预应力非等壁矩形钢管(箱)混凝土梁的受力性能研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51878407
项目类别：
面上项目
资助金额：
61.0万
负责人：
李四平
依托单位：
上海交通大学
学科分类：
E0804.结构工程
结题年份：
2022
批准年份：
2018
项目状态：
已结题
起止时间：
2019-01-01 至2022-12-31

项目参与者：
孙雁；张扬；王菁；傅光远；闫棣；苏祺；
关键词：
弯曲刚度钢箱-混凝土梁抗弯承载力非等壁矩形钢管混凝土预应力

项目摘要

Concrete-filled non-uni-thickness walled rectangular steel tube members have great bearing capacity, which are the members with optimal cross-sections used in frame structures and long-span bridges. The experimental study show that there is much room for improving bending capacity of beams after the local buckling and large deformation appear. The project plan to study the flexural behavior of prestressed concrete-filled non-uni-thickness walled rectangular steel tube(box) beams. The prestressing tendon can not only effectively improve the bending stiffness of members but also can sufficiently exploit potentialities of bearing capacity. The steel box-concrete composite section with hollow bottom chamber can further reduce the weight of members. The influence of material strength, wall thickness of steel tubes, section size, prestressing process and magnitude of prestressing force on bending stiffness and capacity will be discussed by optimal design of cross-section, model tests, theoretical analysis and numerical simulation. The effect of pre-tensioned and post-tensioned method will be compared by tracing the whole process of fabrication od models, adding prestress, loss of prestress and loading to failure. The relationship between moment and curvature of prestressed concrete-filled non-uni-thickness walled rectangular steel tube(box) beams will be established. And the calculation method of bending capacity, bending stiffness and deformation under serviceability limit states will be determined. The research of this project will further promote the application of steel-concrete composite members in large-span structures.

非等壁矩形钢管混凝土构件具有良好的承载性能，是框架梁柱、大跨桥梁等均可采用的优化截面构件。试验研究表明，在受压区管壁局部皷曲、挠曲变形很大之后，其承载能力还有一定的提升空间。本项目拟对预应力非等壁矩形钢管(箱)混凝土构件进行抗弯承载性能研究，施加预应力不仅可有效地提高构件的抗弯刚度，还可充分挖掘构件的承载潜力，进一步采用下室中空的钢箱-混凝土组合截面，还能减轻构件的自重。通过截面优化设计、模型试验、理论分析和数值模拟等途径，探讨其抗弯承载力、弯曲刚度和变形随材料强度、钢管壁厚、截面尺寸、预应力方式和大小等因素的变化规律，追踪从构件制作、施加预应力、预应力损失到加载破坏的全过程，比较先张法和后张法预应力的不同效果，建立预应力非等壁矩形钢管(箱)混凝土梁的弯矩-曲率关系，确定构件抗弯承载力以及正常使用极限状态下刚度和变形的计算方法。本项目的研究将更好地促进钢-混凝土组合构件在大跨结构中的应用。

结项摘要

提高大跨度梁正常使用状态的抗弯刚度是工程中迫切需要解决的问题之一。普通钢-混凝土连续组合梁当跨度或荷载较大时，变形和裂缝可能无法满足正常使用极限状态的要求。预应力技术能较好地解决上述问题，可有效地减小构件的变形，增加梁的弹性工作范围。同时，非等壁矩形钢管混凝土受弯构件的试验研究表明，在受压区管壁局部皷曲、挠曲变形很大之后，其承载力还有一定的提升空间，因此，施加预应力还可进一步挖掘构件的承载潜力。申请人前期研究结果表明，当含钢率约为0.2时，非等壁矩形钢管混凝土的抗弯承载力较等壁厚钢管混凝土可提升15%以上，并能够通过增加混凝土的强度以及钢材屈服强度有效地提高受弯构件的承载能力，特别对高含钢率和高强混凝土构件，非等壁截面构件对抗弯承载力提高效果更加显著。本项目在前期工作基础上，将非等壁矩形钢管混凝土、钢箱-混凝土两种截面形式与预应力技术结合，提出预应力非等壁矩形钢管(箱)-混凝土组合截面梁，旨在进一步提高组合梁的承载性能。.本项目对预应力非等壁矩形钢管(箱)-混凝土组合梁进行了承载性能研究，通过截面设计、模型试验、理论分析和结构试验数值仿真等途径，探讨了预应力非等壁矩形钢管(箱)-混凝土组合梁的抗弯性能，研究了抗弯承载力以及抗弯刚度随混凝土填充率、截面外轮廓尺寸、预应力大小等因素的变化规律，建立了预应力非等壁钢管(箱)-混凝土组合梁的载荷-挠度关系，确定了构件的刚度和承载力的计算方法。.本研究项目提出了钢-混凝土组合梁设计的一种新方案，一方面，构件内部添加预应力，提升构件的承载力以及刚度。另一方面，采用非等壁钢箱组合截面，不仅有效地减轻了自重同时在保证用钢量不变的前提下提升承载力。因此，这种构件设计方案不仅能保持了构件承载力的安全性能要求，还能保证构件施工的简便，具有明显的技术、经济优势。本项目的研究对促进钢-混凝土组合结构在工程中的应用和发展具有重要的理论意义和社会经济效益。