20110615雅泸高速公路黑石沟大桥钢管混凝土叠合格构柱高墩模型试验报告-赵改

雅泸高速公路黑石沟大桥钢管混凝土叠合格构柱高墩模型抗弯性能试验研究报告

西南交通大学土木工程学院

桥梁工程系

2011年11月

目录

1 概述 (1)

1.1研究现状 (1)

1.2试验目的 (1)

2 正截面抗弯承载能力估算 (2)

2.1按普通钢筋混凝土构件估算其承载力 (2)

2.1.1 材料参数 (2)

2.1.2 计算假定 (2)

2.1.3 计算简化 (3)

2.1.4平衡方程求解 (3)

2.2试验荷载估算 (4)

3加载方案与试验过程 (6)

3.1加载布置 (6)

3.2测点布置 (7)

3.2.1 变形测点布置 (7)

3.2.2 应力测试截面及测点布置 (7)

3.3试验流程 (8)

3.4试验过程 (9)

4模型试验结果与分析 (10)

4.1荷载位移曲线 (10)

4.2位移测试结果 (11)

4.3延性结果 (11)

5有限元计算模型分析 (13)

5.1有限元分析的目的 (13)

5.2有限元模型的建立 (13)

5.3有限元计算结果与试验结果对比分析 (17)

5.3.1 荷载位移曲线对比分析 (17)

5.3.2 控制截面应变应力对比分析 (18)

5.3.3 钢管应力计算结果 (21)

6参数研究 (23)

6.1钢管混凝土强度等级的影响 (23)

6.1.1荷载-位移曲线 (23)

6.1.2腹板正应变分布 (24)

6.1.3顶板、底板正应力 (25)

6.1.4钢管及钢管内混凝土应力 (26)

6.2钢材强度等级的影响 (26)

6.2.1荷载-位移曲线 (27)

6.2.2腹板正应变分布 (27)

6.2.3顶板、底板应力 (29)

6.2.4钢管及钢管内混凝土应力 (29)

6.3截面高宽比的影响 (30)

6.3.1荷载-位移曲线 (30)

6.3.2腹板正应变分布 (31)

6.3.3顶板、底板应力 (33)

6.3.4钢管及钢管内混凝土应力 (33)

7结论与建议 (35)

7.1试验 (35)

7.2参数研究 (35)

参考文献 (36)

1 概述

1.1 研究现状

钢管混凝土格构柱为近年来逐渐发展起来的新型组合结构，格构式的构件可以保证单肢接近理想轴压状态且又具有较大的截面惯性矩，可以充分发挥钢管混凝土原有的优势，有效解决圆钢管混凝土柱不利于压弯的问题，因此已被大量应用于荷载偏心率较大或长细比较大的结构中，如单层工业厂房的柱、钢管混凝土拱桥、超高层建筑结构、巨型结构等。

目前，对钢管混凝土格构柱的研究开展得较少，日本学者河野昭彦等人对双肢钢管混凝土格构柱的抗震性能进行了试验研究与理论分析[4]。中国蔡绍怀[5]、钟善桐[6]等人对钢管混凝土格构柱进行了受力性能研究。福州大学陈宝春等人[7]对四肢钢管混凝土格构柱在轴压和偏压下的极限承载力进行了试验研究和理论分析。对钢管混凝土格构柱的研究仅限于受压状态的力学性能和承载力，对钢管混凝土格构柱弯曲性能的分析研究较少。

1.2 试验目的

本项试验主要研究钢管混凝土叠合格构柱作为梁受弯时的力学性能和承载力，测出构件在受弯时控制截面的应变参数，研究该组合结构作为梁受弯时的力学性能，同时测出构件受弯时控制截面的位移参数，获得荷载—位移曲线，研究该组合结构作为梁受弯时的承载力及延性性能，并在参数研究中分析影响该组合结构弯曲性能的因素。

2 正截面抗弯承载能力估算

2.1 按普通钢筋混凝土构件估算其承载力

取跨中处截面进行承载力估算，截面尺寸如图2-1所示。

图2-1 钢管混凝土截面尺寸

2.1.1 材料参数

承载力估算是为进行科学试验研究，而非设计，故混凝土强度取其棱柱体抗压强度标准值：

钢管：Q235-C 132 2.4mm φ⨯ 51.8710E MPa =⨯254.43y f MPa =

钢管内混凝土：C80 MPa f ck 80.601=

腹板混凝土：C30 MPa f ck 21.212=

2.1.2 计算假定

(1) 平截面假定；

(2) 钢管简化为集中到其形心处的钢筋；

(3) C80混凝土极限应变取为0.0033cu ε=；

(4) 破坏时钢管内混凝土达到极限应变；

(5) 忽略压区钢管对混凝土的套箍作用。

2.1.3 计算简化

钢管内C80混凝土达到极限应变，将腹板C30混凝土与钢管计算截面等效为如图2-2所示的工字型截面。

图2-2 简化计算截面（图中尺寸单位为：

）

2.1.4平衡方程求解

根据平截面假定有截面应变图如下：

图2-3 截面应变图 在图中标出εcu

其中0033.0=cu ε。

混凝土等效矩形应力图如下所示：

图2-4 混凝土等效矩形应力图 在图中标出应力分布

其中应力值为ck f 。

受压区高度x 的计算由下列两式联立求解：

25cu

s x x εε'

=- ①

s y c ck c ck c ck s s

A f A f A f A f A =+++''322211σ ② 代入数据将①、②两式变化为如下形式：

525

0.0825()(0.0033) 1.8710cu s cu s E x x

εσε⨯'=-⨯=-⨯⨯ 1994.3260.8212707.61621.211000.821.2150236254.431994.32s

x σ'+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯=⨯将①式代入②求解出

12.12x mm =

由x 的计算结果可推断，等效截面受压区高度较小，可忽略，压区合力作用点取到压区钢管混凝土形心处，截面抗弯承载能力计算如下：

0()u y s s

M f A h a '=- 254.431994.32(113225)=⨯⨯-

m kN ⋅=71.561

2.2 试验荷载估算

根据总工程量表，试验墩总重量为：

kN W 21.56=

则自重的线荷载集度：

m kN L W q /595.859.6/21.56/===

自重产生的跨中弯矩为：

m kN qL M g ⋅=⨯⨯==6775.386595.8125.08

1220