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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
24、国现行用于冷弯薄壁型钢的设计公式不宜直接用于冷弯厚壁的强度提高设计，并且随着厚度的增加差别也就愈大。冷弯型钢钢管混凝土结构兼具冷弯型钢和钢管混凝土的共同优点，近年来逐渐成为国内外学者们研究的一个热点。Mohamed Elchalakani 等10对圆形冷弯型钢钢管和普通混凝土组成的管柱抗震性能进行了研究，得出在循环荷载作用下直径与钢管厚度比值不同构件的强度、刚度、滞回曲线面积等表征抗震性能参数的变化规律。P.K. Gupta等11对径厚比从25到39的冷弯型钢钢管混凝土柱进行了轴压试验，主要研究径厚比和混凝土强度对试件承载力的影响。Yaochun Zhang等12通过对于冷弯薄壁方钢管混凝土柱
25、的耗能能力进行试验研究，得出轴压比小于0.5时滞回曲线比较丰满，且双向设肋的延性和耗能能力比单向设肋管柱要优越一些。王志滨13、 陶忠14 和端华飞15等学者通过试验研究，结合数值分析，对规范中冷弯钢管混凝土的承载力计算方法进行对比并提出了对于承载力计算方法的建议。张耀春等16对设置了加劲肋的方形薄壁钢管混凝土柱进行了试验研究，结果表明单向设肋和双向设肋短柱比无肋短柱的强度依次提高了15%和26%。国外学者M.A. Dabaon等17通过试验对5个奥氏体钢材空心钢管和10个填充混凝土的钢管柱进行研究，主要研究截面形状和混凝土强度对短柱力学性能的影响，并通过试验结果与现行的欧洲和美国设计规范进行
26、比较，得出上述两种规范在计算方形和矩形冷弯钢管混凝土强度上偏于保守。1.2.2自密实钢管混凝土的研究现状自密实混凝土是一种具有高流动性又具有适当粘度的混凝土，他不泌水不离析，能在自重作用下填满模板的每个空隙而自行密实18。自密实混凝土具有如下的特点：第一，高流动性。自密实性混凝土能在自重的作用下填满模板的整个角落，避免了振捣不足或是过度振捣等人为原因所造成的混凝土密实性不好的缺点。第二，稳定性好。自密实混凝土通过合理的配合比设计能够避免混凝土施工过程中的泌水和离析的现象，从而增加了混凝土的稳定性。第三，施工进度得以提高。采用自密实性混凝土可以简化施工程序，提高施工的速度，大大缩短了施工工期。自
27、密实钢管混凝土是通过自密实混凝土替代一般的混凝土浇筑钢管混凝土结构，具有无需振捣、自动密实且分布均匀的特性19。近年来，国内外对于自密实钢管混凝土的研究主要集中在自密实性混凝土的配置参数对其力学性能的研究以及自密实性混凝土和一般的混凝土在受力性能方面的差异和钢管混凝土的计算公式是否适用于自密实性钢管混凝土。加拿大学者Lachemi20和Paultre21通过填充自密实混凝土和普通混凝土的钢管混凝土性能试验的研究，均得出钢管普通混凝土和钢管自密实混凝土在力学性能方面相差不大。国内学者韩林海对自密实性混凝土力学性能进行了试验研究和理论研究，研究结果表明圆钢管混凝土和方钢管混凝土不同规程计算值与试验
28、值基本相同，且自密实性混凝土在轴压和压弯构件中表现出与普通混凝土类似的力学性能22。目前不论是国外学者还是国内学者对自密实性钢管混凝土的研究仍不完善。我国对自密实性钢管混凝土的研究和应用也刚刚起步。自密实性混凝土由于其优越的施工性能将会在我国超高层建筑和拱桥等结构中得到广泛的适用，因此有必要对其进行更深入的研究。1.2.3钢管混凝土桥墩的研究现状1995年日本阪神地震中大量的钢筋混凝土桥墩和钢桥墩受到了严重破坏，钢管混凝土桥墩却表现出优越的抗震性能。因此，震后对于钢管混凝土的研究成了热门课题，日本学者在对其进行大量研究的基础上，修订了日本公路桥梁（JSHB）中关于钢管混凝土桥墩抗震设计方面的内
29、容23,24。日本学者Katsuyoshi Nakanishi25等通过对钢管混凝土和钢管试件的极限承载力和延性进行对比试验，得出钢管混凝土试件具有很好的性能。如果采用钢管混凝土桥墩中插入钢管的复合式钢-混凝土桥墩，将具有更大的承载力和延性，且更有利于抗震。日本名古屋大学学者T.Usami26等对钢管混凝土桥墩的抗震性能进行了试验研究，得出与文献25一致的结果，即钢管混凝土墩柱由于钢管和混凝土的相互作用，使得构件的延性及耗能能力得到了大幅度的提高，具有优越的抗震性能；又通过对三榀双柱式钢管混凝土桥墩，在往复循环荷载和动荷载作用下的受力性能的研究，得出钢管混凝土结构可以作为地震设防区的桥墩设计。
30、美国学者Michel Bruneau等27,28通过循环加载试验对四根钢管混凝土桥墩试件进行了研究，主要研究内容是钢管混凝土桥墩的承载力、延性和耗能能力。分析结果表明钢管混凝土桥墩具有很好的承载能力，且延性及耗能性能好，滞回曲线饱满，适用于北美抗震区。澳大利亚学者X.L.Zhao和R.Grzebieta29对8个双层钢管混凝土构件进行了力学性能的试验研究，结果表明双层钢管混凝土在受压弯作用时，比单钢管混凝土墩柱，具有更好的延性和耗能性能，且自重较轻。目前对钢管混凝土桥墩的研究与应用主要集中在日本等发达国家，且已取得了一定的研究成果。在我国，钢管混凝土在桥梁工程中的应用主要是作为钢管混凝土拱桥的
31、拱肋和斜拉桥的桥塔。而对钢管混凝土桥墩主要有以下一些研究：马建峰等30 运用有限元法和数值积分法，将钢管混凝土桥墩简化为一端自由、一端固支，在自由端受轴向荷载和水平荷载作用的构件，对钢管混凝土高桥墩的稳定性问题进行理论研究，从而得到此种桥墩的极限承载力。臧华31主要运用柱模型法和试验法，一方面研究了钢管混凝土桥墩的轴压和压弯性能，另一方面研究了混凝土填充高度对钢管混凝土桥墩的抗震性能的影响，从而为钢管混凝土墩柱的设计和应用提出了自己的建议。藏华等32通过拟静力试验，对圆钢管混凝土桥墩和钢筋混凝土桥墩进行了对比试验，通过分析各种试件的破坏过程以及滞回曲线和骨架曲线，发现相同轴力和含钢率情况下，钢
32、管混凝土桥墩的耗能能力明显高于钢筋混凝土桥墩，且高达4.46倍，其延性和刚度退化等方面也均强于钢筋混凝土试件。王占飞等33运用有限元软件MARC模拟在恒定轴压和循环水平荷载共同作用下，钢管径厚比、长细比以及混凝土填充高度对部分填充钢管混凝土桥墩的抗震性能影响，发现钢管径厚比和桥墩柱长细比对部分填充圆形钢管混凝土墩柱的变形和能量吸收的影响较小，但是混凝土填充高度对钢管局部变形发展位置影响较大。冷弯中厚壁钢管自密实性混凝土结构，将冷弯型钢、钢管混凝土及自密实性混凝土三者的优点结合在一起，能够充分发挥各自的优势。然而对于中厚壁冷弯型钢、钢管自密实混凝土的研究报道还比较少见，鉴于此，基于现有的相关研究
33、成果，本文采用试验研究、数值研究和理论分析相结合，对冷弯中厚壁钢管混凝土结构进行研究，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。1.3本文的研究内容结合冷弯钢管混凝土的研究现状，本文采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方式，对设肋与不设肋的冷弯钢管混凝土短柱在轴压作用下的静力特性进行了试验研究和数值研究，并依据短柱的数值模型对钢管混凝土桥墩在实际荷载作用下的受力性能和承载力设计方法进行研究，主要内容如下：1、通过冷弯中厚壁钢管混凝土短柱的轴压试验，研究截面含钢率、加劲肋设置方式等对轴压柱极限承载力的影响；2、基于
34、试验研究结果，进行国内外相关规范承载力计算值与试验值比较分析，为冷弯中厚壁方钢管混凝土承载力计算方法提供参考；3、根据钢材与混凝土材性试验数据设置相关参数，应用有限元分析软件ANSYS建立试件实体模型进行数值计算，将有限元计算结果与试验实测结果从承载力和应力-应变曲线的吻合程度进行分析。4、以修正后吻合较好的数值模型为基础，研究钢管混凝土桥墩在实际荷载作用情况下的受力情况，从而为钢管混凝土桥墩承载力设计方法提供参考。 第2章 钢管混凝土试验研究2.1试验目的本次试验所采用的钢管是由两个对称的槽型冷弯型钢对接拼焊而成，加劲肋在两个槽钢拼焊之前焊接好。对于钢管混凝土试件是先将钢管成型，然后再灌注混
35、凝土到钢管内部，形成整体的钢管混凝土结构。试验中共涉及Q235和Q345两种型号的冷弯型钢，每种钢材的钢管有5种不同设置加劲肋的截面形式。试验由三部分组成，依次为混凝土材性试验、钢材材性试验、钢管混凝土短柱轴压试验。对10个钢管混凝土试件进行了轴压试验，主要研究冷弯效应、不同加劲肋布置形式、不同钢管壁厚等对冷弯中厚壁钢管混凝土柱轴心受压力学性能的影响。通过试验主要达到以下目的：1、 钢管混凝土轴心受压极限承载力的测定；2、 钢管混凝土随轴心荷载增加钢管外壁几何中心位置纵向应变的测定；3、 研究加劲肋尺寸、数量及布置形式对轴心受压力学性能的影响；4、 为规范承载力计算结果和数值计算结果的对比提供
36、依据；5、 为有限元实体建模提供相关参数。2.2混凝土材性试验本试验采用加减水剂和6%水泥膨胀剂的C30自密实混凝土。原材料采用基准水泥，武汉青源热电厂级粉煤灰F类，中砂（过筛5 mm），520 mm碎石（过筛26.5 mm）， UEA膨胀剂（掺量10%）。其配合比如下表2-1所示。表2-1自密实混凝土配合比材料砂率水泥粉煤灰水砂石UEA膨胀剂HL-8000高性能减水剂28天抗压强度类型混凝土50%25686200909909383.8C30注：单位为kg/m3按照上述设计配合比制作混凝土试件。试验按照文献34要求标准进行。普通混凝土力学性能试验以三个试件为一组。混凝土抗压强度试验采用3个15
37、0 mm150 mm150 mm立方体试件。静力受压弹性模量试验采用3个150 mm150 mm300 mm棱柱体试件。所有混凝土试件均采用标准养护，养护龄期为28d。试件达到标准后，对其进行抗压强度试验和静力受压弹性模量试验。试件的加载方法和测试内容依据规范要求，加载图示如下图2-1、图2-2所示。抗压强度试验和静力弹性模量试验混凝土的破坏状态如图2-3、图2-4所示。试件破坏时出现局部脱落和贯穿性裂缝。 图2-1 抗压强度试验加载图示 图2-2 静力受压弹性模量试验加载图示图2-3 抗压强度试验破坏状态示意 2-4 静力受压弹性模量试验破坏状态示意通过试验结果测得混凝土的抗压强度为25.8
38、1 MPa，混凝土的静力弹性模量为2.84104 N/mm2,其具体数据如下表2-2所示。表2-2 混凝土材性试验结果混凝土类型平均截面积（mm2）极限承载力（KN）抗压强度（MPa）静力弹性模量平均值（104 MPa）C30自密实混凝土22500591.225.812.842.3钢材材性试验本次试验的钢材由武汉钢铁集团汉口轧钢厂生产加工。由于冷弯、焊接等工艺的影响，钢管中各部分力学性能存在一定差异，因此为了能够提供可靠的钢管混凝土承载力分析和数值模拟所需数据，必须将钢管进行划分，分别测试其力学性能。试验中将整个钢管划分为平板、焊缝区平板、弯角、加劲肋四部分；同时为了满足钢材与混凝土同时承受均
39、布荷载的要求，在钢管的底部和顶部焊接了面积大于钢管截面积、厚度大于钢管壁厚的顶底板，为数值模拟提供准确的材性参数，同样对其进行了相应的力学性能试验。以设置单向单排加劲肋的截面为例说明钢管各组成部分位置关系如图2-5所示。图2-5 钢管各部分位置关系示意2.3.1试件设计与加载参照土木工程测试技术手册35的规定，同时考虑到测试加载的条件，钢材材性试验采用的试件为短比例试样，其设计长度计算公式为,为试样的横截面积，以平板板状试样为例，各部分代表含义如图2-6所示。图2-6 板件材性试验平板试样图中 试样测试段长度，； 试样过渡段之间的平行段长度，计算方法为；试样的厚度；试样的宽度，取30 mm；试
40、样端部宽度，计算方法为； 试件过渡段圆弧半径，取2040 mm；试样端部的长度，厚度为6 mm和8 mm时取50 mm，厚度为10 mm和16 mm时取60 mm；考虑加载机器咬合影响的圆弧过渡段长度，取1520 mm；试样的全部长度。弯角板件设计同样采用短比例试样，进行90弯曲，弯角试样标距段截取的是弯角理论上全部弯曲部分，即同厚度和弯曲半径钢管截面的四分之一。除截面积算法外，设计方法与平板试件基本一致，弯角板件截面面积计算公式为，式中为试样弯曲内半径，为弯角试样的厚度。测试过程中现有的拉力试验机械不能满足钢材端部的弯曲状咬合要求，所以在进行拉伸试验前对弯角试样的端部需要进行压平处理，压平后
41、继续用砂轮机在其表面轻轻滑动形成密致网格，最大程度提升其咬合能力，尽可能减小拉伸试验时的滑动。根据以上设计要求，委托汉口轧钢厂和华中科技大学机械厂对钢管同批次板材试样加工，并对加工后的试样打毛处理，对试样边缘不光滑或瑕疵处用砂轮片打磨光滑，对存在焊缝的平板试样端部咬合区域焊缝打磨，直至与平板部分同平面，由于试验前板件没有留下照片，故以试验后的板件来示意加工后试样见下图2-7所示。 （a）平板板件 （b）弯角板件图2-7 加工后板件示意试样加工完毕后，进行拉伸试验，平板板件在自动拉伸机上加载，输入应变控制速率（应力控制速率）和断点比例等数据即可；由于自动拉伸机试验条件不能满足弯角部分板件试样的加
42、载要求，弯角板件在600 KN油压拉力机上加载。加载方案参照国家标准金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法（GB/T 228.12010）36进行。自动拉伸机和油压拉力机的加载方式见图2-8、2-9。 图2-8 自动拉伸机加载示意 图2-9 油压拉伸机加载示意平板试样、焊缝处平板板件和弯角试样加载后的破坏状态如图2-10所示，随拉力增大试件应变不断增加并且发生颈缩现象，进而不断发展直至破坏，除个别弯角试件断裂在标距以外，其他试件断裂均在标距范围内。 （a）平板板件 （b）焊缝处板件 （c）弯角板件图2-10板件试样破坏状态2.3.2试验实测数据与结果分析根据试验设计要求，设计制作了10组试件，
43、每组3个共计30个板材试样，采取P、W、C、S、T 6、8、10、161、2、3形式编号：第一部分代表钢材所在钢管截面位置，P代表平板、S代表加劲肋、W代表焊缝区平板、C代表弯角、T代表端板；第二部分代表钢材的厚度，本试验中共涉及6 mm、8 mm、10 mm、16 mm四种厚度；第三部分代表同种设计规格板材取3个试样。以W-6-2为例，其代表的含义是6 mm厚焊缝处平板截取的第2根板材试样。根据自动拉伸机和油压拉力机所测得的数据，按照土木工程测试技术手册35中关于金属拉伸试验处理数据的方法，对试验中所测得的数据进行处理。在计算弯角试样应力数值时，假定在拉伸过程中试样标距段截面没有发生变化，将
44、截面极限拉力除以截面面积即可为应力。根据试验数据采用软件MATLAB对全部平板和弯角试样数据进行处理，得到形式统一的应力-应变曲线。从曲线上可以看出仅有少部分平板板件的应力-应变曲线有明显的屈服台阶，多数平板板件表现出在达到抗拉极限强度前存在拉力下降而后上升的现象，而弯角部分试件均没有上述平板试件所存在现象，整个拉伸过程呈现出一条平滑的曲线。故屈服强度的测定方法参照土木工程测试技术手册35，对于存在明显屈服现象的试样而言，采用图示法，即读取所绘制曲线上明显屈服台阶所对应的应力数值；对于没有明显屈服现象的试样，屈服强度数值采用的是试样标距段应变量达到0.2%初始标距所对应的应力数值。以平板试件L
45、-6-1和弯角试件C-6-1为例，其屈服台阶及屈服点的选取见图2-11、2-12（虚线为选取的应力-应变关系初始线性段），所有试样处理后的数据汇总于表2-3。表中A为板件的横截面面积，其计算方法如2.3.1所述；为试验测得的板件极限强度，为同种板件极限强度平均值，为试验测得板件屈服强度， 为同种板件屈服强度平均值。从表2-3中可以看6 mm的带焊缝的平板板件和弯角板件屈服强度分别为535.54 MPa、539.76 MPa，比相应平板强度437.88 MPa分别提高了22.30%、23.27%。10 mm的带焊缝的平板板件和弯角板件屈服强度分别为505.00 MPa、433.55 MPa，比相
46、应的平板强度381.68 MPa分别提高了32.31%、13.59%。最少的提高程度也有将近14%，说明冷弯效应的作用和焊缝的作用对板件强度的提高均有很明显的影响。 图2-11 平板试样L-6-1应力应变曲线 图2-12 弯角试样CP-6-1应力应变曲线表2-3 板件材性试验数据汇试件编号A(mm2)(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)试件编号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-