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鋼管混凝土作為一種復(fù)合材料，其工作原理可以從兩方面闡釋：一方面，鋼管穩(wěn)定問題突出，內(nèi)填混凝土可以有效增強(qiáng)鋼管管壁穩(wěn)定性。另一方面，在軸心壓力作用下，鋼管可以對(duì)內(nèi)填混凝土產(chǎn)生約束作用，增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力。因此，兩種材料的組合能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，互相彌補(bǔ)各自的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮彼此的長(zhǎng)處，從而使鋼管混凝土的承載能力大幅提高。通常鋼管混凝土的承載力大于鋼和混凝土的承載力之和，即產(chǎn)生了鋼管對(duì)混凝土的套箍(約束)作用。除了承載力提高之外，混凝土的塑性和韌性性能也明顯改善。這是由于在軸心受壓荷載作用下內(nèi)填混凝土處于三向受壓狀態(tài)，大大延緩了受壓時(shí)混凝土的縱向開裂。鑒于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具備了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)點(diǎn)，近年來在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
內(nèi)設(shè)加勁肋鋼管混凝土組合柱是由鋼板(管)、加勁肋，焊接為內(nèi)設(shè)加勁肋鋼管，之后內(nèi)部澆筑混凝土組合在一起的一種結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于普通鋼管混凝土，內(nèi)部增設(shè)的加勁肋不僅可以提高鋼管的局部屈曲強(qiáng)度，而且增大了鋼管管壁與混凝土的接觸面積和相互咬合力，使得鋼板(管)、加勁肋和混凝土組合在一起共同受力，具有承載力高、整體性好、增強(qiáng)鋼－混組合作用等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)的試驗(yàn)與理論研究是針對(duì)長(zhǎng)細(xì)比較小、含鋼率較低的冷彎薄壁或薄壁鋼管結(jié)構(gòu)。對(duì)于跨越能力和承受荷載較大的橋梁結(jié)構(gòu)而言，鋼箱壁板很厚、截面尺寸相對(duì)較大，構(gòu)件通常不能采用冷彎薄壁而只能采用焊接工藝將壁板焊接為鋼管截面。當(dāng)鋼管壁板較厚時(shí)，因壁板焊接應(yīng)力分布不均勻，以及核心混凝土所承擔(dān)的荷載比例下降等原因，其力學(xué)性能即可能與薄壁鋼管有所區(qū)別。
為此，在上述試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，研究了鋼管截面采用焊接成形、長(zhǎng)細(xì)比較大、含鋼率較高的內(nèi)設(shè)加勁肋鋼管混凝土柱試件的力學(xué)性能，采用大型通用有限元分析程序ANSYS進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，進(jìn)一步剖析了該結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能并分析了寬厚比變化對(duì)內(nèi)設(shè)加勁肋鋼管混凝土軸壓柱力學(xué)性能的影響，為深入研究?jī)?nèi)設(shè)加勁肋鋼管混凝土組合柱提供了依據(jù)。
試件幾何尺寸參照某大橋鋼箱截面，縮尺比1:4。試件由A、B、C、D4個(gè)壁板和4個(gè)加勁肋板焊接而成，截面示意圖如圖所示。試件高度為2m，詳細(xì)幾何尺寸見圖2，試件參數(shù)列于表，其中試件KGD為空鋼管試件。
試件鋼材采用Q345，混凝土的用料為：425#普通硅酸鹽水泥；中砂；最大粒徑為20mm的碎石。混凝土的水灰比為0.38，重量配合比為水:水泥:砂:碎石=0.38:1:0.973:1.975。填充混凝土試件在空管試件焊接完成后采用人工攪拌配制混凝土，試件養(yǎng)護(hù)方法為自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后鑿去混凝土表面浮漿，將兩端表面打磨平整，以保證鋼管和核心混凝土共同受力。
采用20000kN壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)所有試件進(jìn)行軸心加載。加載步驟為：①幾何對(duì)中開始加載；②反復(fù)預(yù)加荷載通過數(shù)據(jù)采集進(jìn)行物理對(duì)中；③卸去預(yù)加荷載，數(shù)據(jù)采集清零并進(jìn)行逐級(jí)單調(diào)加載。加載制度為：①?gòu)椥噪A段：每級(jí)荷載為計(jì)算極限荷載的1/20，②非線性階段：每級(jí)荷載約為計(jì)算極限荷載的1/40，每級(jí)荷載持荷約2min。
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