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方形钢管混凝土叠合压弯构件力学性能和设计方法研究

博士研究生:安钰丰

指导教师:韩林海 教授

所属院系:土木工程系

论文摘要

钢管混凝土叠合构件具有良好的力学性能，受到工程界的关注。在对叠合构件工作机理深入研究的基础上，确定设计方法非常必要。本文研究了方形钢管混凝土叠合压弯构件的力学性能和设计方法，具体构件是圆形钢管混凝土在中间，外围包裹方形钢筋混凝土（文中称钢管混凝土叠合构件），以及由方形空心钢筋混凝土和四个角部的圆形钢管混凝土组成（文中称空心钢管混凝土叠合构件）。本文进行的主要工作和成果为：

1. 建立了钢管混凝土叠合构件的精细化实体有限元模型，该模型考虑了不同材料的本构关系模型和钢管与混凝土的接触关系。利用该有限元模型进行了该构件在轴压、压弯以及受弯下的全过程分析，研究其破坏形态、材料应力分布、钢管与混凝土接触关系、传力机制和钢管混凝土与钢筋混凝土部件的内力分配。对比了叠合构件与钢管混凝土和钢筋混凝土构件的受力性能。

2. 进行了空心钢管混凝土叠合构件在轴压、压弯和受弯下的试验研究。研究参数包括配箍率（轴压），偏心距和长细比（压弯），以及剪跨比（受弯），探究其破坏形态、传力机制和参数影响规律。试验结构表明，与相应的钢筋混凝土试件相比，空心钢管混凝土叠合试件具有较高的承载力和延性。

3. 基于钢管混凝土叠合构件的精细化有限元模型，充分考虑自身空心构件的特点，即将混凝土按不同约束程度进行划分，建立了空心钢管混凝土叠合构件的精细化实体有限元模型。进行了该类构件在轴压、压弯以及受弯下的全过程分析，研究其破坏形式、材料应力变化规律、钢管与混凝土接触关系和钢管混凝土与钢筋混凝土部件的内力分配。对比研究了叠合构件与相应钢筋混凝土以及钢管混凝土构件的受力性能。

4. 研究了钢筋混凝土部件和钢管混凝土部件的相关参数以及二者几何尺寸比例（D/B）对压弯性能的影响规律。在此基础上提出了方形钢管混凝土叠合压弯构件的承载力设计方法和相关设计建议。通过编写不同材料子程序和不同截面部件的组合，建立了方形钢管混凝土叠合结构的纤维梁模型，实现了基于纤维梁模型的钢管混凝土叠合结构的整体抗震分析。