冷彎鋼管混凝土橋墩承載力設(shè)計方法研究論文.doc

華中科技大學碩士學位論文分 類 號 學 號 m201072988 學校代碼 10487 密 級 碩士學位論文冷彎鋼管混凝土橋墩承載力設(shè)計方法研究學位申請人：羅露露學科專業(yè)：橋梁與隧道工程指導教師：朱愛珠 副教授朱宏平 教授答辯日期：2013年1月23日 a thesis submitted in partial fulfillment of the requirementsfor the degree of master of engineeringdesigning methods of bearing capacity on cold-formed steel tubes encased concrete stub piercandidate: luo lulu major: bridge and tunnel engineeringsupervisor: associate prof. zhu aizhu相應修改 prof. zhu hongpinghuazhong university of science and technologywuhan, hubei 430074, p. r. china23,jan, 2013與中文一致獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到，本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 學位論文作者簽名：日期： 年 月 日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本論文屬于 保 密 ，在_年解密后適用本授權(quán)書。不保密。（請在以上方框內(nèi)打“”）學位論文作者簽名： 指導教師簽名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能，已在生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，廣大學者也開展了深入的研究。不過目前針對冷彎鋼管混凝土的大多數(shù)研究主要是壁厚不超過6 mm的鋼管混凝土構(gòu)件。本文研究了壁厚為6 mm和10 mm的方形冷彎鋼管混凝土短柱的軸壓力學性能，研究結(jié)果可為冷彎鋼管混凝土研究的完善和進一步發(fā)展提供參考。本文以試驗研究為主，在試驗的基礎(chǔ)上進行了規(guī)范的適用性比較和有限元的仿真計算。全文共涉及灌注混凝土的鋼管混凝土短柱試件共計10個，其中6 mm和10 mm壁厚各5個試件，分別由5種不同加勁肋設(shè)置形式的鋼管填充混凝土形成。通過短柱的軸壓力學性能試驗，能夠獲取試件的極限承載力和了解短柱受荷機理，以此為基礎(chǔ)并結(jié)合相關(guān)規(guī)范進行比較分析和有限元數(shù)值研究，實現(xiàn)深入分析加勁肋設(shè)置形式、鋼管的壁厚等因素對方形冷彎鋼管混凝土的力學性能特別是承載力的影響，并將有限元模型應用于實際橋墩進行分析。主要結(jié)論有：1) 加勁肋的設(shè)置能夠提升短柱的承載力，只有合理的布置加勁肋才能取得較好的效果。2) 運用現(xiàn)有規(guī)范cecs159:2004、dbj 13-51-2003、aisc(2005)和bs en 1994-1-1:2004中的計算方法得到的承載力均小于試驗值，其中aisc(2005)對各試件承載力的計算結(jié)果最接近。3) 本文采用的有限元分析模型適用于本文短柱試件的模擬。4) 基于上述有限元模型對鋼管混凝土橋墩進行分析，等效出適合于實際工程鋼筋混凝土橋墩的最優(yōu)鋼管混凝土截面尺寸，并以此分析出水平力的存在極大地降低了鋼管混凝土橋墩的受力性能，加勁肋的布置形式在最優(yōu)截面下對鋼管混凝土橋墩的性能有所改善，但效果不明顯。5) 規(guī)范bs 5400(2005)中計算方法須進行適當修正后用于文中冷彎中厚壁的鋼管混凝土橋墩承載力的計算。關(guān)鍵詞：中厚壁 冷彎鋼管混凝土 橋墩 承載力 試驗研究 有限元abstract與中文對照相應修改concrete-filled steel tubular structures have good mechanical performance and have been wildly used in civil engineering structures. many researchers have already conducted study on it，but most research are mainly focused on concrete-filled steel tubular columns. and the thickness of the tubular wall is not exceed 6 mm. in this study, the research of cold-formed 6mm-wall and 10mm-wall square steel stub columns filled with concrete under axial pressure is presented. the conclusion of the research in this paper can provide some reference to the development of the study of concrete-filled steel tubular columns.based on the conclusion of the experimental research which is the mainly content of this paper, the column strength calculated using four standards and obtained from the finite element (fe) analysis were studied too. ten specimens including 6mm-wall and 10mm-wall columns, involving five tubular sections, were tested.according to the experimental study of the columns under axial pressure, we can obtain the ultimate strength and stress mechanism of the specimens. based on the test result together with the standard methods and the fe analysis, the behavior especially the bearing capacity of the cold-formed medium-walled square steel stub columns with different sets of stiffeners and the thickness of tube wall is studied. and the finite element model is used to carry out analysis of the actual pier. mainly conclusions are listed as follows:1) more stiffeners can offer an increase in the strength of cold-formed medium-walled square steel stub columns filled with concrete. and reasonable arrangement of stiffeners can get ideal effect.2) the design strengths calculated using cecs159:2004, dbj 13-51-2003, aisc(2005) and bs en 1994-1-1:2004 standards are all less than the experimental values. the result of aisc(2005) is the closest to the experimental values.3) the finite element analysis is applicable to the simulation of the columns in this study. 4) based on the fe analysis, the analysis of concrete-filled steel tubular pier was carried on. and the optimal concrete-filled steel tubular section size was found, which is equal to the practical engineering of reinforced concrete bridge piers. the presence of a horizontal force greatly reduced the concrete-filled steel tubular pier bearing performance. and the performance of piers which have stiffeners has been improved although the effect is not so obvious. 5) the standard bs 5400 (2005), which is used to calculate the concrete-filled steel tubular pier, needs to be modified in order to calculate bearing capacity of the concrete-filled steel tubular with thicker tubular wall.keywords: medium-walled; concrete-filled cold-formed steel columns; pier experimental research; bearing capacity; finite element analysis 目錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1研究背景及意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1冷彎型鋼及鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀21.2.2自密實鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀31.2.3鋼管混凝土橋墩的研究現(xiàn)狀41.3本文的研究內(nèi)容5第2章 鋼管混凝土試驗研究62.1試驗目的62.2混凝土材性試驗62.3鋼材材性試驗82.3.1試件設(shè)計與加載82.3.2試驗實測數(shù)據(jù)與結(jié)果分析112.4鋼管混凝土短柱試驗122.4.1試件設(shè)計與制作122.4.2 加載裝置及加載方案152.4.3試驗結(jié)果分析162.4.4 試驗值與規(guī)范結(jié)果比較20第3章 鋼管混凝土有限元分析233.1有限元模型233.1.1單元選擇和材料性質(zhì)233.1.2計算模型253.2數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果對比263.2.1承載力比較分析263.2.2應力應變比較分析28第4章 組合橋墩承載力設(shè)計方法研究314.1依托工程概況314.1.1材料選擇和有限元試算截面的選取324.1.2鋼管混凝土橋墩有限元結(jié)果提取334.1.3最優(yōu)截面的選取384.2承載力設(shè)計方法研究404.2.1不同荷載情況下鋼管混凝土橋墩的受力比較404.2.2 布置加勁肋的鋼管混凝土橋墩承載力分析424.2.3 bs 5400(2005)規(guī)范方法與最優(yōu)截面承載力比較45第5章 結(jié)論與展望465.1結(jié)論465.2展望47致謝48參考文獻4953第1章 緒論1.1研究背景及意義眾所周知，橋梁結(jié)構(gòu)在整個交通系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的連接作用。而橋墩作為橋梁的主要承重結(jié)構(gòu)之一，它一方面要承受上部結(jié)構(gòu)傳來的水平荷載和豎向荷載，另一方面還要承受墩身風載。位于江河湖泊的橋墩除了要承受上述荷載外，還要承受流水壓力和可能出現(xiàn)的漂浮物、浮冰或是船只等的撞擊。因此，橋墩設(shè)計及施工的好壞，是整座橋梁結(jié)構(gòu)能否正常使用至關(guān)重要的因素。近年來橋梁建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，橋梁的研究水平也在不斷提高，橋梁工程對橋梁材料和橋梁結(jié)構(gòu)的要求隨之也越來越高。鋼管混凝土作為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種形式，它充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的優(yōu)良特性，在大跨、高聳、重載結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出了卓越的工作性能，并且可以承受惡劣的施工條件，因此被廣泛地應用在工業(yè)廠房、高層和超高層建筑、拱橋和地下結(jié)構(gòu)中，并且已取得了良好的經(jīng)濟效益和建筑效果。冷彎型鋼屬于經(jīng)濟斷面鋼材，是一種高效節(jié)能的材料。冷彎鋼管與拼焊的普通鋼管相比，具有焊縫少、焊接質(zhì)量易保證、節(jié)省工期、生產(chǎn)過程產(chǎn)生的殘余應力和殘余變形較小等優(yōu)點1。冷彎方鋼管混凝土組合墩柱具有如下特點：矩形鋼管混凝土截面抗彎剛度大、節(jié)點容易處理、有較好的延性和耗能能力等?，F(xiàn)有的冷彎中厚壁槽鋼品種較齊全，形成的矩形截面以彎角過渡，較普通拼焊截面即四塊板拼焊的矩形截面美觀，焊縫少且加工簡單，彎角冷彎效應可有效提高截面承載力2,3-4，管內(nèi)設(shè)置縱向和橫向加勁肋有望增大組合構(gòu)件的延性和耗能能力，進而提高組合構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的抗震性能。通過合理設(shè)計內(nèi)部縱向和橫向加勁肋數(shù)量、剛度等，可提高組合橋墩的承載力和延性，解決混凝土橋墩延性不足、焊接不牢等問題；內(nèi)填混凝土能有效延遲鋼管壁的局部屈曲破壞，冷彎鋼管比普通拼焊矩形鋼管焊縫數(shù)量少，可以避免焊縫處的劈裂破壞。由此可見，內(nèi)置加勁肋的冷彎中厚壁方鋼管混凝土墩柱很適合作為高速公路橋、高架橋、城市立交橋及人行橋等的橋墩結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)對鋼管混凝土拱橋的理論和實踐研究已經(jīng)趨于成熟，然而對于鋼管混凝土橋墩應用卻較少，對于鋼管混凝土橋墩的研究也剛剛起步。關(guān)于冷彎型鋼鋼管混凝土的研究多數(shù)是圍繞冷彎薄壁（鋼管壁厚不超過6 mm）鋼管混凝土進行，而冷彎中厚壁鋼管及其設(shè)肋形式的混凝土墩柱的研究基本上還是空白。然而采用中厚壁冷彎型鋼鋼管及內(nèi)設(shè)加勁肋鋼管與混凝土形成的組合墩柱，與冷彎薄壁鋼管混凝土墩柱相比，具有更高的承載力和更好的延性，必然能更好地滿足建筑及橋梁結(jié)構(gòu)日益發(fā)展的需要。再則，就目前我國的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范中考慮的都是壁厚不超過6 mm的冷彎型鋼，即薄壁冷彎型鋼，且相關(guān)研究表明現(xiàn)有規(guī)范需進行相應修正后才能適用于中厚壁型鋼強度計算。同時，現(xiàn)行的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式是否適用冷彎中厚壁型鋼混凝土組合墩柱，特別是設(shè)置加勁肋的組合墩柱強度計算還不得而知。鑒于以上所述，本文提出對冷彎中厚壁鋼管混凝土組合墩柱進行研究。文中擬采用試驗研究、數(shù)值模擬和理論研究相結(jié)合的形式，對中厚壁冷彎型鋼鋼管混凝土靜力性能進行研究，希望能夠提出鋼管混凝土墩柱承載力計算建議方法，擴大冷彎型鋼鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的使用規(guī)格，為未來的工程設(shè)計和理論研究提供借鑒。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1冷彎型鋼及鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀冷彎效應引起的鋼材強度提高、冷彎殘余應力及初始幾何缺陷等，是冷彎型鋼區(qū)別于普通鋼材的主要特點，因此，冷彎效應的影響研究是冷彎中厚壁型鋼及其鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論和應用研究的一個重點。目前國內(nèi)外有關(guān)中厚壁型鋼冷彎效應方面的研究成果雖比較多，但主要針對建筑結(jié)構(gòu)與構(gòu)件。zhu aizhu等5對冷彎中厚壁型鋼冷彎效應進行了實驗研究，說明冷彎中厚壁矩形鋼管彎角和平板板材較母材強度均有顯著提高，空心短柱承載力較現(xiàn)行規(guī)范計算值偏高，并依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范對冷彎中厚壁矩形截面強度公式進行了修正。郭士江等6通過有限元軟件分析和數(shù)據(jù)擬合，提出了強度提高因子的修正函數(shù)。胡盛德等7分別運用北美和我國的冷彎型鋼設(shè)計規(guī)范對我國的厚壁冷彎方矩形鋼管全截面強度進行對比分析，提出了冷彎中厚壁型鋼強度的設(shè)計不能完全照搬國外冷彎厚壁型鋼強度設(shè)計規(guī)范，且我國的規(guī)范公式也要視鋼材冷作硬化效應的程度而定。溫東輝等8通過對有關(guān)文獻中的實驗數(shù)據(jù)對比分析，認為對于冷彎厚壁型鋼而言我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范偏于保守。韓軍科等9通過對冷彎厚壁型鋼進行試驗研究，提出我國現(xiàn)行用于冷彎薄壁型鋼的設(shè)計公式不宜直接用于冷彎厚壁的強度提高設(shè)計，并且隨著厚度的增加差別也就愈大。冷彎型鋼鋼管混凝土結(jié)構(gòu)兼具冷彎型鋼和鋼管混凝土的共同優(yōu)點，近年來逐漸成為國內(nèi)外學者們研究的一個熱點。mohamed elchalakani 等10對圓形冷彎型鋼鋼管和普通混凝土組成的管柱抗震性能進行了研究，得出在循環(huán)荷載作用下直徑與鋼管厚度比值不同構(gòu)件的強度、剛度、滯回曲線面積等表征抗震性能參數(shù)的變化規(guī)律。p.k. gupta等11對徑厚比從25到39的冷彎型鋼鋼管混凝土柱進行了軸壓試驗，主要研究徑厚比和混凝土強度對試件承載力的影響。yaochun zhang等12通過對于冷彎薄壁方鋼管混凝土柱的耗能能力進行試驗研究，得出軸壓比小于0.5時滯回曲線比較豐滿，且雙向設(shè)肋的延性和耗能能力比單向設(shè)肋管柱要優(yōu)越一些。王志濱13、 陶忠14 和端華飛15等學者通過試驗研究，結(jié)合數(shù)值分析，對規(guī)范中冷彎鋼管混凝土的承載力計算方法進行對比并提出了對于承載力計算方法的建議。張耀春等16對設(shè)置了加勁肋的方形薄壁鋼管混凝土柱進行了試驗研究，結(jié)果表明單向設(shè)肋和雙向設(shè)肋短柱比無肋短柱的強度依次提高了15%和26%。國外學者m.a. dabaon等17通過試驗對5個奧氏體鋼材空心鋼管和10個填充混凝土的鋼管柱進行研究，主要研究截面形狀和混凝土強度對短柱力學性能的影響，并通過試驗結(jié)果與現(xiàn)行的歐洲和美國設(shè)計規(guī)范進行比較，得出上述兩種規(guī)范在計算方形和矩形冷彎鋼管混凝土強度上偏于保守。1.2.2自密實鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀自密實混凝土是一種具有高流動性又具有適當粘度的混凝土，他不泌水不離析，能在自重作用下填滿模板的每個空隙而自行密實18。自密實混凝土具有如下的特點：第一，高流動性。自密實性混凝土能在自重的作用下填滿模板的整個角落，避免了振搗不足或是過度振搗等人為原因所造成的混凝土密實性不好的缺點。第二，穩(wěn)定性好。自密實混凝土通過合理的配合比設(shè)計能夠避免混凝土施工過程中的泌水和離析的現(xiàn)象，從而增加了混凝土的穩(wěn)定性。第三，施工進度得以提高。采用自密實性混凝土可以簡化施工程序，提高施工的速度，大大縮短了施工工期。自密實鋼管混凝土是通過自密實混凝土替代一般的混凝土澆筑鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，具有無需振搗、自動密實且分布均勻的特性19。近年來，國內(nèi)外對于自密實鋼管混凝土的研究主要集中在自密實性混凝土的配置參數(shù)對其力學性能的研究以及自密實性混凝土和一般的混凝土在受力性能方面的差異和鋼管混凝土的計算公式是否適用于自密實性鋼管混凝土。加拿大學者lachemi20和paultre21通過填充自密實混凝土和普通混凝土的鋼管混凝土性能試驗的研究，均得出鋼管普通混凝土和鋼管自密實混凝土在力學性能方面相差不大。國內(nèi)學者韓林海對自密實性混凝土力學性能進行了試驗研究和理論研究，研究結(jié)果表明圓鋼管混凝土和方鋼管混凝土不同規(guī)程計算值與試驗值基本相同，且自密實性混凝土在軸壓和壓彎構(gòu)件中表現(xiàn)出與普通混凝土類似的力學性能22。目前不論是國外學者還是國內(nèi)學者對自密實性鋼管混凝土的研究仍不完善。我國對自密實性鋼管混凝土的研究和應用也剛剛起步。自密實性混凝土由于其優(yōu)越的施工性能將會在我國超高層建筑和拱橋等結(jié)構(gòu)中得到廣泛的適用，因此有必要對其進行更深入的研究。1.2.3鋼管混凝土橋墩的研究現(xiàn)狀1995年日本阪神地震中大量的鋼筋混凝土橋墩和鋼橋墩受到了嚴重破壞，鋼管混凝土橋墩卻表現(xiàn)出優(yōu)越的抗震性能。因此，震后對于鋼管混凝土的研究成了熱門課題，日本學者在對其進行大量研究的基礎(chǔ)上，修訂了日本公路橋梁（jshb）中關(guān)于鋼管混凝土橋墩抗震設(shè)計方面的內(nèi)容23,24。日本學者katsuyoshi nakanishi25等通過對鋼管混凝土和鋼管試件的極限承載力和延性進行對比試驗，得出鋼管混凝土試件具有很好的性能。如果采用鋼管混凝土橋墩中插入鋼管的復合式鋼-混凝土橋墩，將具有更大的承載力和延性，且更有利于抗震。日本名古屋大學學者t.usami26等對鋼管混凝土橋墩的抗震性能進行了試驗研究，得出與文獻25一致的結(jié)果，即鋼管混凝土墩柱由于鋼管和混凝土的相互作用，使得構(gòu)件的延性及耗能能力得到了大幅度的提高，具有優(yōu)越的抗震性能；又通過對三榀雙柱式鋼管混凝土橋墩，在往復循環(huán)荷載和動荷載作用下的受力性能的研究，得出鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可以作為地震設(shè)防區(qū)的橋墩設(shè)計。美國學者michel bruneau等27,28通過循環(huán)加載試驗對四根鋼管混凝土橋墩試件進行了研究，主要研究內(nèi)容是鋼管混凝土橋墩的承載力、延性和耗能能力。分析結(jié)果表明鋼管混凝土橋墩具有很好的承載能力，且延性及耗能性能好，滯回曲線飽滿，適用于北美抗震區(qū)。澳大利亞學者x.l.zhao和r.grzebieta29對8個雙層鋼管混凝土構(gòu)件進行了力學性能的試驗研究，結(jié)果表明雙層鋼管混凝土在受壓彎作用時，比單鋼管混凝土墩柱，具有更好的延性和耗能性能，且自重較輕。目前對鋼管混凝土橋墩的研究與應用主要集中在日本等發(fā)達國家，且已取得了一定的研究成果。在我國，鋼管混凝土在橋梁工程中的應用主要是作為鋼管混凝土拱橋的拱肋和斜拉橋的橋塔。而對鋼管混凝土橋墩主要有以下一些研究：馬建峰等30 運用有限元法和數(shù)值積分法，將鋼管混凝土橋墩簡化為一端自由、一端固支，在自由端受軸向荷載和水平荷載作用的構(gòu)件，對鋼管混凝土高橋墩的穩(wěn)定性問題進行理論研究，從而得到此種橋墩的極限承載力。臧華31主要運用柱模型法和試驗法，一方面研究了鋼管混凝土橋墩的軸壓和壓彎性能，另一方面研究了混凝土填充高度對鋼管混凝土橋墩的抗震性能的影響，從而為鋼管混凝土墩柱的設(shè)計和應用提出了自己的建議。藏華等32通過擬靜力試驗，對圓鋼管混凝土橋墩和鋼筋混凝土橋墩進行了對比試驗，通過分析各種試件的破壞過程以及滯回曲線和骨架曲線，發(fā)現(xiàn)相同軸力和含鋼率情況下，鋼管混凝土橋墩的耗能能力明顯高于鋼筋混凝土橋墩，且高達4.46倍，其延性和剛度退化等方面也均強于鋼筋混凝土試件。王占飛等33運用有限元軟件marc模擬在恒定軸壓和循環(huán)水平荷載共同作用下，鋼管徑厚比、長細比以及混凝土填充高度對部分填充鋼管混凝土橋墩的抗震性能影響，發(fā)現(xiàn)鋼管徑厚比和橋墩柱長細比對部分填充圓形鋼管混凝土墩柱的變形和能量吸收的影響較小，但是混凝土填充高度對鋼管局部變形發(fā)展位置影響較大。冷彎中厚壁鋼管自密實性混凝土結(jié)構(gòu)，將冷彎型鋼、鋼管混凝土及自密實性混凝土三者的優(yōu)點結(jié)合在一起，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。然而對于中厚壁冷彎型鋼、鋼管自密實混凝土的研究報道還比較少見，鑒于此，基于現(xiàn)有的相關(guān)研究成果，本文采用試驗研究、數(shù)值研究和理論分析相結(jié)合，對冷彎中厚壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進行研究，希望能夠提出鋼管混凝土墩柱承載力計算建議方法，擴大冷彎型鋼鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的使用規(guī)格，為未來的工程設(shè)計和理論研究提供借鑒。1.3本文的研究內(nèi)容結(jié)合冷彎鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀，本文采用試驗研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方式，對設(shè)肋與不設(shè)肋的冷彎鋼管混凝土短柱在軸壓作用下的靜力特性進行了試驗研究和數(shù)值研究，并依據(jù)短柱的數(shù)值模型對鋼管混凝土橋墩在實際荷載作用下的受力性能和承載力設(shè)計方法進行研究，主要內(nèi)容如下：1、通過冷彎中厚壁鋼管混凝土短柱的軸壓試驗，研究截面含鋼率、加勁肋設(shè)置方式等對軸壓柱極限承載力的影響；2、基于試驗研究結(jié)果，進行國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范承載力計算值與試驗值比較分析，為冷彎中厚壁方鋼管混凝土承載力計算方法提供參考；3、根據(jù)鋼材與混凝土材性試驗數(shù)據(jù)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，應用有限元分析軟件ansys建立試件實體模型進行數(shù)值計算，將有限元計算結(jié)果與試驗實測結(jié)果從承載力和應力-應變曲線的吻合程度進行分析。4、以修正后吻合較好的數(shù)值模型為基礎(chǔ)，研究鋼管混凝土橋墩在實際荷載作用情況下的受力情況，從而為鋼管混凝土橋墩承載力設(shè)計方法提供參考。 第2章 鋼管混凝土試驗研究2.1試驗目的本次試驗所采用的鋼管是由兩個對稱的槽型冷彎型鋼對接拼焊而成，加勁肋在兩個槽鋼拼焊之前焊接好。對于鋼管混凝土試件是先將鋼管成型，然后再灌注混凝土到鋼管內(nèi)部，形成整體的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。試驗中共涉及q235和q345兩種型號的冷彎型鋼，每種鋼材的鋼管有5種不同設(shè)置加勁肋的截面形式。試驗由三部分組成，依次為混凝土材性試驗、鋼材材性試驗、鋼管混凝土短柱軸壓試驗。對10個鋼管混凝土試件進行了軸壓試驗，主要研究冷彎效應、不同加勁肋布置形式、不同鋼管壁厚等對冷彎中厚壁鋼管混凝土柱軸心受壓力學性能的影響。通過試驗主要達到以下目的：1、 鋼管混凝土軸心受壓極限承載力的測定；2、 鋼管混凝土隨軸心荷載增加鋼管外壁幾何中心位置縱向應變的測定；3、 研究加勁肋尺寸、數(shù)量及布置形式對軸心受壓力學性能的影響；4、 為規(guī)范承載力計算結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果的對比提供依據(jù)；5、 為有限元實體建模提供相關(guān)參數(shù)。2.2混凝土材性試驗本試驗采用加減水劑和6%水泥膨脹劑的c30自密實混凝土。原材料采用基準水泥，武漢青源熱電廠級粉煤灰f類，中砂（過篩5 mm），520 mm碎石（過篩26.5 mm）， uea膨脹劑（摻量10%）。其配合比如下表2-1所示。表2-1自密實混凝土配合比材料砂率水泥粉煤灰水砂石uea膨脹劑hl-8000高性能減水劑28天抗壓強度類型混凝土50%25686200909909383.8c30注：單位為kg/m3按照上述設(shè)計配合比制作混凝土試件。試驗按照文獻34要求標準進行。普通混凝土力學性能試驗以三個試件為一組?；炷量箟簭姸仍囼灢捎?個150 mm150 mm150 mm立方體試件。靜力受壓彈性模量試驗采用3個150 mm150 mm300 mm棱柱體試件。所有混凝土試件均采用標準養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為28d。試件達到標準后，對其進行抗壓強度試驗和靜力受壓彈性模量試驗。試件的加載方法和測試內(nèi)容依據(jù)規(guī)范要求，加載圖示如下圖2-1、圖2-2所示。抗壓強度試驗和靜力彈性模量試驗混凝土的破壞狀態(tài)如圖2-3、圖2-4所示。試件破壞時出現(xiàn)局部脫落和貫穿性裂縫。 圖2-1 抗壓強度試驗加載圖示 圖2-2 靜力受壓彈性模量試驗加載圖示圖2-3 抗壓強度試驗破壞狀態(tài)示意 2-4 靜力受壓彈性模量試驗破壞狀態(tài)示意通過試驗結(jié)果測得混凝土的抗壓強度為25.81 mpa，混凝土的靜力彈性模量為2.84104 n/mm2,其具體數(shù)據(jù)如下表2-2所示。表2-2 混凝土材性試驗結(jié)果混凝土類型平均截面積（mm2）極限承載力（kn）抗壓強度（mpa）靜力彈性模量平均值（104 mpa）c30自密實混凝土22500591.225.812.842.3鋼材材性試驗本次試驗的鋼材由武漢鋼鐵集團漢口軋鋼廠生產(chǎn)加工。由于冷彎、焊接等工藝的影響，鋼管中各部分力學性能存在一定差異，因此為了能夠提供可靠的鋼管混凝土承載力分析和數(shù)值模擬所需數(shù)據(jù)，必須將鋼管進行劃分，分別測試其力學性能。試驗中將整個鋼管劃分為平板、焊縫區(qū)平板、彎角、加勁肋四部分；同時為了滿足鋼材與混凝土同時承受均布荷載的要求，在鋼管的底部和頂部焊接了面積大于鋼管截面積、厚度大于鋼管壁厚的頂?shù)装澹瑸閿?shù)值模擬提供準確的材性參數(shù)，同樣對其進行了相應的力學性能試驗。以設(shè)置單向單排加勁肋的截面為例說明鋼管各組成部分位置關(guān)系如圖2-5所示。圖2-5 鋼管各部分位置關(guān)系示意2.3.1試件設(shè)計與加載參照土木工程測試技術(shù)手冊35的規(guī)定，同時考慮到測試加載的條件，鋼材材性試驗采用的試件為短比例試樣，其設(shè)計長度計算公式為,為試樣的橫截面積，以平板板狀試樣為例，各部分代表含義如圖2-6所示。圖2-6 板件材性試驗平板試樣圖中 試樣測試段長度，； 試樣過渡段之間的平行段長度，計算方法為；試樣的厚度；試樣的寬度，取30 mm；試樣端部寬度，計算方法為； 試件過渡段圓弧半徑，取2040 mm；試樣端部的長度，厚度為6 mm和8 mm時取50 mm，厚度為10 mm和16 mm時取60 mm；考慮加載機器咬合影響的圓弧過渡段長度，取1520 mm；試樣的全部長度。彎角板件設(shè)計同樣采用短比例試樣，進行90彎曲，彎角試樣標距段截取的是彎角理論上全部彎曲部分，即同厚度和彎曲半徑鋼管截面的四分之一。除截面積算法外，設(shè)計方法與平板試件基本一致，彎角板件截面面積計算公式為，式中為試樣彎曲內(nèi)半徑，為彎角試樣的厚度。測試過程中現(xiàn)有的拉力試驗機械不能滿足鋼材端部的彎曲狀咬合要求，所以在進行拉伸試驗前對彎角試樣的端部需要進行壓平處理，壓平后繼續(xù)用砂輪機在其表面輕輕滑動形成密致網(wǎng)格，最大程度提升其咬合能力，盡可能減小拉伸試驗時的滑動。根據(jù)以上設(shè)計要求，委托漢口軋鋼廠和華中科技大學機械廠對鋼管同批次板材試樣加工，并對加工后的試樣打毛處理，對試樣邊緣不光滑或瑕疵處用砂輪片打磨光滑，對存在焊縫的平板試樣端部咬合區(qū)域焊縫打磨，直至與平板部分同平面，由于試驗前板件沒有留下照片，故以試驗后的板件來示意加工后試樣見下圖2-7所示。 （a）平板板件 （b）彎角板件圖2-7 加工后板件示意試樣加工完畢后，進行拉伸試驗，平板板件在自動拉伸機上加載，輸入應變控制速率（應力控制速率）和斷點比例等數(shù)據(jù)即可；由于自動拉伸機試驗條件不能滿足彎角部分板件試樣的加載要求，彎角板件在600 kn油壓拉力機上加載。加載方案參照國家標準金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法（gb/t 228.12010）36進行。自動拉伸機和油壓拉力機的加載方式見圖2-8、2-9。 圖2-8 自動拉伸機加載示意 圖2-9 油壓拉伸機加載示意平板試樣、焊縫處平板板件和彎角試樣加載后的破壞狀態(tài)如圖2-10所示，隨拉力增大試件應變不斷增加并且發(fā)生頸縮現(xiàn)象，進而不斷發(fā)展直至破壞，除個別彎角試件斷裂在標距以外，其他試件斷裂均在標距范圍內(nèi)。 （a）平板板件 （b）焊縫處板件 （c）彎角板件圖2-10板件試樣破壞狀態(tài)2.3.2試驗實測數(shù)據(jù)與結(jié)果分析根據(jù)試驗設(shè)計要求，設(shè)計制作了10組試件，每組3個共計30個板材試樣，采取p、w、c、s、t 6、8、10、161、2、3形式編號：第一部分代表鋼材所在鋼管截面位置，p代表平板、s代表加勁肋、w代表焊縫區(qū)平板、c代表彎角、t代表端板；第二部分代表鋼材的厚度，本試驗中共涉及6 mm、8 mm、10 mm、16 mm四種厚度；第三部分代表同種設(shè)計規(guī)格板材取3個試樣。以w-6-2為例，其代表的含義是6 mm厚焊縫處平板截取的第2根板材試樣。根據(jù)自動拉伸機和油壓拉力機所測得的數(shù)據(jù)，按照土木工程測試技術(shù)手冊35中關(guān)于金屬拉伸試驗處理數(shù)據(jù)的方法，對試驗中所測得的數(shù)據(jù)進行處理。在計算彎角試樣應力數(shù)值時，假定在拉伸過程中試樣標距段截面沒有發(fā)生變化，將截面極限拉力除以截面面積即可為應力。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)采用軟件matlab對全部平板和彎角試樣數(shù)據(jù)進行處理，得到形式統(tǒng)一的應力-應變曲線。從曲線上可以看出僅有少部分平板板件的應力-應變曲線有明顯的屈服臺階，多數(shù)平板板件表現(xiàn)出在達到抗拉極限強度前存在拉力下降而后上升的現(xiàn)象，而彎角部分試件均沒有上述平板試件所存在現(xiàn)象，整個拉伸過程呈現(xiàn)出一條平滑的曲線。故屈服強度的測定方法參照土木工程測試技術(shù)手冊35，對于存在明顯屈服現(xiàn)象的試樣而言，采用圖示法，即讀取所繪制曲線上明顯屈服臺階所對應的應力數(shù)值；對于沒有明顯屈服現(xiàn)象的試樣，屈服強度數(shù)值采用的是試樣標距段應變量達到0.2%初始標距所對應的應力數(shù)值。以平板試件l-6-1和彎角試件c-6-1為例，其屈服臺階及屈服點的選取見圖2-11、2-12（虛線為選取的應力-應變關(guān)系初始線性段），所有試樣處理后的數(shù)據(jù)匯總于表2-3。表中a為板件的橫截面面積，其計算方法如2.3.1所述；為試驗測得的板件極限強度，為同種板件極限強度平均值，為試驗測得板件屈服強度， 為同種板件屈服強度平均值。從表2-3中可以看6 mm的帶焊縫的平板板件和彎角板件屈服強度分別為535.54 mpa、539.76 mpa，比相應平板強度437.88 mpa分別提高了22.30%、23.27%。10 mm的帶焊縫的平板板件和彎角板件屈服強度分別為505.00 mpa、433.55 mpa，比相應的平板強度381.68 mpa分別提高了32.31%、13.59%。最少的提高程度也有將近14%，說明冷彎效應的作用和焊縫的作用對板件強度的提高均有很明顯的影響。 圖2-11 平板試樣l-6-1應力應變曲線 圖2-12 彎角試樣cp-6-1應力應變曲線表2-3 板件材性試驗數(shù)據(jù)匯試件編號a(mm2)(mpa)(mpa)(mpa)(mpa)試件編號a(mm2)(mpa)(mpa)(mpa)(mpa)p-6-1215.32574.70537.37461.41 437.88 p-10-1340.87451.00445.67424.12 381.68p-6-2226.17495.50406.91 p-10-2345.16442.10372.09 p-6-3223.05541.90445.33 p-10-3338.79443.90348.83 w-6-1206.58622.10582.00585.87 535.54(22.30%) w-10-1352.20523.10526.93507.13 505.00(32.31%)w-6-2214.56566.10525.73 w-10-2359.35538.30505.50 w-6-3216.58557.80495.01 w-10-3366.05519.40502.36 c-6-197.76562.60614.00521.69539.76(23.27%)c-10-1333.30495.10495.47432.04433.55(13.59%)c-6-296.29633.50529.65c-10-2303.23504.60435.31c-6-289.80645.90567.93c-10-3318.49486.70433.30s-6-1186.67516.40531.63409.81 410.79 s-8-1244.97579.60551.07499.53 453.59 s-6-2188.85537.20411.65 s-8-2245.51528.50410.04 s-6-3184.66541.30410.92 s-8-3242.43545.10451.18 t-10-1285.12593.10595.10482.11 495.17 t-16-1468.53402.10402.10312.25 312.25 t-10-2281.22586.10499.40 t-16-2461.63t-10-3280.53606.10504.01 t-16-3464.81注：表中表示由于試驗得到的數(shù)據(jù)偏小，直接剔除。 2.4鋼管混凝土短柱試驗2.4.1試件設(shè)計與制作試驗用冷彎方鋼管所需型鋼鋼材由武鋼集團漢口軋鋼廠提供，分為q345壁厚6 mm和q235壁厚10 mm兩種。本試驗共制作了10個鋼管混凝土試件。鋼管由兩個槽形冷彎型鋼鋼管對接焊接而成。方鋼管混凝土試件截面尺寸為200 mm200 mm。同一厚度的方鋼管包含無加勁肋、單向單排（肋寬40 mm）、雙向單排（肋寬40 mm）、雙向單排（肋寬60 mm）以及雙向雙排（肋寬40 mm）加勁肋5種截面，柱試件長均為600 mm(不含兩端板厚度)。柱截面示意圖如圖2-13。（a）剖面圖 （b）立面圖 （c）側(cè)面圖圖2-13柱截面示意圖截面尺寸的測量原理和方法參照結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼尺寸、外形、重量及允許偏差（gb/t 67282002）37中關(guān)于鋼管橫截面面積計算的相關(guān)規(guī)定，測量過程中每個測量項目最少取兩個測點以減少誤差，其中混凝土、鋼管和加勁肋的面積計算圖示如下圖2-14所示。其具體計算方法如下：圖2-14鋼管橫截面計算方法示意 （2-1） （2-2） （2-3）式中 鋼管截面積； 混凝土截面積；加勁肋面積； 、鋼管相鄰兩垂直面外廓尺寸； 、鋼管相鄰兩垂直面平板部分尺寸； 、鋼管相鄰兩垂直面平板部分厚度； 、鋼管兩相對彎角部分厚度； 、加勁肋截面的平均長度和平均厚度；各試件測得的具體尺寸見表2-4所示。表中短柱由pa、b、c、d、e-6、10三部分組成。其中a、b、c、d、e分別表示無加勁肋、單向單排肋寬40 mm加勁肋、雙向單排肋寬40 mm加勁肋、雙向單排肋寬60 mm加勁肋、雙向雙排肋寬40 mm加勁肋；6、10代表該種鋼管截面厚度為6 mm和10 mm。例如pa-6具體含義為未布置加勁肋的壁厚為6 mm的鋼管混凝土短柱。短柱標準試件均由軋鋼廠加工制作。澆筑混凝土后進行養(yǎng)護達到標準后進行試驗。表2-4 鋼管混凝土試件截面尺寸表構(gòu)件編號b1mmb2mmt1mmt2mmt3mmt4mmdmmwmmbs,mmtsmmasmm2acmm2pa-61701636.396.326.146.18202192-470433880pb-61671706.086.056.306.34204196406.26508834683pc-61671706.106.306.206.20200195406.09559833222pd-61661706.176.046.326.10200198606.03603333361pe-61661706.136.336.006.00203200406.09665333706pa-1014615010.2110.4110.2210.00203199-746732328pb-1015414810.2510.1410.189.76200200408.80808531400pc-1015015610.0010.2810.0010.10200197407.96860030356pd-1014815310.0810.0010.1610.16201196608.20921929682pe-1014815110.0310.059.869.72200201408.269913297292.4.2 加載裝置及加載方案實際工程中的鋼管混凝土試件其應力的傳遞路徑復雜多變，在試驗中對于鋼管混凝土試件加載方式可分解模擬為三種形式，如圖2-15所示。1、式加載：荷載直接施加于核心混凝土上，鋼管不直接承受縱向荷載；2、式加載：試件端面齊平，荷載同時作用在鋼管和核