冷弯钢管混凝土桥墩承载力设计方法研究论文.doc
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1、华中科技大学硕士学位论文分 类 号 学 号 M201072988 学校代码 10487 密 级 硕士学位论文冷弯钢管混凝土桥墩承载力设计方法研究学位申请人:罗露露学科专业:桥梁与隧道工程指导教师:朱爱珠 副教授朱宏平 教授答辩日期: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
2、Concrete Stub PierCandidate: Luo Lulu Major: Bridge and Tunnel EngineeringSupervisor: Associate Prof. Zhu Aizhu相应修改 Prof. Zhu HongpingHuazhong University of Science and TechnologyWuhan, Hubei 430074, P. R. China23,Jan, 2013与中文一致独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他
3、个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已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: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学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权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。本人授权华中科技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。本论文属于 保 密 ,在_年解密后适用本授权书。不保密。(请在以上方框内打“”)学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年
4、 月 日 日期: 年 月 日摘 要钢管混凝土组合结构具有良好的受力性能,已在生产中得到了广泛的应用,广大学者也开展了深入的研究。不过目前针对冷弯钢管混凝土的大多数研究主要是壁厚不超过6 mm的钢管混凝土构件。本文研究了壁厚为6 mm和10 mm的方形冷弯钢管混凝土短柱的轴压力学性能,研究结果可为冷弯钢管混凝土研究的完善和进一步发展提供参考。本文以试验研究为主,在试验的基础上进行了规范的适用性比较和有限元的仿真计算。全文共涉及灌注混凝土的钢管混凝土短柱试件共计10个,其中6 mm和10 mm壁厚各5个试件,分别由5种不同加劲肋设置形式的钢管填充混凝土形成。通过短柱的轴压力学性能试验,能够获取试件
5、的极限承载力和了解短柱受荷机理,以此为基础并结合相关规范进行比较分析和有限元数值研究,实现深入分析加劲肋设置形式、钢管的壁厚等因素对方形冷弯钢管混凝土的力学性能特别是承载力的影响,并将有限元模型应用于实际桥墩进行分析。主要结论有:1) 加劲肋的设置能够提升短柱的承载力,只有合理的布置加劲肋才能取得较好的效果。2) 运用现有规范CECS159:2004、DBJ 13-51-2003、AISC(2005)和BS EN 1994-1-1:2004中的计算方法得到的承载力均小于试验值,其中AISC(2005)对各试件承载力的计算结果最接近。3) 本文采用的有限元分析模型适用于本文短柱试件的模拟。4)
6、基于上述有限元模型对钢管混凝土桥墩进行分析,等效出适合于实际工程钢筋混凝土桥墩的最优钢管混凝土截面尺寸,并以此分析出水平力的存在极大地降低了钢管混凝土桥墩的受力性能,加劲肋的布置形式在最优截面下对钢管混凝土桥墩的性能有所改善,但效果不明显。5) 规范BS 5400(2005)中计算方法须进行适当修正后用于文中冷弯中厚壁的钢管混凝土桥墩承载力的计算。关键词:中厚壁 冷弯钢管混凝土 桥墩 承载力 试验研究 有限元Abstract与中文对照相应修改Concrete-filled steel tubular structures have good mechanical performance and
7、 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
8、 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
9、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 c
10、olumns 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 differ
11、ent 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 fi
12、lled 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
13、 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 e
14、ngineering 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), w
15、hich 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 capacit
16、y; Finite element analysis 目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状21.2.1冷弯型钢及钢管混凝土的研究现状21.2.2自密实钢管混凝土的研究现状31.2.3钢管混凝土桥墩的研究现状41.3本文的研究内容5第2章 钢管混凝土试验研究62.1试验目的62.2混凝土材性试验62.3钢材材性试验82.3.1试件设计与加载82.3.2试验实测数据与结果分析112.4钢管混凝土短柱试验122.4.1试件设计与制作122.4.2 加载装置及加载方案152.4.3试验结果分析162.4.4 试验值与规范结果比较20第3章 钢管混凝土
17、有限元分析233.1有限元模型233.1.1单元选择和材料性质233.1.2计算模型253.2数值结果与试验结果对比263.2.1承载力比较分析263.2.2应力应变比较分析28第4章 组合桥墩承载力设计方法研究314.1依托工程概况314.1.1材料选择和有限元试算截面的选取324.1.2钢管混凝土桥墩有限元结果提取334.1.3最优截面的选取384.2承载力设计方法研究404.2.1不同荷载情况下钢管混凝土桥墩的受力比较404.2.2 布置加劲肋的钢管混凝土桥墩承载力分析424.2.3 BS 5400(2005)规范方法与最优截面承载力比较45第5章 结论与展望465.1结论465.2展望
18、47致谢48参考文献4953第1章 绪论1.1研究背景及意义众所周知,桥梁结构在整个交通系统中起着至关重要的连接作用。而桥墩作为桥梁的主要承重结构之一,它一方面要承受上部结构传来的水平荷载和竖向荷载,另一方面还要承受墩身风载。位于江河湖泊的桥墩除了要承受上述荷载外,还要承受流水压力和可能出现的漂浮物、浮冰或是船只等的撞击。因此,桥墩设计及施工的好坏,是整座桥梁结构能否正常使用至关重要的因素。近年来桥梁建设事业飞速发展,桥梁的研究水平也在不断提高,桥梁工程对桥梁材料和桥梁结构的要求随之也越来越高。钢管混凝土作为钢-混凝土组合结构的一种形式,它充分发挥了钢与混凝土两种材料的优良特性,在大跨、高耸、
19、重载结构中表现出了卓越的工作性能,并且可以承受恶劣的施工条件,因此被广泛地应用在工业厂房、高层和超高层建筑、拱桥和地下结构中,并且已取得了良好的经济效益和建筑效果。冷弯型钢属于经济断面钢材,是一种高效节能的材料。冷弯钢管与拼焊的普通钢管相比,具有焊缝少、焊接质量易保证、节省工期、生产过程产生的残余应力和残余变形较小等优点1。冷弯方钢管混凝土组合墩柱具有如下特点:矩形钢管混凝土截面抗弯刚度大、节点容易处理、有较好的延性和耗能能力等。现有的冷弯中厚壁槽钢品种较齐全,形成的矩形截面以弯角过渡,较普通拼焊截面即四块板拼焊的矩形截面美观,焊缝少且加工简单,弯角冷弯效应可有效提高截面承载力2,3-4,管内
20、设置纵向和横向加劲肋有望增大组合构件的延性和耗能能力,进而提高组合构件及结构的抗震性能。通过合理设计内部纵向和横向加劲肋数量、刚度等,可提高组合桥墩的承载力和延性,解决混凝土桥墩延性不足、焊接不牢等问题;内填混凝土能有效延迟钢管壁的局部屈曲破坏,冷弯钢管比普通拼焊矩形钢管焊缝数量少,可以避免焊缝处的劈裂破坏。由此可见,内置加劲肋的冷弯中厚壁方钢管混凝土墩柱很适合作为高速公路桥、高架桥、城市立交桥及人行桥等的桥墩结构。目前,国内对钢管混凝土拱桥的理论和实践研究已经趋于成熟,然而对于钢管混凝土桥墩应用却较少,对于钢管混凝土桥墩的研究也刚刚起步。关于冷弯型钢钢管混凝土的研究多数是围绕冷弯薄壁(钢管壁
21、厚不超过6 mm)钢管混凝土进行,而冷弯中厚壁钢管及其设肋形式的混凝土墩柱的研究基本上还是空白。然而采用中厚壁冷弯型钢钢管及内设加劲肋钢管与混凝土形成的组合墩柱,与冷弯薄壁钢管混凝土墩柱相比,具有更高的承载力和更好的延性,必然能更好地满足建筑及桥梁结构日益发展的需要。再则,就目前我国的冷弯薄壁型钢结构技术规范中考虑的都是壁厚不超过6 mm的冷弯型钢,即薄壁冷弯型钢,且相关研究表明现有规范需进行相应修正后才能适用于中厚壁型钢强度计算。同时,现行的钢管混凝土结构设计规范公式是否适用冷弯中厚壁型钢混凝土组合墩柱,特别是设置加劲肋的组合墩柱强度计算还不得而知。鉴于以上所述,本文提出对冷弯中厚壁钢管混凝
22、土组合墩柱进行研究。文中拟采用试验研究、数值模拟和理论研究相结合的形式,对中厚壁冷弯型钢钢管混凝土静力性能进行研究,希望能够提出钢管混凝土墩柱承载力计算建议方法,扩大冷弯型钢钢管混凝土结构的使用规格,为未来的工程设计和理论研究提供借鉴。1.2国内外研究现状1.2.1冷弯型钢及钢管混凝土的研究现状冷弯效应引起的钢材强度提高、冷弯残余应力及初始几何缺陷等,是冷弯型钢区别于普通钢材的主要特点,因此,冷弯效应的影响研究是冷弯中厚壁型钢及其钢管混凝土结构理论和应用研究的一个重点。目前国内外有关中厚壁型钢冷弯效应方面的研究成果虽比较多,但主要针对建筑结构与构件。Zhu Aizhu等5对冷弯中厚壁型钢冷弯效
23、应进行了实验研究,说明冷弯中厚壁矩形钢管弯角和平板板材较母材强度均有显著提高,空心短柱承载力较现行规范计算值偏高,并依据现有规范对冷弯中厚壁矩形截面强度公式进行了修正。郭士江等6通过有限元软件分析和数据拟合,提出了强度提高因子的修正函数。胡盛德等7分别运用北美和我国的冷弯型钢设计规范对我国的厚壁冷弯方矩形钢管全截面强度进行对比分析,提出了冷弯中厚壁型钢强度的设计不能完全照搬国外冷弯厚壁型钢强度设计规范,且我国的规范公式也要视钢材冷作硬化效应的程度而定。温东辉等8通过对有关文献中的实验数据对比分析,认为对于冷弯厚壁型钢而言我国现行相关规范偏于保守。韩军科等9通过对冷弯厚壁型钢进行试验研究,提出我
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