三肢钢管混凝土弦杆—钢管腹杆桁架抗弯力学性能研究
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摘要
钢管混凝土弦杆-钢管腹杆共同组成的组合桁架（以下简称钢管混凝土桁架）具有受力合理、空间刚度大、整体性强、结构美观等特点，在工程实际中正被越来越广泛地应用。但目前对该类结构设计原理的理论和试验研究报道较少，有待于深入研究。
本文对带混凝土板和不带混凝土板的三肢圆形截面钢管混凝土桁架进行了研究，进行的主要工作和取得的研究成果如下：
1．对钢管混凝土的轴拉力学性能进行了理论分析和试验研究。试验结果表明，钢管混凝土构件受拉过程中，其核心混凝土整体性良好，能对外钢管起到有效的支撑作用，从而有效地阻止钢管的颈缩。建立了钢管混凝土轴拉力学性能的有限元分析模型，模型计算结果与试验结果吻合良好，利用该模型深入研究了钢管混凝土轴拉作用下的荷载-位移全过程关系，在此基础上分析了含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度的影响规律，提出了钢管混凝土抗拉强度计算公式。
2．进行了三肢圆形钢管混凝土桁架抗弯承载能力的系列试验研究。试验参数包括：剪跨比、是否带混凝土板、弦腹杆夹角，并与空钢管桁架进行了对比。通过试验，研究了上述参数对桁架破坏形态、抗弯承载力及抗弯刚度的影响规律。试验结果表明，弦杆内填充混凝土后显著改善了桁架的工作性能，桁架整体承载力、刚度和延性均有明显提高。
3．对三肢圆形钢管混凝土桁架的荷载-变形全过程关系进行了深入研究。建立了钢管混凝土桁架的非线性有限元计算模型，通过和典型试验结果的对比分析，验证了模型的合理性。在此基础上对钢管混凝土桁架受弯时的荷载-变形全过程关系进行了计算分析，深入研究了组成桁架的各杆件在受力过程中的应力应变分布和变化规律。研究了钢管混凝土桁架抗弯破坏特征及传力路径，分析了各主要影响因素，如内填混凝土强度、带混凝土板与否、混凝土板厚度、桁架高跨比、桁架上下弦强度比、桁架截面高宽比、弦腹杆夹角等参数对钢管混凝土桁架抗弯力学性能的影响规律。
4．研究了三肢圆形截面钢管混凝土桁架抗弯承载力的计算方法。在对钢管混凝土桁架工作机理深入研究的基础上，推导并提出了桁架截面极限弯矩和抗弯刚度的实用计算方法；提出钢管混凝土桁架上下弦强度比的定义，确定了该参数的合理取值范围。有关成果可为此类结构的工程应用及相关规范制定提供参考。
Concrete-filled steel tube (CFST)–steel tube truss (referred as CFST truss forshort in the below，which use CFST member as its chord and hollow tube as its brace)has been used more and more widely nowadays because of its reasonable forcetransformation mechanics, large space stiffness, good structural integrity, fine outwardappearance and so on. However relative theoretical and experimental researches aboutdesign principle of this kind of structure are seldom, and a further study is necessary.
This paper studies the flexural performance of three-main components CFST trusswith and without reinforcement concrete (RC) slab. The main research work andoutcomes are summarized below:
1. Theoretical and experimental researches were carried out on the axial tensionperformance of CFST. A total of18specimens were tested. The experimental resultsshowed that, the integrity of the inner concrete was good during the tensile experimentalprocess and the supporting effect of concrete tends to restrain the pinching feature of thesteel tube. A finite element model (FEM) was developed to perform mechanism andfull-range analysis for CFST under axial tension. The accuracy of FEM was verified byexperimental results. The influences of various parameters, including steel ratio,concrete strength and steel yield strength, were analyzed. Finally, a simplified formulathat could predict the tensile strength of CFST was proposed.
2. A series of experiments were carried out on the CFST truss with vertical load onthe symmetrical four cent point along the span of the truss. The main parameters wereshear span ratio, RC slab and the angle between brace and chord. A hollow steel tubetruss was tested as a comparison of the CFST truss specimens. The influences of theseparameters on the flexural behavior and failure mode of CFST truss were investigated.The results showed that the inner concrete of chord can improve the mechanicalperformance of the truss notably, and the flexural bearing capacity, flexural rigidity andstructural ductility were also improved obviously.
3. Full-range analysis on load versus deformation relations of CFST truss subjectedto flexural loading was performed based on an established FEM. The accuracy andrationality of the FEM were verified by the collected experimental results. Based on theFEM, the stress and strain distributions and developments at different characteristicpoints of the full-range process were analysed, and the typical flexural failure moedes of the CFST truss member were illustrated. The mechanical transmission path of CFSTtruss were also analysed. Parametric analysis was conducted on the influences offlexural performance of CFST truss. The parameters included inner concrete of chord,RC slab, shear span ratio (height to span ratio), the strength ratio of top boom and lowerboom, height to width ratio of the truss cross-section, and the angle between brace andchord.
4. The flexural bearing capacities and flexural rigidities of CFST truss with orwithout RC slab were proposed herein. The strength ratio between top boom and lowerboom was defined, and the validity limit was suggested. This achievement can be usedin the project design and for the design code reference.
本文对带混凝土板和不带混凝土板的三肢圆形截面钢管混凝土桁架进行了研究，进行的主要工作和取得的研究成果如下：
1．对钢管混凝土的轴拉力学性能进行了理论分析和试验研究。试验结果表明，钢管混凝土构件受拉过程中，其核心混凝土整体性良好，能对外钢管起到有效的支撑作用，从而有效地阻止钢管的颈缩。建立了钢管混凝土轴拉力学性能的有限元分析模型，模型计算结果与试验结果吻合良好，利用该模型深入研究了钢管混凝土轴拉作用下的荷载-位移全过程关系，在此基础上分析了含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度的影响规律，提出了钢管混凝土抗拉强度计算公式。
2．进行了三肢圆形钢管混凝土桁架抗弯承载能力的系列试验研究。试验参数包括：剪跨比、是否带混凝土板、弦腹杆夹角，并与空钢管桁架进行了对比。通过试验，研究了上述参数对桁架破坏形态、抗弯承载力及抗弯刚度的影响规律。试验结果表明，弦杆内填充混凝土后显著改善了桁架的工作性能，桁架整体承载力、刚度和延性均有明显提高。
3．对三肢圆形钢管混凝土桁架的荷载-变形全过程关系进行了深入研究。建立了钢管混凝土桁架的非线性有限元计算模型，通过和典型试验结果的对比分析，验证了模型的合理性。在此基础上对钢管混凝土桁架受弯时的荷载-变形全过程关系进行了计算分析，深入研究了组成桁架的各杆件在受力过程中的应力应变分布和变化规律。研究了钢管混凝土桁架抗弯破坏特征及传力路径，分析了各主要影响因素，如内填混凝土强度、带混凝土板与否、混凝土板厚度、桁架高跨比、桁架上下弦强度比、桁架截面高宽比、弦腹杆夹角等参数对钢管混凝土桁架抗弯力学性能的影响规律。
4．研究了三肢圆形截面钢管混凝土桁架抗弯承载力的计算方法。在对钢管混凝土桁架工作机理深入研究的基础上，推导并提出了桁架截面极限弯矩和抗弯刚度的实用计算方法；提出钢管混凝土桁架上下弦强度比的定义，确定了该参数的合理取值范围。有关成果可为此类结构的工程应用及相关规范制定提供参考。
Concrete-filled steel tube (CFST)–steel tube truss (referred as CFST truss forshort in the below，which use CFST member as its chord and hollow tube as its brace)has been used more and more widely nowadays because of its reasonable forcetransformation mechanics, large space stiffness, good structural integrity, fine outwardappearance and so on. However relative theoretical and experimental researches aboutdesign principle of this kind of structure are seldom, and a further study is necessary.
This paper studies the flexural performance of three-main components CFST trusswith and without reinforcement concrete (RC) slab. The main research work andoutcomes are summarized below:
1. Theoretical and experimental researches were carried out on the axial tensionperformance of CFST. A total of18specimens were tested. The experimental resultsshowed that, the integrity of the inner concrete was good during the tensile experimentalprocess and the supporting effect of concrete tends to restrain the pinching feature of thesteel tube. A finite element model (FEM) was developed to perform mechanism andfull-range analysis for CFST under axial tension. The accuracy of FEM was verified byexperimental results. The influences of various parameters, including steel ratio,concrete strength and steel yield strength, were analyzed. Finally, a simplified formulathat could predict the tensile strength of CFST was proposed.
2. A series of experiments were carried out on the CFST truss with vertical load onthe symmetrical four cent point along the span of the truss. The main parameters wereshear span ratio, RC slab and the angle between brace and chord. A hollow steel tubetruss was tested as a comparison of the CFST truss specimens. The influences of theseparameters on the flexural behavior and failure mode of CFST truss were investigated.The results showed that the inner concrete of chord can improve the mechanicalperformance of the truss notably, and the flexural bearing capacity, flexural rigidity andstructural ductility were also improved obviously.
3. Full-range analysis on load versus deformation relations of CFST truss subjectedto flexural loading was performed based on an established FEM. The accuracy andrationality of the FEM were verified by the collected experimental results. Based on theFEM, the stress and strain distributions and developments at different characteristicpoints of the full-range process were analysed, and the typical flexural failure moedes of the CFST truss member were illustrated. The mechanical transmission path of CFSTtruss were also analysed. Parametric analysis was conducted on the influences offlexural performance of CFST truss. The parameters included inner concrete of chord,RC slab, shear span ratio (height to span ratio), the strength ratio of top boom and lowerboom, height to width ratio of the truss cross-section, and the angle between brace andchord.
4. The flexural bearing capacities and flexural rigidities of CFST truss with orwithout RC slab were proposed herein. The strength ratio between top boom and lowerboom was defined, and the validity limit was suggested. This achievement can be usedin the project design and for the design code reference.
引文
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