螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究.pdf

分类号 TU398 密级UDC_专业学位硕士学位论文螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究专业学位名称工程硕士（建筑与土木工程领域）_ 螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究摘要随着我国经济、人口等的快速增长，高层与超高层建筑结构的普及，对构件的各项性能的要求愈发严苛。核心钢管混凝土组合柱构件，不仅继 承了普通钢管混凝土的特点，其外包混凝土能对钢管起到保护作用，增强 其抗火性能。为了进一步提升组合柱构件的性能，将螺旋箍筋应用于钢管 混凝土组合柱中，螺旋箍筋的存在不仅能进一步约束核心混凝土，还能增 强其抗压承载力。目前对于该类组合柱的研究极少，为此对螺旋箍筋约束钢管混凝土组 合柱抗剪承载力进行研究，本文共设计了 16根组合柱试件进行低剪跨比试 验，研究了混凝土强度等级、螺旋箍筋间距、圆钢管截面尺寸和螺旋箍筋 种类等参数对组合柱在受剪作用下的构件开裂模式、初始刚度、屈服强度、峰值强度、以及延性和破坏模式的影响。得出了以下主要结论：(1)螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱较普通钢筋混凝土柱的抗剪性能 明显提升，其在低剪跨比(剪跨比为0.88)的情况下，构件将在底部优先 开裂，并会在支座处产生沿试验底部向加载端延伸的斜裂缝，最终斜裂缝 之间的混凝土形成短柱被压溃导致构件破坏。(2)混凝土强度等级的提升能明显提高构件的初始刚度、屈服荷载和 峰值荷载，但构件延性有所下降。螺旋箍筋强度的提升、间距的减小均能 显著提高构件的承载力，但螺旋箍筋间距的改变对初始刚度和屈服强度影 响很小。钢管的直径对构件承载力的影响微小，但提高含钢率同样能提升构件的承载力。(3)基于试验结果，提出了螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪作用 下的承载力计算方法，其预测结果与试验结果吻合良好。关键词：螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱试验研究承载力计算IIEXPERIMENTAL RESEARCH ONSHEAR BEHAVIOR OF CONCRETE FILLEDSTEEL TUBULAR COLUMNS CONFINEDWITH SPIRAL STIRRUPSABSTRACTWith the rapid growth of Chinas economy and population,the popularization of high-rise and super-high-rise building structures,the requirements for the performance of components become stringently.Core concrete filled steel tubular composite columns not only inherit the characteristics of ordinary concrete filled steel tubular,but also can protect steel tubular and enhance its fire resistance by enclosing concrete.For further improving the performance of composite columns,spiral stirrups are applied to concrete filled steel tube composite columns.The existence of spiral stirrups can not only further restrain core concrete,but also enhance its compressive capacity.Currently,there are few literature reviews on this kind of composite columns.Therefore,the shear capacity of concrete filled steel tube composite columns confined by spiral stirrups is studied.In this paper,16 composite columns were conducted fbr investigating the shear behavior of the concrete filled steel tubular columns confined with spiral stirrups.The cracked mode,initial stiffness,yield strength,peak strength,ductility and failure modes were studied by the strength grade of concrete,the spacing of spiral stirrups,the section size of circular steel tube and the type of spiral stirrups.The main results can be summarized as follows:in(1)The shear behavior of the concrete filled steel tubular columns confined with spiral stirrups is obviously improved compared with ordinary reinforced concrete columns.In the case of low shear span ratio(shear span ratio is 0.88),members will crack preferentially at the bottom,and inclined cracks extending along the bottom of the test to the loading end will occur at the support,and ultimately the concrete between the inclined cracks will form a short column which will be crushed and lead to member failure.(2)The initial stiffness,yield load and peak load of concrete members can be significantly increased by increasing the strength grade of concrete,but the ductility of components decreases.Increasing the strength of spiral stirrups and decreasing the spacing of spiral stirrups can significantly improve the bearing capacity of members,but the change of the spacing of spiral stirrups has little effect on the initial stiffiiess and yield strength.The diameter of steel tube has little effect on the bearing capacity of the members,increasing the steel content can improve the bearing capacity of members also.(3)Based on the test results,a method fbr calculating the bearing capacity of concrete filled steel tubular composite columns confined by spiral stirrups under shear is proposed.The predicted results are in good agreement with the test results.KEY WORDS:Confined with spiral stirrup;Concrete filled steel tube;Composite column;Experimental study;Bearing capacity calculationIV目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1引言.1L2钢管混凝土核心柱研究现状.11.2.1 钢管混凝土柱研究.11.2.2 钢管混凝土组合柱研究.51.2.3 螺旋箍筋约束混凝土柱研究.71.3本文主要的研究工作和内容.9第二章螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪试验研究.112.1 前言.112.2 试验概况.112.2.1 试验材料.11222试件设计.122.2.3 加载装置及加载制度.142.2.4 测量方法及测量内容.152.3 试验现象.162.4 本章小结.34第三章螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱的抗剪性能参数分析.363.1 荷载一位移曲线.363.2 混凝土强度等级的影响.373.3 螺旋箍筋间距.393.4 圆钢管截面尺寸.403.5 螺旋箍筋种类的影响.413.6 本章小结.42第四章螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱抗剪承载力计算.434.1 引言.43v4.2 组合柱侧向受力状态分析.434.2.1 钢管.454.2.2 混凝土.46423螺旋箍筋.474.2.4 侧向抗压验算.474.2.5 总抗剪承载力.474.3 计算校验.484.4 本章小结.49第五章结论与展望.505.1 主要结论.505.2 展望.50参考文献.51致谢.57攻读硕士学位期间所发表的学术论文.58VI广西大学工程硕士学位论文螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究第一章绪论1.1 引言我国正处于发展建设的高峰期，对高层、超高层建筑结构、大跨度桥梁结构等特殊 结构的综合效益要求愈发严苛。钢-混凝土组合结构是在原有的钢结构和钢筋混凝土结 构的基础上发展而来，其综合了两者的优点，不仅能提高构件的承载力、节约材料减轻 结构自重，而且能通过减少构件截面面积增大使用空间。常见的钢-混凝土组合结构包 括钢管混凝土、型钢混凝土、钢-混凝土组合梁等。其中钢管混凝土又可按照其截面形 式（圆形、正方形、矩形、多边形）划分。螺旋箍筋约束钢管混凝土组合结构结合了普 通钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构及钢管结构的特点，其除各自发挥钢管和混凝 土的材料性能外，钢管还能通过约束作用增强核心混凝土的抗压性能，同时混凝土对钢 管的侧向约束能增强钢管的侧向稳定性，防止过早的屈曲，此外，外围混凝土能在火灾 时，起到对钢材的保护作用，提高整体的抗火性能。因此，钢管混凝土组合柱因其优异 的性能而得到工程上广泛的应用。1.2 钢管混凝土核心柱研究现状钢管混凝土的应用最早可以追溯到1879年英国所建造的赛文铁路桥的桥墩，其最 初将混凝土填入圆钢管中。随后，美国人John Lally于1897年将钢管混凝土首次运用于 房屋建筑结构中。日本从1923年的关西大地震发现钢管混凝土结构破坏并不明显，尤 其是运用了大量钢管混凝土的高层建筑中。至上世纪60年代，前苏联、北美、西欧和 日本等国家开展了大量的关于钢管混凝土的研究。1967年Furlong山首次进行了 52根钢 管混凝土试件的轴压和偏压试验研究，得出了其承载力的变化规律。1969年和1970年 Knowles和P ark1试验研究了钢管混凝土柱的抗压承载力。1977年，TomiF1通过对270 根钢管混凝土短柱进行轴力试验，系统地研究了钢管对核心混凝土的约束作用。但因工 艺复杂，阻碍了其发展和应用。到上世纪80年代末，泵送混凝土技术的发展推动了钢 管混凝土的应用与发展，此后，各国竞相开展了关于钢管混凝土的研究工作。对于钢管 混凝土构件的力学性能研究主要集中在轴向承载力研究、抗弯研究、抗扭研究和抗剪研 究。下文将近年对钢管混凝土的研究进行归纳。1.2.1 钢管混凝土柱研究1980年，Sheikh和Uzumer退键立了约束柱的分析模型，该模型基于试验的测试结 广西大学工程硕士学位论文螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究果，提出了一个完整的约束混凝土应力-应变曲线，采用名义混凝土芯内有效约束混凝 土面积的概念，计算了约束混凝土的强度。根据该模型，纵向钢筋分布较好，箍筋间距 较小，混凝土强度和延性较高。1984年，蔡绍怀等力分别对圆钢管短柱和长柱的承载力进行了试验研究，并提出 了相应的承载力计算公式。1991年，顾维平和蔡绍怀网又研究了高强钢管混凝土长柱，研究表明，钢管的存在能克服高强混凝土本身的脆性，大幅提升承载力。1998年，韩林海等依据试验所得本构关系，建立了方钢管混凝土纯弯构件的数值 分析模型。2004年，韩林海等“。】进行了 6根圆钢管混凝土构件的弯曲试验，分析了其 受力过程中刚度的变化规律，并研讨了其抗弯刚度的计算方法。2000年，吕西林等对方钢管混凝土柱同时承受轴向力和反复水平荷载时进行了 试验研究，研究了宽厚比、轴压比、核心混凝土强度等对试件的抗震性能影响。研究结 果表明方钢管混凝土柱滞回性能良好，且具备抗局部屈曲能力。2000年-2002年，Johansson和GylltoftMT试验研究比较了荷载仅作用于混凝土、荷载仅作用于钢管以及荷载共同作用于钢管和混凝土的受力性能，结果表明，荷载仅作 用于混凝土上构件具有最好的承载力和延性，荷载仅作用于钢管上时的承载力基本等同 于空钢管。此外，采用有限元分析了钢管和核心混凝土之间粘结强度对不同荷载形式下 构件承载力的影响。2001年，Elchalakani等口习对径厚比在12-110范围内的圆钢管混凝土构件进行了弯 曲试验，并提出了相应的弯矩计算公式。2003年，Sema Ros等1对高强混凝土在箍筋约束作用下的构件进行了试验研究，提出了一个应力-应变曲线模型，该模型能够准确地了解高应变水平下的约束混凝土性 能，并对材料的延性进行了分析。2004年，钱稼茹等口刀试验研究了 12根钢管高强混凝土构件的抗弯性能，此外，采 用条带法计算了其截面弯矩-曲率，并给出了刚度的三折线方程和截面抗弯承载力的计 算公式。2007年，钱稼茹等网通过试验研究了钢管壁厚、混凝土强度、剪跨比和轴压 比等参数对钢管混凝土柱抗剪承载力的影响，并建立了其抗剪承载力计算公式。2004年，徐春丽凹进行了 54根钢管混凝土柱的抗剪承载力试验研究，得出钢管混 凝土柱在剪力作用下的荷载-应变曲线。研究了套箍指标、剪跨比和轴压比等对钢管混 凝土柱抗剪承载力的影响。基于试验数据，建立了圆钢管混凝土柱的抗剪承载力计算公 2广西大学工程硕士学位论文 螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究式，此外，采用有限元软件建立了精细化的数值分析模型。2005年，吉伯海等皿通过试验分析了钢管高强轻集料混凝土短柱在轴心压力下的 轴力-纵向应变关系、宏观变形特征、破坏机理和破坏模式。试验结果表明，钢管能提 高轻集料混凝土的弹性模量、抗压强度等力学性能指标。2008年，Han等Da采用有限元方法建立了钢管混凝土柱在压弯剪共同作用下的数 值模型，分析了钢管混凝土的受力机理和破坏模式，此外，分析了加载路径对其的影响。2009年，Dabaon等阳对不锈钢空心钢管混凝土柱加筋和非加筋混凝土柱进行了对 比研究，并建立了钢管混凝土无杆柱短柱的有限元分析方法。2010年，Zhou等24分别对方钢管混凝土柱和圆钢管混凝土柱以及普通混凝土柱和 钢管混凝土柱在轴压和侧向荷载复合受力下进行了试验研究。研究表明，钢管混凝土柱 的延性明显高于普通混凝土柱，随着轴压比的增大，钢管混凝土柱的侧向承载力明显增 大，但延性有所降低。2010年，方小丹等闽进行了 26根钢管混凝土短柱在压、弯作用下的受剪承载力的 试验研究。通过分析试验所得的剪力-应变曲线、剪力-跨中挠度曲线以及破坏形态等得 出了钢管混凝土柱的抗剪承载力的主要影响因素。2011年,黄勇等【26】进行了方钢管和圆钢管混凝土短柱在单调加载和反复加载条件下 的剪切试验研究，分别得到了方钢管混凝土和圆钢管混凝土在无轴力情况下的荷载-位 移曲线、荷载-位移滞回曲线及骨架曲线等。此外，建立了精细化的有限元分析模型，对受力全过程进行了分析，研究表明，钢管混凝土具有良好的抗剪性能。2011年，Liu等mi试验对比了方钢管混凝土柱和普通钢筋混凝土柱的抗震性能，研 究了轴压比和配筋形式对其抗震性能的影响，并建立了可靠的数值分析模型。2012年，Nie等128通过对8根钢管混凝土柱在纯扭转和压扭循环荷载作用下的拟静 力试验，研究了不同截面类型、含钢率和轴向荷载作用下钢管混凝土柱的扭转性能。试 验结果表明，钢管混凝土柱在纯扭和低压扭循环荷载作用下的滞回曲线非常饱满，表明 钢管混凝土柱具有良好的抗震性能。钢管混凝土柱的卸载刚度等于初始弹性刚度。钢管 混凝土柱的抗扭能力可以通过低压缩荷载得到改善，延性也较好。2012年，李杉等129试验研究了 12根采用FRP包裹的圆钢管混凝土柱和1根普通圆 钢管混凝土的抗剪性能，研究了剪跨比、轴压比、含钢率、混凝土强度、FRP布层数等 对该类型构件受剪性能的影响。研究表明，FRP布断裂前，能保证FRP布与钢管混凝 3广西大学工程硕士学位论文 螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究土柱协同工作，FRP-圆钢管混凝土具有良好的变形能力。此外，还提出了能计算该类型 构件抗剪承载力的计算公式，其计算结果能与试验吻合良好。2012年，林辉等四对足尺方钢管混凝土柱展开了抗剪承载力试验研究，研究了轴 压比和剪跨比对其抗剪承载力的影响，建立了精细化的数值分析模型，采用数值模型分 析了参数节点区长度、加载面积、内隔板、剪跨比和轴压比等对抗剪能力的影响，同时 拟合了方钢管混凝土柱抗剪承载力的计算公式。2013年，徐海彬即对现有的钢管混凝土抗剪理论进行了分析，讨论了主要参数对 抗剪承载力的影响，并建立了钢管混凝土的抗剪计算公式。2014年，聂建国等132进行了 8根钢管混凝土柱试验研究，研究了变化截面形式、含钢率和轴力大小等对构件在纯扭和压扭作用下的抗震性能研究。研究表明，钢管混凝 土在复矩作用下具有极好的抗震性能。2014年，Ren等团通过试验研究了剪跨比、截面类型和长细比对椭圆钢管混凝土构 件的受弯承载力的影响2016年，Ding等网采用试验研究、数值模拟以及理论计算等方式对双向对拉箍筋 的圆钢管混凝土柱在受压下的受力性能进行了研究。探讨了薄厚比、混凝土强度和加强 筋等参数对其力学行为的影响。2016年，芮国荣网采用有限元模型分析了混凝土强度等级、套箍系数、配箍率等 对钢管混凝土短柱受力性能的影响。研究表明，套箍系数对构件承载力的提升明显。2016年，Ye等网共试验了 38根钢管混凝土柱承受横向剪切荷载，研究了剪跨比、轴压比、混凝土强度等级和钢管含钢率对钢管混凝土的抗剪承载力的影响。2017年，陈鹏等进行了 18根圆钢管混凝土短柱的实验，研究了弹性、峰值应力 等受尺寸效应的影响。2017年，史庆轩等网采用数值模型的方法分析了各参数对钢管及核心混凝土的应 力分布情况和破坏过程的影响。研究表明，圆钢管混凝土柱具有良好的轴向受力性能，承载力主要受材料强度和钢管径厚比的影响，刚度受径厚比影响最大。2017年，鲜威等国采用有限元软件分析了钢管混凝土在压弯荷载下的受力全过程，研究表明，根据剪跨比的不同可将构件的破坏形式分为压剪、压弯剪和压弯，轴压比的 改变对荷载分配曲线的形状有较大影响，剪跨比、轴压比、含钢率、钢材强度及混凝土 强度对构件抗剪承载力和弹性阶段刚度都有不同程度的影响。4广西大学工程硕士学位论文螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究2018年，王志滨等网试验研究了偏心距和长细比对中空夹层薄壁钢管混凝土柱偏 心受压性能的影响，并采用有限元模型研究了钢材和混凝土的材料属性以及径厚比、径 宽比和长细比等尺寸因素对该类型构件受力性能的影响。2018年，江汉等通过数值模型分别研究了长轴和短轴方向上钢材强度、混凝土 强度、径厚比和长短轴比等参数对椭圆钢管混凝土构件极限弯矩的影响，提出了相应构 件的抗弯承载力计算公式。2018年，Gong等冏采用数值方法分析了钢管混凝土的抗弯承载力，并理论推导了 其抗弯承载力计算公式。1.2.2 钢管混凝土组合柱研究1998-2000年，李惠1434刀等通过对钢管混凝土叠合柱进行拟静力试验，发现钢管内 外混凝土的组合方式对叠合柱的变形性能有较明显的影响，并根据试验结果给出了名义 轴压比的范围，并推导了叠合柱正截面与斜截面承载力的计算方法。:2001-2005年，陈周熠4849等通过对钢管混凝土核心柱进行拟静力试验，发现配置 钢管能够有效改善钢筋混凝土柱的性能，并根据叠加原理提出了以钢管做为钢骨的高强 混凝土柱的正截面和斜截面承载力计算公式。2002-2010年，蔡健等通过对核心高强钢管混凝土柱试件的轴心受压试验，分 析了含钢率、纵筋配筋率、配箍率和截面形式等因素对该种组合构件性能的影响。并分 析了核心钢管混凝土与管外混凝土的不同约束作用，并考虑圆形及方形箍筋对混凝土约 束效应差异，提出一种考虑复合约束作用的承载力计算方法，该计算方法的计算结果与 试验结果吻合良好。2004年，王清湘四进行了 13根钢骨-钢管混凝土组合柱的轴压实验研究，研究表明，钢骨的加入能有效的提高钢管混凝土柱的承载力，并能抑制混凝土斜裂缝的产生，增强 构件延性。2005年，聂建国等网对于钢管混凝土核心柱、核心钢管混凝土和外围普通混凝土 的受压性能进行差异比较，分析了外围混凝土体积配箍率等因素对柱协同工作的影响，推导出了临界状态时外围混凝土柱的配箍率，并与试验值进行对比，吻合良好。2005年，李鹏54通过以含钢率、体积配箍率、位置系数等参数为变量对钢管混凝 土组合柱进行轴心受压及小偏心受压试验，并结合数值模拟分析了轴压和小偏心受压情 况下的钢管高强混凝土核心柱的力学特性。5广西大学工程硕士学位论文螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究2005-2011年，江枣、钱稼茹658根据试验结果分析研究了钢管混凝土组合柱轴压 性能的影响因素，为保证轴心受压时组合柱的峰值应变介于钢管混凝土柱及钢筋混凝土 柱的峰值应变之间，给出了钢管混凝土截面面积在组合柱总面积中所占比例的建议。文 献56.591通过试验及理论分析分析研究了影响钢管混凝土组合柱的屈服曲率和极限曲率 的因素，并提出了相应的变形计算公式。2009-2010年，钱稼茹、康洪震6。皿通过对钢管高强混凝土组合柱的轴心受压及拟 静力试验，研究了钢管混凝土套箍指标、管内外混凝土强度差异和箍筋配箍特征值等参 数对钢管高强混凝土组合柱的破坏形态和力学性能的影响，发现钢管高强混凝土组合柱 具有较高的承载能力和变形性能，通过叠加法得到的正截面承载力计算方法具有良好的 计算精度，现行规范钢管混凝土叠合柱结构技术规程(CECS188:2005)中的计算方 法偏于保守。2009-2010年，韩林海6263等通过对组合柱动力性能试验研究进行整理归纳和有限 元分析，发现轴压比对组合柱的动力性能具有显著影响，组合柱的抗震性能介于钢管混 凝土柱与钢筋混凝土柱之间，数值模拟结果与试验结果温和较好。2011年，王薜阳设计了 13根钢管混凝土叠合柱，研究了偏心距、钢管直径/截面宽 度和纵筋配筋率对其偏心受压性能的影响，并对钢管混凝土叠合柱进行了计算分析，与 试验观测结果相比，吻合良好。2012年，安康网通过试验分析了钢管高强混凝土组合柱的横向配筋率以及栓钉布 置等因素对其抗震性能的影响机理和规律，以界限破坏时的内力平衡为依据，给出了该 类型构件的轴压比限值。2013年，郭全全等的完成了 13根钢管混凝土叠合柱的偏心受压试验。分别分析核 心钢管、管内混凝土、管外混凝土以及管外纵筋等的应力应变分布规律，并研究试件 的承载机理和破坏形态。2013年，泮勇溥进行了 3根钢管混凝土组合柱和3根，带横向预应力约束的钢管 混凝土柱的抗震试验研究，并与2根普通混凝土柱的试验结果进行了比较。研究表明，合理的横向预应力约束能很好的提升构件的抗震性能，且钢管的内置能明显改善原普通 混凝土构件的各项抗震性能指标。最后提出钢管混凝土组合柱的恢复力模型。2014年，柯晓军网试验研究了螺旋箍筋型钢高强混凝土柱的抗震性能，分析了主 要设计参数对螺旋箍筋型钢高强混凝土柱的抗震性能的影响，包括：剪跨比、体积配箍 6广西大学工程硕士学位论文螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究率、轴压比、混凝土强度和配箍形式等。推导出该类型柱的极限受剪承载力计算公式，计算结果与试验结果吻合较好。基于大小偏压界限破坏理论，推导出普通配筋的钢筋高 强混凝土柱的轴压比限值计算方法。此外，采用数值模拟的方法对该类型柱在单调荷载 作用下的受力性能进行了分析，探讨了各参数对新型高强混凝土组合柱受力性能的影响 规律。2014年，丁慧等幽采用有限元软件分析了不同的钢管强度、钢管厚度、钢骨强度、钢骨截面惯性矩和混凝土强度等级对钢骨-钢管混凝土组合柱的抗弯力学性能的影响。2014年，吴昭华等m通过试验研究了钢管壁开洞对钢管混凝土组合柱受剪性能的 影响，发现管壁开洞会降低试件的受剪承载力，但通过合理的加强措施可以提高管壁开 洞试件的受剪承载力。并提出了采用加强措施时管壁开洞的组合柱的受剪承载力计算公 式，且计算结果与试验结果吻合良好。2015年，刘阳等】通过试验研究比较了核心混凝土叠合柱和普通钢箭混凝土的受 力性能。研究表明，钢管的加入能明显改善试件的承载能力和变形性能。建立了精细化 的有限元分析模型，并提出了相应的承载力计算公式。2018年，王超阳对新型装配式核心钢管混凝土组合柱在轴压作用下进行了足尺试 验研究，研究表明该类型柱较普通混凝土柱承载力提升明显。2018年，柯晓军等】提出了能考虑钢管及其约束作用的钢管混凝土组合柱正截面 压弯承载力计算公式，并与现有的试验数据比较，吻合良好。1.2.3 螺旋箍筋约束混凝土柱研究1988年，Mander等建立了混凝土单轴受压受横向钢筋约束时的应力-应变模型。混凝土截面可包含任何一般类型的约束钢筋：螺旋或圆形箍筋；或有或无附加横拉杆的 矩形箍筋，这些横拉杆可以沿每个横轴具有相等或不相等的围压应力，应力-应变方程 采用单一方程。该模型考虑了循环加载，并考虑了应变率的影响。通过定义一个有效的 侧向围压应力来考虑各种约束类型的影响，该侧向围压应力取决于横向和纵向钢筋的配 置。采用能量平衡方法，通过将横向钢筋的应变能容量与约束后混凝土中储存的应变能 相等，预测横向钢筋第一次断裂对应的混凝土中的纵向压缩应变。1992年，Saatcioglu和Razv产提出了约束混凝土应力-应变关系的解析模型，该模 型适用于圆形、方形和矩形柱情况下的螺旋箍筋约束作用。1999年，郭忠贤和刘志鸿的进行了复合螺旋箍筋和单向螺旋箍筋的混凝土柱的拟 7广西大学工程硕士学位论文螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究静力试验。试验结果表明，螺旋箍筋能显著提高构件的承载力和耗能性能。2001年，Li等m试验研究了几种不同横向配筋约束下高强混凝土试件的准静态轴 压试验研究。主要参数为35.2-82.5 MP a的混凝土强度和430 MP a和1300 Mpa箍筋的屈服 强度。提出了约束高强混凝土的应力-应变关系，该模型可以较好地预测不同结构的正、超高屈服强度约束高强混凝土圆形和方形试件的试验性能，并提出了与第一环或螺旋断 裂对应的约束高强混凝土极限纵向应变的经验公式。2008年，张愉雨开展了 33根高强螺旋箍筋约束混凝土的轴心受压力学性能试验，讨论了箍筋强度、箍筋间距、螺旋箍筋截面形式对试件承载力、变形能力的影响，推导 了方形螺旋箍筋约束混凝土柱侧压力计算公式，并建立了有限元分析模型，结果拟合良 好。2012年，史庆轩等同通过31根高强螺旋箍筋约束高强混凝土方形截面柱的轴心受 压试验，分析了箍筋强度、箍筋间距、箍筋形式及截面尺寸对其性能的影响。分析表明：高强箍筋可以有效改善高强混凝土的破坏过程，体积配箍率对承载力承载力和延性有较 大影响，并通过回归分析提出了高强箍筋约束高强混凝土峰值强度和极限应变的计算公 式。2013年，张兴虎等幽为了研究高强螺旋箍筋约束混凝土柱的抗震性能,完成了 2个 普通箍筋混凝土柱及2个高强螺旋箍筋约束混凝土柱足尺模型的低周反复荷载试验,描 述了高强螺旋箍筋约束混凝土柱的破坏过程及破坏形态,分析了高强螺旋箍筋约束混凝 土柱的滞回曲线、骨架曲线、延性性能和耗能能力。2013年，郑亮通过试验研究了方钢管混凝土及配螺旋箍筋方钢管混凝土柱的力 学性能，发现配置螺旋箍筋可以提高方钢管混凝土柱的承载能力和变形性能；螺旋箍筋 的间距对配螺旋箍筋方钢管混凝土柱的承载力和变形性能影响较大。并提出了基于叠加 法并考虑方钢管和螺旋箍筋约束作用的轴心受压承载力计算公式。2015年，汤那阳通过对19个高强箍筋约束高强混凝土柱的轴心受压试验。分析了 混凝土强度、箍筋间距、尺寸等几个因素对约束效果的影响。结果表明，箍筋间距对承 载能力和变形性能有一定提高作用。并给出了箍筋约束混凝土应力应变关系模型，计 算结果和试验结果较接近。2016年，邵运达等图进行了 4根配有螺旋及焊接圆方组合箍方柱的轴心受压试验，研究了不同箍筋形式对方柱承载力和变形的影响，提出了方形螺旋式或焊接式箍的间接 8广西大学工程硕士学位论文 螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究钢筋面积换算公式。其试验结果表明，高强箍筋能提高构件延性。2016年,张松等所试验研究了 8根配有圆形螺旋箍筋和普通方形箍筋的混凝土柱。校准并建立了有限元分析模型。研究结果表明，配置复合螺旋箍筋对混凝土方柱的抗轴 压和抗小偏心轴压的承载力影响显著。圆形复合螺旋箍筋较配筋率的方形复合螺旋箍筋 柱承载力提高更为明显。2017年，刘明建网设计了 6组圆形复合螺旋箍筋的试验，研究了圆形复合螺旋箍筋 对钢筋混凝土柱承载力和延性的影响。研究表明，螺旋箍筋间距能显著提高构件承载力 和延性，圆形螺旋箍筋较传统配箍形式承载力提升明显。2019年，陈宗平等蚓通过对20个螺旋箍筋P VC管联合约束混凝土短柱的轴压试验，考察了约束核心区面积比、螺旋箍筋直径和间距等参数对试件受力性能和破坏形态的影 响，通过对试验结果的分析研究了不同参数对试件性能的影响规律。1.3 本文主要的研究工作和内容 子使用高强混凝土浇筑的组合柱形成钢管高强混凝土组合柱可以有效减小柱子的截 面，防止“胖柱”出现。高强混凝土具有强度高、变形小、耐久性好、工作性能优异的特 点，但与普通混凝土相比，高强混凝土随着强度等级的提高，混凝土的脆性越显著，导 致其损伤破坏过程较快，组合柱外围高强混凝土约束较芯柱钢管高强混凝土约束要弱，外围混凝土可能较早破坏，这样便降低了高强混凝组合土柱的变形能力。已有试验表明，提高箍筋强度等级和用量可以改善高强混凝土的脆性，提高其变形能力，还能提高构件 受剪承载力。而螺旋箍筋整体性强，约束效果好，所以本次通过对外围混凝土配置螺旋 箍筋的钢管混凝土组合柱的抗剪性能的研究，而我国近年来研发出的CRB600H钢筋因 其高延性、高强度、造价便宜的特点正好满足了组合柱外围钢筋混凝土对箍筋的需求。并且，从资源节约和可持续发展的角度考虑，CRB600H高延性冷轧带肋钢筋在生产过 程中不需添加任何合金元素，节约了宝贵的合金资源，有利于节能环保，在实际工程中 有较大意义。本文将通过对配置使用螺旋箍筋的钢管混凝土组合柱的抗剪试验和理论分析，揭示 其抗剪性能，并尝试推导其承载力的计算方法。本文的主要研究内容如下：(1)研究CRB600H螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱在受弯剪过程的裂缝开展情况 和破坏形态，并与HP B300与HRB400钢筋的螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱的性能进 广西大学工程硕士学位论文螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究行对比。(2)研究混凝土强度等级、螺旋箍筋间距、圆钢管截面尺寸和螺旋箍筋种类对 CRB600H螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能的影响。(3)结合我国现行的组合柱设计规范，提出螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱的极 限承载力计算方法。10广西大学工程硕士学位论文 螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究第二章螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪试验研究2.1 前言为研究CRB600H螺旋箍筋对钢管混凝土柱抗剪承载力的影响，进行了 16根钢管 CRB600H螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱的试验研究。通过试验，分析钢管混凝土组 合柱在剪力作用下的变形能力和破坏模型，分析混凝土强度等级、螺旋箍筋间距、圆钢 管截面尺寸和螺旋箍筋种类对其抗剪承载力的影响。此可为建立螺旋箍筋约束钢管混凝 土组合柱受剪数值模型、计算模型以及构件的剪切破坏机理提供必要的试验依据。本章 将详细描述试验方法与试验结果。2.2 试验概况2.2.1 试验材料本次试验采用华润混凝土公司生产的商品细石混凝土 C55和C25,细石最大粒径为 12 mm,且控制其坍落度在18020mm,试验构件浇筑时，两种强度的混凝土各预留6 个150 mmxl50 mmxl50 mm的标准立方体试块，与试验构件同环境下养护28天，测得 其立方体平均抗压强度几分别为72.3 MP a和27.6 Mpa。根据混凝土结构设计规范 相关规定C55和C25混凝土棱柱抗压强度工分别按照式（2-1）和（2-2）进行计算，抗拉强度工、弹性模量4分别按照公式（2-3）和（2-4）进行计算。工=0-732工口(2-1).4=0.76.4(2-2)八二0395 工产(2-3)耳=2.2+(34.7 方 Q-4)计算得到的混凝土材料属性如表2-1所示。表2-1混凝土材料属性Table 2-1 Material properties of concretes名称Zu/N/mm?fc/N/mm2工/N/mm?Ec/N/mm2C2527.621.02.4528925C5572.352.94.1637314试验用到的钢材使用情况包括：纵筋均采用HRB400,箍筋分别采用HP B300、11广西大学工程硕士学位论文螺旋箍筋约束钢管混凝土组合柱受剪性能试验研究HRB400 与 CRB600H,钢管截面类型包括 090 x4 mm、0114x4 mm、0140 x3 mm。各 钢材材料属性按照钢及钢产品力学性能取样位置及试验制备测得。测得的钢筋、钢 管材料属性分别如图21(a)与图21(b)所示，图中无明显屈服平台的钢筋屈服强度 按照规范中取峰值强度4k的。85倍。此外，实测的钢材力学性能指标列于表2-2。(a)钢筋(b)钢管图2-1钢材应力-应变关系曲线Figure 2-1 stress-strain relationship of reinforcement表2-2钢材材料属性Table 2-2 material properties of reinforcement钢材类别钢材尺寸屈服强度/N/mm2极限强度/N/mm2弹性模量/N/mm2HRB40010 mm4565942.11X105CRB600H6 mm7488122.24x105HRB4006 mm4897092.13xl05HP B3006 mm4105862.20 x105钢管090 x4 mm4165672.05x105钢管。114x4 mm4305022.18xl05钢管(t 140 x3 mm3244852.12xl052.2.2 试件设计本次试验共设计了 16根螺旋箍筋约束钢管混凝土组