中空钢管混凝土_ECC叠合柱轴心受压机理研究.pdf

摘要

中空钢管混凝土叠合柱由内置空心钢管和外围混凝土组成，具有自重轻、抗弯刚度

大、应用前景广阔等优点。外围混凝土作为内置钢管的有效支撑，可提高钢管屈曲性能；

内置钢管可对外围混凝土提供均匀约束。同时钢管可作为叠合柱施工模板，简化施工工

序。但混凝土变形能力较差，与高强钢管变形能力不协调，高强钢管作用无法充分发挥，

致使中空钢管混凝土叠合柱应用受限。ECC(EngineeredCementitiousComposite)是一种

拥有应变硬化特性和超高韧性的材料，和钢材具有较好的变形协同能力与粘结能力。在

对中空钢管混凝土叠合柱受力分析的基础上，针对混凝土与高强钢管变形协同能力差的

缺点，提出中空钢管-ECC叠合柱。

本文首先利用有限元软件建立75个中空钢管混凝土叠合柱模型，根据已有试验验

证有限元建模方法和相关参数的正确性。在此基础上对中空钢管混凝土叠合柱轴心受压

性能进行分析，研究内置钢管厚度、直径以及屈服强度对试件轴心受压性能的影响。结

果表明，增大钢管厚度，钢管局部屈曲性能得到改善，试件承载力和延性得以提高；试

件承载力和延性随钢管直径增大显著降低；随着钢管屈服强度提高，外围混凝土与高强

钢管变形能力差异大的问题更为突出，致使高强钢管无法充分利用。研究表明，内置钢

管局部屈曲是影响中空钢管混凝土叠合柱轴心受压性能的重要因素，将内置钢管简化为

圆柱壳模型，对其屈曲模态进行分析，利用势能驻值原理计算内置钢管临界屈曲应力，

提出其发生弹性屈曲时的临界径厚比。通过对中空钢管混凝土叠合柱轴心受压性能分析，

提出中空钢管混凝土叠合柱轴心受压承载力计算公式，结果表明公式计算值与有限元结

果吻合较好。

基于ECC高延性及高韧性的特点，将高强钢管与ECC组合形成中空钢管-ECC叠

合柱。有限元分析表明，与中空钢管混凝土叠合柱相比，中空钢管-ECC叠合柱具有承

载力高、延性好的优点，ECC与高强钢管具有更好的组合效应。研究表明，增大纵筋配

筋率对中空钢管-ECC叠合柱承载力和延性提高作用较小；试件长细比对中空钢管-ECC

叠合柱轴心受压性能影响显著。通过对中空钢管-ECC叠合柱各材料承载力进行分析，

提出中空钢管-ECC叠合柱轴心受压承载力计算公式。

关键词：中空钢管，ECC，叠合柱，轴压性能，有限元分析

i

Abstract

Hollowsteeltubereinforcedconcretecolumnconsistsofhollowreinforcedconcrete

columnwithasteeltubeembedded.Ithasanumberofadvantages,includinglargerbending

stiffnessandmaterialsavingeffect,therebyleadingtominimizethecolumnweight.Outer

concretecanberegardedastheeffectsupporttoenhancethelocalbucklingresistanceofsteel

tube.Furthermore,thesteeltubeembeddedcannotonlymakeconcreteuniformlyconfined,

butalsobeusedastheformworktosimplifytheconstructionprocedures.However,thehigh

strengthsteeltubecannotbefullyutilizedduetothepoordeformationcapacityofconcrete,

whichlimitstheapplicationofhollowsteeltubereinforcedconcretecolumn.ECC(Engineered