[摘要] 第 1 章 绪 论1 1 研究背景混凝土具有良好的抗压性能，但
第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
混凝土具有良好的抗压性能，但是它的抗弯拉性能较差，不具备相关的抗弯拉性能，钢材具有良好的抗弯拉性能，但在长细比较大时，钢材易发生整体失稳。钢管混凝土即是充分利用混凝土的抗压性能好，钢材的抗弯拉性能强的优势，兼并两种材料的优势，形成的组合结构。钢管混凝土指的是在钢管内部灌注填充混凝土从而形成的组合结构，按照不同的截面形式有不同截面类型的钢管混凝土结构，其中圆形截面的钢管混凝土结构和方形钢管混凝土结构应用较为广泛，如图1.1 所示。钢管混凝土的工作原理是钢管受压易失稳，核心混凝土的受压可以有效地提高钢管的稳定性，而钢管同时对核心混凝土有良好的三向约束作用，从而可以提高核心混凝土的受压性能，从而有了钢管混凝土结构具有良好的塑性和韧性，制作方便，承载力和经济效益优的优势[1]。在配有环向螺旋箍筋的钢筋混凝土的结构，具有良好的受压性能，当箍筋的间距越小，其相应的混凝土在环向箍筋的约束之下抗压强度具有明显的提高，进而能够提高相应构件的承荷载的能力，这种对构件所具备的横向作用就是对核心混凝土所产生的约束套箍作用，这种套箍约束作用非常有效的对混凝土有三向约束的作用。而钢管就是由箍筋对核心混凝土的约束作用所演变而来。钢管对核心单元混凝土具有螺旋箍筋作用的性质，对核心混凝土具有一定的紧箍作用，提高混凝土的轴向承载力的作用，而且同时也提高了核心混凝土的材料性质，将它从脆性材料转变为塑性材料。同时钢管在轴向受力过程中，钢管易发生失稳和局部屈曲的现象，混凝土的填充延缓了钢管的局部屈曲，充分发挥钢管的屈服强度，钢管与混凝土两种材料相互充分发挥各自的优势，从而有钢管混凝土如下优点[2]。钢管混凝土具有良好的承载能力和较高的延性能力，它同时也具有良好的抗震性能，在柱体框架等结构上得到了广泛的应用，钢管的三向约束性能有效地提高了混凝土的受压强度，钢管与混凝土的组合承载力大于分别计算钢管与混凝土的承载力和值。同时混凝土由于钢管的作用，由脆性材料向塑性材料转换，钢管混凝土构件的延性性能具有良好的改善和变化，钢管混凝土的抗震耗能性能得到很大的提高和优化。钢管混凝土的塑性能力即是钢管混凝土在静荷载作用下钢管混凝土构件的塑性变形能力，相关研究显示钢管混凝土具有良好的塑性能力。同时钢管混凝土具有良好的抗震耗能的滞回性能，钢管混凝土的滞回曲线显示，其耗能性能良好，没有明显的刚度退化情况，钢管混凝土抗震耗能性能比钢柱的抗震耗能性能好。
.........
1.2 研究现状
将钢管混凝土中的核心混凝土换成轻骨料混凝土从而为钢管轻骨料混凝土，该类型混凝土的灌注可以有效地降低了结构的自重。针对高大建筑物、混凝土桥梁结构和港口海岸工程等建筑，轻骨料混凝土具有明显的应用优势和良好的工程前景。目前国内外对于钢管轻骨料混凝土的研究尚处于初步阶段，对其相关工程应用尚未有效采取，日本目前已将钢管轻骨料混凝土成功应用在高速铁路的桥梁上，但是对于钢管轻骨料混凝土的相关性能研究尚未系统进行研究。在上世纪 90 年代之后国内的各大高校先后对轻骨料自应力钢管混凝土和陶粒钢管混凝土基本工作原理和性能、相关的设计研究方法进行探究分析。1993年，韦灼彬[8]等人对钢管轻骨料混凝土的长柱和短柱进行相关的试验性能研究，李帼昌[9]针对轻骨料自应力钢管混凝土的基本理论和性能进行了全面的阐述。通过相关的研究分析，钢管轻骨料混凝土取得了较好的研究成果。对于钢管轻骨料混凝土的推广应用有两个不利的影响，其一是普通混凝土的弹性模量比轻骨料混凝土的弹性模量高，因此钢管轻骨料混凝土构件刚度变大，其变形也会相应变大；其二是轻骨料混凝土的泊松比比普通混凝土的泊松比低，钢管轻骨料混凝土的极限承载能力没有普通钢管混凝土的承载力高[10]。但近年以来，随着研究得不断深入，高强轻骨料混凝土得到迅速的发展，其弹性模量的研究提高已经达到普通混凝土的 80%以上，同时轻骨料混凝土的泊松比与普通混凝土相当甚至比普通混凝土高。这样钢管轻骨料混凝土具有较高的研究前景和工程应用价值。钢管轻集料混凝土的相关应用虽然在日本“新干线”实现，但国内外对其的研究尚处于起步阶段，没有形成比较系统的体系，研究尚处于基础理论阶段还不能用于指导工程实际。
.....
第 2 章 钢管轻骨料混凝土粘结滑移试验研究
在传统钢管混凝土构件的粘结滑移研究当中，钢管构件与内部填充的混凝土之前的粘结应力，全部是由钢管内界面与混凝土之间相互作用的结果，粘结应力的产生主要是由以下三个部分组成，分别为：混凝土材料中的水泥水凝胶体与钢管内界面的化学胶结力、钢管内表面与接触的混凝土之间产生的机械咬合力和钢管内表面与混凝土接触界面的摩阻力。在目前钢管混凝土粘结滑移的相关研究工作中，主要对如不同的长细比、不同的紧箍系数、不同的径厚比和不同的钢管截面形状之类对钢管混凝土构件粘结滑移的工作影响。同时相关研究工作也分析了不同的混凝土浇筑方式、混凝土的强度和钢管内表面的处理情况等因素对钢管混凝土粘结滑移的工作影响。在最近的几年的研究工作中，有相关学者对自密实混凝土和再生混凝土对钢管混凝土粘结滑移性能的影响做了相关研究工作[39]~[43]。在目前现有的相关研究成果中，钢管混凝土之间的抗剪粘结滑移强度的影响因素很多，在推出试验中，由于客观和主观的因素，试验结果具有很大的不确定性，甚至有的因素对于钢管混凝土构件之间的截面抗剪影响还没有一致的标准，例如钢管混凝土的长细比对粘结强度的影响。大部分钢管混凝土构件的粘结滑移研究都是针对普通混凝土构件，包括试验研究与有限元分析研究，针对轻骨料混凝土粘结滑移方面的研究较为少见[44]~[48]。由此，在本文研究过程中，以不同的长细比和不同的紧箍系数设计四个钢管轻骨料混凝土试件，同时根据一定分布规律在钢管外壁布置应变片，随着加载荷载的不断改变，粘结滑移位移不断的增大，分析钢管外壁应变变化趋势，并引用相关文献数据，对钢管轻骨料混凝土粘结滑移研究分析[49]~[51]。根据此研究不同长细比和不同紧箍系数对钢管轻骨料混凝土粘结滑移强度、粘结破坏荷载和粘结破坏荷载对应位移影响。根据钢管轻骨料混凝土在粘结滑移过程中钢管外壁纵、横向应变的变化、粘结滑移强度、粘结破坏荷载和粘结破坏荷载对应位移，确定界面抗剪粘结强度和粘结滑移的关系。
2.1 试验目的
为了研究钢管轻骨料混凝土粘结滑移相关力学影响性能影响因素，本试验研究将采用推出试验的方法，采用 MTS 加载机，并在加载端两侧对称放置两个百分表，通过百分表的数据显示量测钢管与轻骨料混凝土之间界面粘结滑移的相对位移，通过 MTS 加载机荷载显示和百分表位移显示值，由此可得到 P-S 曲线，而粘结破坏荷载即是 P-S 曲线的峰值点荷载值。由此，进行了圆钢管轻骨料混凝土柱界面推出试验，试验一共设计了四根圆钢管混凝土试件，主要考虑了轻骨料混凝土与钢管内壁界面抗剪粘结滑移性能的影响。本试验在试验方案设计中在钢管的外壁按一定的规律布置横向应变片和纵向应变片，同时在钢管的外壁上布置了横向和纵向应变片，对外钢管的应变片变化随加载过程进行测量，从而分析研究钢管内界面与轻骨料混凝土粘结应力的变化发展过程。本文将对钢管轻骨料混凝土界面粘结滑移性能的推出试验，研究钢管轻骨料混凝土粘结滑移，完成以下试验目的：第一，钢管轻骨料混凝土的界面粘结强度和界面粘结滑移位移的分析研究；第二，钢管轻骨料混凝土粘结破坏相关形态分析研究；第三，相关测试区域粘结滑移性能的分析研究；第四，长细比和紧箍系数对钢管轻骨料混凝土粘结滑移影响分析研究；第五，对钢管轻骨料混凝土粘结应变随加载过程中，其粘结应力大小和分布进行分析研究；第六，根据本试验研究测定数据，并引用相关文献研究成果，分析钢管轻骨料混凝土截面粘结强度影响因素。
..........
2.2 试件设计
本章主要是通过对钢管轻骨料混凝土推出试验研究对其粘结滑移性能分析研究，同时对钢管轻骨料混凝土界面粘结应力的分布规律及其大小、粘结强度及其粘结滑移和粘结滑移破坏形态展开研究。本研究通过考虑不同的钢管轻骨料混凝土长度和外径，从而变化设置不同的长细比和紧箍系数两个参数，对钢管轻骨料混凝土粘结滑移性能进行研究。相关钢管轻骨料混凝土设置参数见表 2.1 所示。在钢管轻骨料混凝土构件中，其外钢管的制作需要考虑保证其能够轴心受压，钢管轻骨料混凝土构件的受力准确，需要将空钢管的两个端部截面用打磨机进行打磨平整。在本次试验中为与工程实践相关情况相符合，试件加工过程中，钢管内壁进行了相关的人工除锈工作，在试件制作的时候，为保证构件浇筑轻骨料混凝土不出现漏浆的情况，需要在试件的下端临时固定圆形钢板，之后采用 AB 胶进行密封。轻骨料混凝土采用的是人工搅拌的方式，在浇筑轻骨料混凝土时将圆钢管竖直放置，然后向钢管内部浇灌轻骨料混凝土，浇筑到一定高度后，将混凝土振捣棒放置进去进行振捣，在钢管内部留置大约 50mm 长度的未浇筑轻骨料混凝土段，用来保证推出试验的轻骨料混凝土的推出空间。试件轻骨料混凝土采用振捣密实的方式，轻骨料混凝土采用相同条件的养护方式进行相关养护工作。相关文献的试验表明，轻骨料混凝土类似普通混凝土在早期有较为明显的干缩和收缩量，即不对构件提前进行早期的湿润养护，混凝土的相关收缩会比较明显，容易影响到推出试验的试验结果，导致试验结果的离散性。即为避免这样的情况发生，在轻骨料混凝土终凝后需要在试件没有轻骨料混凝土处，用饱含水分的海绵对轻骨料混凝土进行养护，以避免轻骨料混凝土的水分散失，进而确保核心轻骨料混凝土在湿润的条件下进行养护。
..........
第 3 章 钢管轻骨料混凝土粘结滑移试验结果分析.....20
3.1 荷载-位移曲线定义..........20
3.2 粘结滑移破坏发展.....21
3.3 粘结强度.......24
3.4 钢管外壁应变变化趋势....27
3.5 本章小结.......32
第 4 章 混凝土粘结滑移性能数据分析.... 33
4.1 荷载-位移曲线分析..........33
4.2 粘结强度分析......35
4.3 本章小结.......37
第 5 章 结论与展望.........38
5.1 结 论....38
5.2 展 望....38
第 4 章 混凝土粘结滑移性能数据分析
4.1 荷载-位移曲线分析
为研究普通钢管混凝土与钢管轻骨料混凝土粘结滑移过程分析的异同点，本文引用康希良相关研究数据，取其中三组数据作为本文研究分析，并与钢管轻骨料混凝土粘结滑移过程数据进行对比分析，其相关数据如表 4.1 所示。根据表 4.1 所示，本文所引用数据其壁厚不同，分别为 4.0mm、4.5mm 和5.5mm，紧箍系数分别为 0.808、0.919 和 1.045，其它相关数据一致不变。即考虑不同紧箍系数对普通钢管混凝土粘结滑移过程分析的影响。如图 4.1 所示，为 TCA-1 位移-荷载曲线，其外径为 159mm，壁厚为 4.0mm，管长为 500mm，其长细比为 12.58，紧箍系数为 0.808，其粘结破坏荷载为167.21KN，粘结破坏荷载对应的位移为 1.55mm。由于引用数据文献在试验过程中预先埋设在钢管混凝土相关测试滑移的传感器装置，由于滑移位移的不断增大，滑移测试装置被破坏，之后就会产生阻止钢管与混凝土滑移的栓钉作用的，从而反常的使荷载达到粘结破坏荷载时，粘结荷载没有减小反而增大的情况，钢管混凝土荷载-滑移曲线甚至会出现一水平段。
........
结论
本文主要研究了钢管轻骨料混凝土柱的粘结滑移性能，通过四个推出试验并在钢管外壁密布应变片，对钢管轻骨料混凝土柱的粘结滑移性能进行研究分析，同时引用相关文献四个钢管轻骨料混凝土柱作分析研究。本文同时将相关文献普通钢管混凝土粘结滑移性能与钢管轻骨料混凝土粘结滑移性能影响因素作对比分析研究，主要得到如下结论：
（1）通过钢管轻骨料混凝土柱的推出试验，试验得到的位移-荷载曲线的发展有无下降段主要原因在于，钢管轻骨料混凝土中的钢管与核心混凝土之间的机械咬合力产生的最大粘结荷载大于（或小于）钢管与核心轻骨料混凝土界面的初始摩阻力。
（2）根据钢管轻骨料混凝土推出试验，当构件位移-荷载曲线发展到摩阻阶段时，钢管的紧箍系数相对越大，钢管与核心轻骨料混凝土之间的摩阻力越大；
（3）根据钢管轻骨料混凝土推出试验，当试件长细比一致的情况下，紧箍系数对粘结破坏强度和其相应的位移有一定的影响，构件的紧箍系数与粘结破坏强度的变化相同，与其对应位移的变化相反；
（4）根据钢管轻骨料混凝土推出试验，钢管轻骨料混凝土，在相同紧箍系数的情况下，长细比大的试件，其相应粘结破坏强度对应的位移大。
（5）普通钢管混凝土紧箍系数相同，粘结破坏荷载对应位移随长细比增大逐渐递增，与钢管轻骨料混凝土关于长细比与粘结破坏荷载对应位移关系规律相同。
..........
参考文献（略）
