課題研究報(bào)告-2

課題研究報(bào)告一、課題研究背景及意義鋼管混凝土是利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過(guò)程中的相互作用,即鋼管對(duì)混凝土的約束作用使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)之下,從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高,塑性和韌性性能大為改善;而核心混凝土的存在，加強(qiáng)了鋼管混凝土的穩(wěn)定性。總之,通過(guò)鋼管和混凝土組合不僅可以彌補(bǔ)兩種材料各自的缺點(diǎn),而且能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn),這也正是鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所在。自20世紀(jì)60年代中期鋼管混凝土開(kāi)始引入中國(guó)以來(lái),在不到50年的時(shí)間里,鋼管混凝土不論是從理論推導(dǎo)上還是從工程實(shí)踐上都得到了迅速的發(fā)展,但大部分研究工作都集中在短柱上,對(duì)中長(zhǎng)柱的研究不是很多。目前國(guó)內(nèi)鋼管混凝土研究領(lǐng)域的著名學(xué)者有鐘善桐,韓林海和蔡紹懷等學(xué)者。鐘善桐和韓林海把鋼管和混凝土看成統(tǒng)一體，提出了統(tǒng)一理論，并編寫了相關(guān)規(guī)范。同時(shí)，蔡紹懷等一批學(xué)者考慮了鋼管和混凝土的相互作用，提出了套箍理論，并以此編寫了相關(guān)規(guī)范。由于這兩種理論出發(fā)點(diǎn)不同，所以其計(jì)算結(jié)果有差異，對(duì)依據(jù)規(guī)范來(lái)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的工程師造成了不便，為解決此問(wèn)題，本課題通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和兩種理論各自對(duì)應(yīng)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和修正，期望能給設(shè)計(jì)人員以后的設(shè)計(jì)工作提供一些參考和建議。二、文獻(xiàn)檢索范圍及檢索策略本課題是針對(duì)鋼管混凝土柱的基礎(chǔ)理論研究，初次接觸此課題，應(yīng)首先了解鋼管混凝土柱軸心受壓的基礎(chǔ)知識(shí)，從匯文圖書系統(tǒng)中查找相關(guān)書籍；其次，確定檢索詞，查閱中文文獻(xiàn)并在其英文摘要中找到中文檢索詞對(duì)應(yīng)的英文檢索詞；最后，查閱英文文獻(xiàn)。在此過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題則應(yīng)及時(shí)調(diào)整檢索策略。由于本課題是對(duì)前人論文的總結(jié)，所以在收集文獻(xiàn)時(shí)，主要是收集與此課題相關(guān)的文獻(xiàn)，不需針對(duì)此課題具體實(shí)施檢索，而且此課題是對(duì)前人論文試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的整理，并通過(guò)數(shù)學(xué)方法回歸，所以在此不需要使用專利檢索。中文檢索1.1書籍檢索關(guān)于書籍檢索，由于對(duì)本領(lǐng)域已有所了解，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的著名學(xué)者主要有鐘善桐，韓林海和蔡紹懷，由于他們的理論出發(fā)點(diǎn)不同，針對(duì)此課題需對(duì)這兩派學(xué)者的理論進(jìn)行比較整理。所以，在書籍檢索時(shí)，需對(duì)他們的著作都進(jìn)行檢索。1.1.1匯文系統(tǒng)檢索由于課題目標(biāo)明確，檢索策略為：檢索式：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)檢索條件：任意匹配檢索結(jié)果為：81.1.2書籍檢索小結(jié)由于書籍檢索采用的檢索詞比較狹窄，在搜索結(jié)果中指找到了鐘善桐和韓林海的著作，缺少蔡紹懷的著作。由于對(duì)本領(lǐng)域有所了解，后更改檢索策略，放寬檢索式，采用檢索式為“鋼管混凝土”再次檢索，找到了所需的著作，所以，總結(jié)起來(lái)，檢索詞不宜太狹窄，也不宜太廣泛，否則不能得到所需的檢索結(jié)果。在書籍檢索的結(jié)果中，我選取了鐘善桐的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)》，韓林海的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐》和蔡紹懷的《現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)》。對(duì)這三位學(xué)者的基本理論，我進(jìn)行了和課題相關(guān)內(nèi)容的閱讀。1.2中文電子期刊檢索1.2.1中國(guó)期刊網(wǎng)通過(guò)對(duì)以上檢索到得書籍進(jìn)行閱讀，大致了解了鋼管混凝土的基本概念。先針對(duì)此課題，采取寬進(jìn)嚴(yán)出的檢索策略，初步確定檢索詞為：鋼管混凝土柱，受壓，穩(wěn)定，中長(zhǎng)柱。由于是對(duì)前人資料的總結(jié)整理，所以搜索范圍的時(shí)間選取應(yīng)比較寬，以便能獲取更全面的資料。檢索策略1：檢索式：鋼管混凝土柱（關(guān)鍵詞)并且受壓（關(guān)鍵詞）檢索范圍：1979年-2011年檢索結(jié)果：241檢索結(jié)果分析：對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)范圍太廣，很多檢索結(jié)果與課題內(nèi)容無(wú)關(guān)，顯然是檢索式范圍太廣，決定更改檢索策略。檢索策略2：檢索式：鋼管混凝土柱（關(guān)鍵詞）并且穩(wěn)定（關(guān)鍵詞）并且受壓（關(guān)鍵詞）檢索范圍：1979年-2011年檢索結(jié)果：13檢索結(jié)果分析：對(duì)更改檢索式后的檢索結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)與內(nèi)容都與課題相關(guān)，但是為確保搜全率，再次更改檢索策略。檢索策略3：檢索式：鋼管混凝土（關(guān)鍵詞）并且中長(zhǎng)柱（關(guān)鍵詞）檢索范圍：1979年-2011年檢索結(jié)果：161.2.2維普數(shù)據(jù)庫(kù)為避免出現(xiàn)在中國(guó)期刊網(wǎng)中檢索出現(xiàn)的問(wèn)題，嘗試兩類不同的檢索詞檢索：第一類為：鋼管混凝土、中長(zhǎng)柱；第二類為：鋼管混凝土柱、受壓、穩(wěn)定。檢索策略1：檢索式：鋼管混凝土（關(guān)鍵詞）并且中長(zhǎng)柱（關(guān)鍵詞）檢索范圍：1989年-2011年檢索結(jié)果：11檢索策略2：檢索式：鋼管混凝土柱（關(guān)鍵詞）并且受壓（關(guān)鍵詞）并且穩(wěn)定（關(guān)鍵詞）檢索范圍：1989年-2011年檢索結(jié)果：7檢索結(jié)果分析：發(fā)現(xiàn)檢索結(jié)果不如中國(guó)期刊網(wǎng)中理想，為提高查全率，更改檢索策略。檢索策略2：檢索式：鋼管混凝土柱（關(guān)鍵詞）并且受壓（關(guān)鍵詞）檢索范圍：1989年-2011年檢索結(jié)果：191.2.3中文電子期刊檢索小結(jié)中國(guó)期刊網(wǎng)和維普數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)輸入檢索詞的前后匹配的識(shí)別能力不同。中國(guó)期刊網(wǎng)只能識(shí)別獨(dú)立的詞語(yǔ)，而不能將其默認(rèn)為一句話中一個(gè)詞語(yǔ)的一部分；維普數(shù)據(jù)庫(kù)則具有這種識(shí)別功能。所以在檢索這兩種數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，檢索詞要區(qū)別對(duì)待。對(duì)于中國(guó)期刊網(wǎng)，要盡量嘗試多的檢索詞，找到合適的搭配方案；而維普數(shù)據(jù)庫(kù)的要求則降低很多，只要輸入常用詞語(yǔ)的通用截詞即可。通過(guò)閱讀搜索到得中文期刊，得到有關(guān)課題的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)，但是也通過(guò)中文文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)有些中文文獻(xiàn)引用的是外文的數(shù)據(jù)，希望通過(guò)對(duì)外文文獻(xiàn)的檢索，能得到更多的原始數(shù)據(jù)。2.英文檢索通過(guò)閱讀以上檢索到的中文文獻(xiàn)的英文摘要，確定以下英文檢索詞：concrete-filledsteeltube(鋼管混凝土)、compression(受壓)、stability(穩(wěn)定性)。2.1ASCE檢索策略：檢索式1:concrete-filledsteeltube(abstract)andcompression(abstract)檢索范圍：1983年-2011年檢索結(jié)果：29檢索策略：檢索式2：concrete-filledsteeltube(abstract)andstability(abstract)檢索范圍：1983年-2011年檢索結(jié)果：42.2Elsevier檢索策略：檢索式1:concrete-filledsteeltube(abstract)andcompression(abstract)檢索范圍：allyear檢索結(jié)果：33檢索策略：檢索式2：concrete-filledsteeltube(abstract)andstability(abstract)檢索范圍：allyear檢索結(jié)果：42.3EI檢索策略：檢索式1:concrete-filledsteeltube(abstract)andcompression(abstract)檢索范圍：1969-2011檢索結(jié)果：355檢索結(jié)果分析：由于檢索結(jié)果太多，更改限制條件，但是也不至于使搜索范圍太過(guò)狹窄，搜索條件仍然設(shè)為兩個(gè)。檢索策略：檢索式2：concrete-filledsteeltube(abstract)andstability(abstract)檢索范圍：1969-2011檢索結(jié)果：522.4英文電子期刊搜索小結(jié)在英文電子期刊檢索過(guò)程中，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)檢索結(jié)果嚴(yán)重不均衡的現(xiàn)象，這與每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)收藏的期刊類別側(cè)重點(diǎn)不同有關(guān)。遇到這種問(wèn)題，應(yīng)該根據(jù)檢索詞的主次順序決定它們的重要性，從而逐步提高或放低對(duì)它們檢索限制的要求，必要時(shí)可以舍棄或增加檢索詞。在對(duì)英文文獻(xiàn)的搜索中，發(fā)現(xiàn)國(guó)外關(guān)于此課題的文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間比較早，種類的分布范圍也較廣，彌補(bǔ)了中文文獻(xiàn)搜索中的一些不足。三、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述對(duì)圓鋼管混凝土中長(zhǎng)柱受壓計(jì)算系數(shù)的修正摘要：本文從中外文獻(xiàn)出發(fā)，對(duì)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并對(duì)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用電力規(guī)范和CECS規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)比較數(shù)據(jù)，找出更接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)范，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，為設(shè)計(jì)者提供參考和建議。關(guān)鍵詞：鋼管混凝土受壓穩(wěn)定中長(zhǎng)柱前言鋼管混凝土具有優(yōu)越的力學(xué)性能:內(nèi)填混凝土增加了鋼管壁的穩(wěn)定性；鋼管的約束作用使核心混凝土處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài),提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力,因此鋼管混凝土柱以其穩(wěn)定承載力高、抗彎性能好、施工方便等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際工程上得到廣泛的應(yīng)用。到目前為止,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土柱的軸壓穩(wěn)定承載能力已經(jīng)做過(guò)一些研究,并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。但鑒于鋼管混凝土構(gòu)件本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性,尋找既有一定精度又便于工程應(yīng)用的軸壓穩(wěn)定承載力計(jì)算公式,依然受到工程界的普遍關(guān)注。2.國(guó)內(nèi)外鋼管混凝土受壓性能的研究現(xiàn)狀鋼管混凝土構(gòu)件軸心受壓時(shí)的極限承載力求解的方法大致有以下三種:1）修正的歐拉公式:Ncr=π2(EsIs+EcIc)/L2（1）式中，Es和Ec分別為鋼管和混凝土的彈性模量；Is和Ic分別為鋼管和混凝土的截面慣性矩；對(duì)于長(zhǎng)柱在彈性階段穩(wěn)定承載力,可采用歐拉公式(如公式(1)所列)進(jìn)行計(jì)算.對(duì)于非彈性階段的承載力,文獻(xiàn)[1]用修正的Euler公式確定,即將Euler公式中的彈性模量用切線模量代替,為此需建立鋼管混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.2）統(tǒng)一理論法:文獻(xiàn)[2]從大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,找出長(zhǎng)細(xì)比對(duì)承載力的影響規(guī)律,回歸得到鋼管混凝土構(gòu)件穩(wěn)定承載力經(jīng)驗(yàn)公式,此方法簡(jiǎn)單直觀。但長(zhǎng)柱與中長(zhǎng)柱的承載力與長(zhǎng)細(xì)比的不同關(guān)系沒(méi)有具體體現(xiàn),概念不明確。鐘善桐、韓林海等根據(jù)統(tǒng)一理論建立的全截面軸心受壓承載力計(jì)算公式[2]:N=fckAsc(1.212+Bξ+Cξ2)式中：fck為核心混凝土的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；Asc為鋼管混凝土的截面積；ξ=Asfy/Acfck為鋼管混凝土構(gòu)件的約束效應(yīng)系數(shù)。B=0.1759(fy/235)+0.974；C=?0.1038(fck/20)+0.0309。3）套箍法：為了有效的利用鋼管混凝土柱的受力特點(diǎn)和變形能力，將鋼管混凝土的理論計(jì)算分為兩個(gè)階段，即使用階段和極限階段。第一階段：使用階段。軸心受壓承載力公式N0=Ns+Nc=fyAs+fckAc（1）第二階段：極限階段。極限承載力公式Nu=φ(Ns+kNc)=φ(fyAs+kfckAc)(2)式中：N0表示使用階段軸壓承載力；Nu表示極限階段極限承載力，Ns表示鋼管承擔(dān)的荷載；Nc表示混凝土承擔(dān)的荷載，k表示彈塑性階段混凝土的承載力提高系數(shù)，φ表示穩(wěn)定系數(shù)。公式中用fck代替fc來(lái)計(jì)算核心混凝土的承載力是充分考慮了由于鋼管與核心混凝土的相互作用而使核心混凝土的承載力有所提高這一有利因素。在使用階段,鋼管和混凝土分別按照各自的剛度承擔(dān)荷載；在極限階段，由于鋼管和混凝土之間相互作用力而使核心混凝土的承載力提高。3.總結(jié)由于長(zhǎng)徑比的增大，而使軸心受壓構(gòu)件的極限承載能力降低是由于材料的初始缺陷、荷載作用點(diǎn)的偶然偏心、實(shí)際約束條件等多種復(fù)雜因素。因此，對(duì)于極限承載能力隨長(zhǎng)徑比增大的變化規(guī)律，都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)近似得出的。后兩種計(jì)算方法中，以軸心受壓短柱為基礎(chǔ)，采用了將大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合的方法，找出以折減系數(shù)變量，以長(zhǎng)徑比L/D為自變量的函數(shù)關(guān)系。第一種計(jì)算方法，是通過(guò)試驗(yàn)分析，分別找出鋼材和混凝土的隨長(zhǎng)徑比變化的本構(gòu)關(guān)系。求極限承載力時(shí)，將各自的截面面積與應(yīng)力相乘后，即為鋼管和混凝土各自承擔(dān)的承載力，疊加后得出整個(gè)構(gòu)件的極限承載力。后兩種計(jì)算方法產(chǎn)生偏差的原因主要有兩點(diǎn)：①由于以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，找出軸心受壓長(zhǎng)柱的相對(duì)于軸心受壓短柱的折減系數(shù)與長(zhǎng)徑比的關(guān)系。借用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多而廣泛；各個(gè)實(shí)驗(yàn)方法的不同，實(shí)驗(yàn)條件的不同，實(shí)驗(yàn)材料的不同等不確定因素造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的局限性。由此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出的函數(shù)關(guān)系，必然產(chǎn)生偏差。②對(duì)長(zhǎng)柱極限承載能力的影響是由初始缺陷、荷載的偶然偏心、約束條件等因素引起。因此，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是離散的。當(dāng)擬合軸心受壓長(zhǎng)柱的相對(duì)于軸心受壓短柱的折減系數(shù)與長(zhǎng)徑比的關(guān)系時(shí)，產(chǎn)生偏差是難免的。第一種計(jì)算方法產(chǎn)生偏差的原因主要有以下兩點(diǎn)：①來(lái)自于本構(gòu)關(guān)系模型的建立。本構(gòu)關(guān)系模型是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系是很復(fù)雜的，用統(tǒng)一的函數(shù)關(guān)系曲線確定其關(guān)系，勢(shì)必要產(chǎn)生偏差。②材料的強(qiáng)度等級(jí)不同，本構(gòu)關(guān)系曲線差別也是很大的。例如：普通鋼材有明顯的屈服臺(tái)階，而高強(qiáng)鋼材則沒(méi)有明顯的屈服臺(tái)階?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)不同，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的差別很大。即使同樣的強(qiáng)度等級(jí)，骨料的不同、水泥品種的不同、水泥用量的不同、水灰比的不同、施工條件的不同、齡期的不同等各種偶然因素，使混凝土的本構(gòu)關(guān)系變得復(fù)雜。參考文獻(xiàn)[1]李斌,聞洋.鋼管混凝土軸壓長(zhǎng)柱承載力的試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2003,23(5),130-133.[2]聞洋.鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件推薦公式研究.包頭鋼鐵學(xué)院碩士論文.2003.[3]蔡紹懷.套箍混凝土軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu),1980(4),23-29.[4]蔡紹懷.鋼管混凝土柱的性能和強(qiáng)度計(jì)算.建筑科學(xué)研究報(bào)告.1984.NO.1-3,北京：中國(guó)建筑科學(xué)研究院[5]蔡紹懷,顧萬(wàn)黎.鋼管混凝土長(zhǎng)柱的性能和強(qiáng)度計(jì)算.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).1985(1),32-40.[6]蔡紹懷，顧維平.鋼管混凝土空心長(zhǎng)柱的性能和承載能力計(jì)算.建筑科學(xué).1987(4),11-21.[7]湯關(guān)祚，沈希明.鋼管混凝土基本力學(xué)性能的研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1982(1),13-31.[8]王仁，熊祝華.塑性力學(xué)基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，1982[9]鐘善桐.鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算的理論研究.哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1980(2),29-46.[10]鐘善桐，王用純，余志敏.鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件工作性能和強(qiáng)度計(jì)算理論的研究.電力建設(shè)科技報(bào)導(dǎo).1979（1），北京：電力工業(yè)部電力建設(shè)研究所.[11]周廣師.鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件穩(wěn)定承載力的研究.哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1982(4),29-46.[12]蔡紹懷.鋼管混凝土柱的性能和強(qiáng)度計(jì)算.建筑科學(xué)研究報(bào)告.1984.NO.1-3,北京：中國(guó)建筑科學(xué)研究院[13]ArchitecturalInstituteofJapan(AIJ).RecommendationsforDesignandConstructionofConcreteFilledSteelTubularStructures.Tokyo(Japan),1997.[14]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS28:90）北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1992[15]LoadandResistanceFactorDesignSpecification[S]．AmericanInstituteofSteelConstruction，1999．[16]Eurocode4：DesignofCompositeSteelandConcreteStructure[S]．EuropeanCommitteeforStandardization，1996．[17]RecommendationsforDesignandConstructionofConcreteFilledSteelTubularStructures[S]．ArchitecturalinstituteofJapan，1997．[18]聶建國(guó)．鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005．[19]姜紹飛,廖云,張昕宇等.大長(zhǎng)細(xì)比鋼管混凝土軸壓柱的力學(xué)性能[J].沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,18(1):1-4.[20]韓林海,姜紹飛,曹宇清等.大長(zhǎng)細(xì)比鋼管混凝土軸心受壓柱承載力的試驗(yàn)研究[J].鋼結(jié)構(gòu),1999,14(2):21-25.四、課題創(chuàng)新點(diǎn)及文獻(xiàn)分析本課題是師兄在做自密實(shí)鋼管混凝土受壓性能研究時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)和規(guī)范的特點(diǎn)，為驗(yàn)證普通鋼管混凝土是否也同樣具有此特點(diǎn)，如果和自密實(shí)鋼管混凝土規(guī)律一樣，可以對(duì)規(guī)范公式中的計(jì)算公式進(jìn)行修正，為以后的計(jì)算提供參考和建議。鑒于鋼管混凝土的研究對(duì)于短柱已經(jīng)相對(duì)成熟，而中長(zhǎng)柱這方面由于其自身的特殊性，尚待更多的研究。通過(guò)對(duì)搜索到得文獻(xiàn)的閱讀，一短柱為出發(fā)點(diǎn)，和規(guī)范公式吻合較好，而隨著長(zhǎng)徑比的增加，逐漸表現(xiàn)出偏離性，說(shuō)明了對(duì)此課題研究的