鋼管混凝土結構在常高溫及沖擊下連續(xù)性理論的研究.pdf

1、實心鋼管混凝土由于具有良好的工作性能已經在實際工程中被廣泛使用，而空心鋼管混凝土由于采用工廠預制，相比實心鋼管混凝土具有質量可靠、自重輕、可以現(xiàn)場直接安裝等優(yōu)點，在輸變電塔行業(yè)也已有廣泛應用。隨著相關行業(yè)的發(fā)展，將空心鋼管混凝土應用于工業(yè)和民用建筑上已經成為目前亟待解決的問題。從數(shù)學的角度看，實心鋼管混凝土可以看著是空心鋼管混凝土在極端情況下的特例，即空心率等于零的特殊情況。根據(jù)鐘善桐教授的“統(tǒng)一理論”的推論，鋼管混凝土在各種荷載條件下

2、的性質變化應該是完全連續(xù)的，因此將實心和空心鋼管混凝土統(tǒng)一起來進行研究，具有實際工程意義，同時也具有較強的理論意義。
　　本文通過建立相關的理論模型并進行推導，得出鋼管混凝土在軸壓、火災及沖擊下構件性質隨各參數(shù)變化的函數(shù)關系或規(guī)律；并在理論分析的基礎上，結合現(xiàn)有的實驗研究結果和有限元分析方法，對理論結果進行驗證和修正，最終得到實心和空心、圓形和多邊形完全統(tǒng)一、連續(xù)的相關計算公式。最后對鋼管混凝土柱進行軸壓實驗和耐火實驗研究，進一步

3、驗證本文相關計算公式的正確性。具體包括以下研究工作：
　　1)建立圓形鋼管混凝土在軸壓作用下的理論模型并進行公式推導，得到彈性階段鋼管混凝土組合強度和各參數(shù)之間的函數(shù)關系?；诖罅康膶嶒灁?shù)據(jù)將彈性組合強度公式擴展到彈塑性階段，從而得到圓形實心和空心鋼管混凝土完全統(tǒng)一的強度計算公式。采用約束混凝土的面積等效方法，將圓形截面的組合強度公式擴展到多邊形截面；基于伯利公式將鋼結構的穩(wěn)定系數(shù)公式擴展到鋼管混凝土，從而得到鋼管混凝土的穩(wěn)定系數(shù)

4、計算公式；最終提出了實心和空心，圓形和多邊形鋼管混凝土統(tǒng)一的穩(wěn)定承載力計算公式，并和實驗及現(xiàn)有規(guī)范進行了對比和驗證。
　　2)基于本文鋼管混凝土組合強度計算公式，建立適合于整體分析的鋼管混凝土纖維模型和參數(shù)取值方法，此模型同時適用實心和空心、圓形和多邊形鋼管混凝土，為鋼管混凝土的整體分析提供數(shù)值計算技術前提。
　　3)研究鋼管混凝土構件在ISO-834標準火災升溫曲線下的耐火性質，同時考慮了注水對構件耐火性能的影響，得出不同

5、荷載比和空心率下注水和不注水構件耐火性能的變化規(guī)律；簡化鋼管混凝土在火災下的傳熱模型，并采用格林函數(shù)法對圓形鋼管混凝土的溫度場進行解析和分析，引入平均溫度的概念，并結合有限元計算給出鋼管和混凝土平均溫度的半解析解，在此基礎上，給基于極限分析的原理，將常溫軸壓承載力公式擴展到火災下，最終得到火災下任意時刻鋼管混凝土的承載力計算公式。
　　4)對框架柱進行耐火有限元計算，研究框架對構件耐火性能的影響，并分別基于火災下構件承載力的計算公

6、式和火災下構件的耐火性質變化規(guī)律，給出防火保護層的兩種實用計算方法。
　　5)基于能量守恒原理和柱抗沖擊力學模型，將鋼管混凝土的抗沖擊問題轉化為鋼管混凝土的擬靜力側推問題，給出靜力分析方法的分析過程并進行驗證；對不同邊界條件下，考慮軸力作用的柱構件在側推作用下的變形進行彈性和剛塑性理論分析，并給出側推-位移曲線的理論模型；結合動力和靜力有限元分析，給出沖擊下構件的最大變形的計算方法。針對汽車撞擊荷載，對汽車撞擊實心和空心鋼管混凝土

7、進行全過程的數(shù)值分析，并給出汽車等效靜力荷載的取值公式。
　　6)對框架中的鋼管混凝土進行抗沖擊有限元分析，研究框架約束對構件抗沖擊性能的影響。結合構件和框架分析結果給出鋼管混凝土抗沖擊驗算方法。
　　7)對鋼管混凝土柱進行常溫軸壓實驗和高溫耐火實驗研究，彌補了相關實驗研究的不足，并進一步驗證本文理論公式的正確性和適用性。
　　本文的得到鋼管混凝土在軸壓、火災和沖擊下的相關計算公式適用于實心和空心、圓形和正多邊形鋼管混