高强钢矩形钢管混凝土柱理论分析及试验研究

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1、天津大学博士学位论文高强钢矩形钢管混凝土柱理论分析及试验研究TheoreticalanalysisandexperimentalstudyonRectangularConcrete-FilledSteelTubeColumnsusingHigh-StrengthSteel【申请博士学位】一级学科：土木工程学科专业：结构工程作者姓名：杜颜胜指导教师：陈志华教授天津大学建筑工程学院二零一七年五月万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的

2、研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据

3、摘要钢管混凝土具有强度高、抗震和抗火性能好、施工快捷等优点，在现代建筑结构中应用十分广泛。其中，矩形钢管混凝土截面设计较为灵活，节点连接形式简便，在住宅钢结构等建筑中具有较大优势。对于高层和超高层建筑来说，钢管混凝土截面过大会造成使用面积减小，钢板过厚会造成焊接困难等，同时，结构体量较大也会造成许多问题，因此经常需要进行优化设计。构件截面形式优化和使用高强度材料是结构优化的重要方法。我国已经能够生产质量高、造价合理的高强钢材。一些研究人员对高强钢在钢结构中的应用进行了研究，然而我国还未见高强钢在钢管混凝土中应用的研究，我国规范未包含Q460强度及以上钢材钢管

4、混凝土的计算。基于此，本文进行了高强钢矩形钢管混凝土计算理论的研究，主要研究内容和结论如下：收集了大量相关文献，并建立了全面的矩形钢管混凝土轴压短柱试验（455组）及偏压试验（319组）数据库，并对以往的试验数据进行了分析。进行了21组高强钢（Q420及Q460）矩形钢管混凝土轴压短柱试验研究及其有限元分析。结果表明，强度因子、混凝土贡献率随长宽比和宽厚比的增加而降低，钢材强度升高不会降低钢管混凝土的延性。建立了可以预测矩形钢管混凝土轴压性能的有限元模型，分析得出钢材的理想弹塑性模型可以模拟矩形钢管混凝土中的高强钢。分析了内填混凝土的不均匀约束作用。得到了钢

5、与混凝土界面的接触压力和间隙随着轴力变化的规律。达到极限荷载时，约束效应只在距角部较近位置存在。进行了35组高强钢（Q460）矩形钢管混凝土柱偏压试验研究、有限元模拟及其参数化分析。结果表明，长宽比从1增加到1.5时，压弯承载力有所增加，但是长宽比从1.5增加到2.0对承载力几乎没有影响。宽厚比增加会使规范计算的结果安全度降低。建立了能准确模拟压弯性能的有限元模型。有限元分析表明：极限荷载时，钢与混凝土之间大部分界面发生分离，偏压构件的界面接触压力比轴压构件的接触压力小，约束效应可以忽略不计。参数化分析了不同钢材强度（高达690MPa）、不同长宽比的矩形钢管

6、混凝土薄壁和普通构件压弯承载力，并根据结果提出了相关规范中宽厚比限值及钢材强度的设计建议。基于试验结果和理论分析，推导了矩形钢管混凝土轴压构件的宽厚比随长宽比和钢材强度变化的限值，建议了各个设计规范中材料强度的限值。推导了矩形钢管混凝土基于叠加理论的轴压计算公式。通过理论推导，建立了偏心受压矩形钢管混凝土构件长宽比与偏心率的最佳对应关系，分别得到了其翼缘和腹板的宽I万方数据厚比限值，分析表明矩形钢管混凝土长宽比不宜超过1.5。基于叠加理论假定，推导了考虑钢管塑性发展的矩形钢管混凝土偏压N-M全曲线，并利用本文试验数据和文献数据进行了验证。建立并验证了预测矩形

7、钢管混凝土承载力的神经网络模型ANN1和ANN2。结果表明，神经网络能够较为准确的预测承载力，并具有较强的泛化性能。利用神经网络模型对影响矩形钢管混凝土轴压承载力的因素进行了参数化分析，预测了钢管混凝土在应用高强钢及高强混凝土时承载力的变化规律；分析表明钢材与混凝土强度比等于7时可以使得强度因子最高，也就是组合效能最好，据此建议了我国常用的钢材和混凝土强度的匹配关系；建议实际应用中矩形钢管混凝土中钢管的宽厚比限值在61235f以下，限值与CECS159及GB50936中的规定相y近。关键词：矩形钢管混凝土，高强钢，轴压性能，偏压性能，设计方法，神经网络II万

8、方数据ABSTRACTTheconcrete-fil