完成的香港中心大厦，是一座集办公、会厦、商贸、金融和娱乐为一体的现代化、 多功能