钢管混凝土结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法.pdf

分类号丁UDC _密级博士学位论文钢管混凝土结构极限承载力分析的 高效高精度线弹性迭代方法学科专业 结构工程 广西大学博士学位论文钢 管混凝土结构 极限承载力分析的 高效高射度线弹性迭代方法钢管混凝土结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法摘要钢管混凝土结构受力性能好、施工便捷、经济耐久，在大跨桥梁和高 层建筑中应用广泛。极限承载力分析是钢管混凝土结构安全性评估和设计 的基础，在工程界和学术界得到了广泛重视。然而当前钢管混凝土结构极 限承载力分析通常采用增量非线性有限元法，依赖于加载路径，并通过修 改材料本构模拟结构的失效历程，涉及大量的非线性迭代分析，存在计算 耗时久、稳定性欠佳、参数敏感性大等问题。为此，本文通过建立不同截 面类型钢管混凝土构件齐次广义屈服函数，研究建立了钢管混凝土结构极 限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法，具体内容如下：1）通过搜集、分析、遴选国内外钢管混凝土构件与结构试验结果，研 究建立了具有1708组钢管混凝土构件和23组结构极限承载力试验数据库，其中矩形截面构件720组、圆形截面构件934组、哑铃型截面构件54组，以及11组桁架结构和12组拱结构试验数据，为验证钢管混凝土结构极限 承载力分析方法提供了客观依据；2）考虑钢管受力状态差异和钢管强度的影响，建立了钢管本构关系修 正模型，进一步地考虑钢管约束引起的混凝土强度提升，建立了核心混凝 土峰值应力表达式，并通过合理选取上升段和下降段形式、峰值应变和残 余应力段系数，建立了矩形钢管约束混凝土本构关系修正模型，通过与试 验数据和现有本构关系的对比分析，验证了本文建立的材料本构关系修正 广西大学博士学位论文钢 管混凝土结构极限豕载力分析的高效高楂度线弹性迭代方法模型具有广泛的适用性和更高的计算精度；3）研究确定了矩形、圆形和哑铃型钢管混凝土构件轴压承载力计算公 式，基于承载能力极限状态，考虑钢管发生应变强化，建立了钢管混凝土 受弯构件承载力失效判据，在此基础上，利用纤维模型法通过回归分析建 立了矩形、圆形和哑铃型截面塑性发展系数和构件抗弯承载力计算公式，通过与试验数据、现有失效判据和抗弯承载力计算公式对比分析，验证了 本文建立的失效判据能够更加真实地反映构件的抗弯能力，且抗弯承载力 新建公式能够取得更高的计算精度；4）基于钢管混凝土构件轴压和抗弯承载力计算公式，考虑套箍系数和 稳定系数的影响，采用纤维模型法建立了矩形、圆形和哑铃型钢管混凝土 构件压弯齐次广义屈服函数，计算结果与压弯承载力试验数据吻合良好，并通过建立考虑矢跨比影响的抛物线单圆管拱稳定系数修正公式，建立适 用于拱稳定承载力分析的齐次广义屈服函数，齐次广义屈服函数能够有效 克服广义屈服函数计算结果受荷载初值影响的缺陷，并避免求解结构极限 承载力时涉及复杂的材料层面非线性迭代分析；5）利用齐次广义屈服函数定义单元承载比，结合变形能守恒原理推导 了单元弹性模量调整策略，并通过缩减高承载单元的弹性模量模拟结构内 力重分布，建立了不同截面类型钢管混凝土桁架和拱极限承载力分析的线 弹性迭代方法，计算结果与试验结果吻合良好，且能够取得较增量非线性 有限元法更高的计算效率和稳定性；6）结合基准承载比建立了钢管混凝土结构高、低承载构件的自适应识 别准则，并采用单元承载比和最大单元承载比分别定义构件和结构两层面 广西大学博士学位论文钢管混凝土结构极限承武力分析的高效高精反线弹性迭代方法安全系数，建立了两层面安全性的定量关系，克服了当前设计理论无法准 确识别第二类高承载构件以及缺少两层面安全性定量关系的不足，进而利 用本文方法分析了某在建430米中承式钢管混凝土拱桥两层面安全性，为 该桥的进一步优化设计奠定了基础。关键词：钢管混凝土结构极限承载力线弹性迭代方法齐次广义屈服 函数两层面安全性纤维模型法in广西大学博士学位论文钢管混凝土结构极限豕载力分析的高效高精度线弹性迭代方法HIGHLY EFFECTIVE AND ACCURATE LINEAR ELASTICITERATION METHOD FOR ULTIMATE BEARINGCAPACITY ANALYSIS OF CONCRETE-FILLED STEELTUBULAR STRUCTURESABSTRACTCo nc rete-filled steel tubular(CF S T)is w id ely used in lo ng-span brid ges and high-rise build ings fbr its superio r mec hanic al pro perty,c o nvenient c o nstruc tio n,lo w c o st and go o d d urability.The ultimate bearing c apac ity analysis is the basis fbr safety evaluatio n and d esign o f CF S T struc tures,and has been w id ely rec o gnized in engineering and ac ad emia.Ho w ever,the c urrent analysis is mainly based o n the inc remental no nlinear finite element metho d (INF EM),w hic h d epend s o n the lo ad ing path and mo d ifies the material c o nstitutive relatio ns to simulate the failure pro c ess o f struc tures.Henc e,INF EM invo lves a large number o f no nlinear iterative analysis o n material level,w hic h lead s INF EM to be time-c o nsuming,po o rly stable and sensitive to c alc ulatio n parameters.F o r this,thro ugh establishing ho mo geneo us generalized yield func tio ns(HGYF)fbr CF S T members w ith d ifferent c ro ss sec tio ns,a highly effec tive and ac c urate linear elastic iteratio n metho d is d evelo ped fbr evaluating the ultimate bearing c apac ity o f CF S T struc tures.The main w o rks are as fo llo w s:1)Thro ugh c o llec ting and selec ting the test results o f CF S T members and struc tures at ho me and abro ad,a test d atabase fo r ultimate bearing c apac ity is d evelo ped inc lud ing 1708 CF S T members and 23 struc tures.Amo ng them,the number o f members w ith rec tangular,c irc ular and d umbbell-shaped c ro ss sec tio ns are 720,934 and 54,respec tively,and the number o f truss and arc h struc tures are 11 and 12,respec tively.The test d atabase pro vid e an o bjec tive IV广西大学博士学位论文钢管混凝土结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法basis fbr verifying the analysis metho d fo r CF S T struc tures.2)The mo d ified c o nstitutive relatio ns o f steel tube are presented by taking into ac c o unt the d ifferent stress states o f steel tube and the effec t o f steel strength.Meanw hile,c o nsid ering the enhanc ement o f c o nc rete strength c aused by the steel c o nstraint,the expressio n fbr peak stress o f c o re c o nc rete is d erived.Then the mo d ified c o nstitutive relatio n o f c o re c o nc rete is d evelo ped by d etermining the up and d o w n c urves,peak strain and resid ual stress c o effic ient.By c o mparing w ith the test d ata and the existing c o nstitutive relatio ns,the pro po sed mo d ified c o nstitutive relatio ns are verified to ac hieve w id e applic ability and higher ac c urac y;3)The c o mpressio n strength are d etermined by means o f test d atabase fbr CF S T members w ith rec tangular,c irc ular and d umbbell-shaped sec tio ns.Meanw hile,taking into ac c o unt the ultimate limit state o f CF S T members und er pure bend ing and the strain hard en o f steel,the bearing c apac ity failure c riterio n is pro po sed,and then the plastic d evelo ping c o effic ient and bend ing strength fo rmulas are d erived o n the basis o f regressio n analysis and fiber mo d el metho d.By c o mparing w ith the existing failure c riteria and bend ing strength fo rmulas,the pro po sed failure c riterio n is d emo nstrated to represent the bend ing c apac ity mo re prec isely,and the pro po sed bend ing strength fo rmula c an ac hieve higher ac c urac y;4)Taking the effec t o f ho o ping and stability c o effic ients into c o nsid eratio n,the ho mo geneo us generalized yield func tio ns(HGYF)und er c o mpressio n and bend ing fbr rec tangular,c irc ular and d umbbell-shaped CF S T members are presented o n the basis o f fiber mo d el metho d.The results o f HGYF agree w ell w ith the test d ata und er c o mpressio n and bend ing.Taking the influenc e o f rise to span ratio into c o nsid eratio n,a mo d ified stability c o effic ient fbr parabo lic single-tube arc h is d evelo ped,o n the basis o f w hic h the HGYF suitable fbr the stability bearing c apac ity analysis o f arc hes is o btained.Mo reo ver,the HGYF c an o verc o me the d raw bac ks o f the generalized yield func tio n w ho se results v广西大学博士学位论文钢 管混凝土结构极限承载力分析的高效高粉度线弹性迭代方法vary w ith the initial lo ad ing,and c an avo id the c o mplex material level no nlinear iteratio n analysis;5)The ho mo geneo us generalized yield func tio n is used to d efine the element bearing ratio.The elastic mo d ulus ad justment strategy is d erived fro m the c o nservatio n princ iple o f d efo rmatio n energy,and the elastic mo d uli o f highly stressed elements are red uc ed to simulate the internal fo rc e red istributio n o f struc tures.Then,the linear elastic iteratio n metho d is d evelo ped fo r the ultimate bearing c apac ity analysis o f CF S T struc tures w ith vario us c ro ss sec tio ns,w ho se results agree w ell w ith test results and c an ac hieve higher effic ienc y and stability than inc remental no nlinear finite element metho d;6)The self-ad aptive c riteria fo r id entifying the highly and lo w ly stressed elements is d evelo ped by means o f the referenc e o f element bearing ratio.The element bearing ratio and maximum element bearing ratio are ad o pted to d efine the member and struc ture safety fac to rs,o n the basis o f w hic h the quantitative relatio n betw een the tw o-level safety fac to rs is presented.Henc e,the pro po sed metho d o verc o mes the d raw bac ks o f c urrent d esign pro c ed ure that c anno t d istinguish the sec o nd kind highly stressed elements prec isely and jac ks the tw o level safety fac to r relatio ns.And then,the pro po sed metho d is ad o pted to evaluate the c o mpo nent and struc tural safety o f an und er-c o nstruc ted 430m half-thro ugh CF S T arc h brid ge and lays a fo und atio n fo r its future o ptimizatio n.KEY WORDS:c o nc rete-filled steel tubular struc tures;ultimate bearing c apac ity;linear elastic iteratio n metho d;ho mo geneo us generalized yield func tio n;tw o level safety;fiber mo d el metho dVI广西大学博士学位论文钢管混凝土结构极限承载力分析的高效高枳度线弹性迭代方法目录摘要.IABSTRACT.IV目录.VII第一章的.11.1 研究背景及意义.11.2 研究现状.31.2.1 钢管混凝土材料本构关系研究.31.2.2 钢管混凝土构件极限承载力研究.51.2.3 钢管混凝土结构极限承载力研究.H1.2.4 结构极限承载力分析的弹性模量调整法研究.211.3 主要研究内容及创新点.2313.1 主要研究内容.2313.2 创新点.25第二章CFST结构极限承载力分析的线弹性迭代计算理论.272.1 引言.272.2 单元承载比与齐次广义屈服函数.272.3 弹性模量调整策略.302.4 极限承载力求解.332.5 初步应用示例.342.6 小结.39第三章 矩形CFST桁架极限承裁力分析的线弹性迭代方法.403.1 引言.403.2 矩形钢管混凝土材料本构关系研究.403.2.1 纤维模型法计算原理和步骤.413.2.2 钢管混凝土受弯构件失效判据.433.2.3 材料本构关系修正模型.463.2.4 材料本构关系准确性验证.533.3 轴压承载力计算公式.653.3.1 轴压强度承载力.653.3.2 轴压稳定承载力.673.4 抗弯承载力计算公式.68VII广西大学博士学位论文钢管混兼土结构极限承载力分析的高效离精度线弹性迭代方法341新建抗弯承载力计算公式.683.4.2抗弯承载力计算公式准确性验证.703.5 压弯齐次广义屈服函数.723.5.1 强度齐次广义屈服函数.733.5.2 稳定齐次广义屈服函数.773.6 矩形截面钢管混凝土桁架承载力分析.793.7 小结.85第四章圆形CFST结构极限承载力分析的线弹性迭代方法.874.1 引言.874.2 纤维模型法研究圆钢管混凝土构件承载力.8743圆形钢管混凝土构件齐次广义屈服函数.924.3.1 轴压承载力.924.3.2 抗弯承载力.94433压弯齐次广义屈服函数.974.4 考虑矢跨比影响的抛物线钢管混凝土拱稳定系数.1024.4.1 增量非线性有限元法.1034.4.2 稳定系数影响因素分析.1044.4.3 新建稳定系数修正公式.1064.5 圆形截面钢管混凝土拱稳定承载力分析.1074.5.1 面内荷载作用下钢管混凝土拱.1074.5.2 空间荷载作用下钢管混凝土拱.1134.5.3 影响因素分析.1154.6 圆形截面钢管混凝土桁架极限承载力分析.1194.6.1 平面钢管混凝土桁架.1204.6.2 三肢空间钢管混凝土桁架.1214.6.3 四肢空间钢管混凝土桁架.1224.7 小结.124第五章哑铃型CFST拱稳定承载力分析的线弹性迭代方法.1265.1 引言.1265.2 哑铃型钢管混凝土构件承载力分析的纤维模型法.1265.3 哑铃型钢管混凝土构件齐次广义屈服函数.1305.3.1 轴压承载力.1305.3.2 抗弯承载力.1305.3.3 压弯齐次广义屈服函数.1325.4 哑铃型截面钢管混凝土拱稳定承载力.137VIII广西大学博士学位论文钢管混凝土结构极限承戳力分析的高效高精度线弹性迭代方法5.4.1 面内荷载作用下哑铃型钢管混凝土拱.1375.4.2 空间荷载作用下哑铃型钢管混凝土拱.1415.4.3 影响因素分析.1435.5 小结.145第六章 超大跨CFST拱桥工程实例分析.1476.1 弓|言.1476.2 钢管混凝土桁式拱承载力分析.1476.2.1 算例分析与验证.1486.2.2 影响因素分析.1496.3 工程概况.1526.4 构件与结构两层面安全性分析.1576.4.1 安全系数定义.1576.4.2 齐次广义屈服函数.1596.4.3 构件安全系数.季.1606.4.4 结构整体安全系数.1616.4.5 构件与结构两层面安全性定量关系.1636.5 高、低承载构件识别与拱轴线设计参数校准.1656.5.1 高、低承载构件识别.1656.5.2 拱轴线关键参数设计校准.1666.6 小结.弋.167第七章结论与神.：.1697.1 主要结论.1697.2 研究展望.170参考文献.171致谢.183攻读学位期间论文的发表情况.184攻读学位期间参与的科研项目.185作者简介.186IX广西大学博士学位论文钢管混凝土结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法第一章绪论1.1研究背景及意义钢管混凝土(Co nc rete-filled S teel Tube,简记为CF S T)具有承载能力高、延性性能好、施工便捷等优点，在桥梁工程和建筑工程中得到了广泛的应用小3图1.1图1.2给出了 CF S T在拱桥和空间桁式组合梁桥中的应用实例。其中1990年建成的四川旺苍大桥是我 国第一座CF S T拱桥，1996年建成的南海市紫洞大桥是我国第一座空间桁式组合梁桥，CF S T结构不仅满足了建筑向大跨高耸方向的发展趋势，同时经济性优势也很显著，以 2014年建成的CF S T拱桥世界第一跨一一合江长江一桥为例,其工程造价相比同桥址悬 索桥能够节约达9200万元，比同属卢渝高速公路的另一座跨长江斜拉桥少1.1亿元，且 随着跨役增大，这种优势更加显著，原因之一在于CF S T桁式拱能够有效利用CF S T 材料和桁式拱结构类型的受力优势，将弯矩转化为轴向受力，从而充分利用CF S T的组 合效应抵抗轴向力，体现了材料和结构的结合之美，很好地满足了在山区峡谷地带修建 大跨度桥梁的要求，有效推进了国家“一带一路”和“西部大开发”等国家战略的实施，具有广阔的应用前景。(a)四川旺苍大桥(b)泸州合江长江一桥图1.1 CF S T拱桥工程实例F ig 1.1 CF S T arc h brid ge pro jec ts(a)南海紫洞大桥(b)雅安干海子特大桥图1.2 CF S T桁架梁桥工程实例F ig 1.2 CF S T truss brid ge pro jec ts广西大学博士学位论文钢管混凝土结构极限承栽力分析的高效高精度线弹性迭代方法然而，随着桥梁跨度和建筑高度的日益增大，CF S T结构的承载安全问题越加重要,图1.3为CF S T拱桥因为构件或结构整体承载力不足而发生的破坏事故，这些事故严重 损害了社会公共安全，带来巨大的生命财产损失，因此准确、高效地模拟CF S T结构损 伤演化过程，确定极限承载力，对于CF S T结构的整体承载力设计、安全评估和风险调控等具有重要的工程意义。(c)库尔勒孔雀河大桥吊杆断裂(d)宜宾小南门桥吊杆断裂图1.3 CF S T拱桥承载力不足事故F ig 1.3 CF S T arc h brid ge ac c id ents d ue to the lac k o f ultimate bearing c apac ity目前在CF S T结构极限承载力分析中，增量非线性有限元法(Inc remental No n-linear F inite Element Metho d,简记为INF EM)是主要采用的数值方法，然而增量非线性有限元 法依赖于加载路径，并通过不断修改塑性区材料的本构关系模拟材料和结构的损伤演 化，涉及大量的材料层面非线性迭代分析，然而，对于大型复杂CF S T结构，材料和结 构尺度相差较多量级，由于缺少构件尺度损伤模型作为沟通材料和结构损伤模拟的桥 梁，导致增量非线性有限元法计算效率不高，且对材料本构关系和网格离散方案等较为 敏感，影响了增量非线性有限元法的计算稳定性及其在大型复杂CF S T结构承载力分析 中的应用。同时，当前CF S T结构分析设计理论无法得到构件安全和结构整体安全的定量关系，导致无法对结构整体安全性进行定量设计和优化。当前CF S T结构设计理论和工程实践 中，构件安全性设计和结构整体安全性校核是分开进行的，首先通过结构线弹性分析结 2广西大学博士学位论文钢管混凝土结构极限承武力分析的:r效高精度线弹性迭代方法果确定构件内力，并根据构件内力和抗力的关系计算构件安全系数，判别构件的安全性,此时未考虑结构内力重分布的影响；其次通过结构弹塑性分析确定CF S T结构极限承载 力，利用极限承载力与设计荷载的比值确定结构整体安全系数，校核结构整体安全性，由于结构在线弹性分析和弹塑性分析下的应力状态不同，所以难以确定构件安全和结构 整体安全的定量关系，以至于在结构整体安全富余量过大或过小时，无法通过调整构件 安全实现结构整体安全的定量设计和优化。因此，有必要建立一种CF S T结构极限承载力分析的高效高精度数值方法，并沟通 构件和结构整体两层面安全性定量关系，为CF S T结构整体安全性设计和优化奠定基础。1.2研究现状CF S T结构极限承载力分析涉及材料、构件和结构三个尺度，材料本构关系和构件 极限承载力分析都是CF S T结构极限承载力分析的基础，为此本文从CF S T材料本构关 系、构件极限承载力分析和结构极限承载力分析三个方面介绍现有研究进展。1.2.1 钢管混凝土材料本构关系研究CF S T材料本构关系又称为应力-应变关系曲线，是开展CF S T构件和结构数值模拟 的基础，包括钢管和核心混凝土本构关系，但两者在受力过程中存在较为复杂的相互作 用，核心混凝土为钢管提供支撑作用，降低了钢管向内屈曲的可能，一定程度延缓了钢 管的局部屈曲，而钢管为核心混凝土提供约束作用，使混凝土处于三向受力状态，一定 程度提高了混凝土的强度和延性，但在材料本构关系中准确描述这种相互作用却并非易 事，也导致了不同研究学者建立的材料本构关系相差较大，接下来本文分别介绍钢管和 核心混凝土本构关系的研究进展。对于钢管本构关系模型，H叫ar和Go urley、Hu等、Liu等学者采用理想弹塑 性模型分析了矩形和圆形CF S T构件受力性能；韩林海、Lian即、Din渭等学者考虑 钢管发生应变强化，并区别高强钢和低碳钢，分别给出了相应的钢管本构关系，有两折 线强化模型、五段式模型和简化的四段式模型等，一定程度考虑了钢管强度对本构关系 的影响；S akino等考虑钢管局部屈曲，采用了屈服强度折减模型建立钢管本构关系。可见现有研究中采用的钢管本构关系相差较大，同时大多未区别受拉区和受压区钢管受 力状态的差异回8】，然而，对于承受压弯荷载作用的CF S T构件，根据轴向受力状态不同 可将钢管分为受拉区和受压区，受压区钢管轴向受压环向受拉，处于双轴反向不利应力 3广西大学博士学位论文钢 管混凝土结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法状态，此时采用应变强化模型将偏于危险，为此Hajjar和Go urley*】采用理想弹塑性模 型近似考虑这种不利受力状态；而受拉区钢管轴向和环向均受拉，处于双轴等向有利应 力状态，考虑钢管发生应变强化能够更加准确反映钢管对承载能力的贡献，To mii和 S akino1 Lai和Varma附、Hatzigeo rgio i?”】考虑了钢管受力状态的差异，对受拉区和受 压区采用了不同的本构关系，但未区别钢管强度对本构关系的影响，因此需要综合考虑 钢管受力状态和钢管强度对本构关系的影响，建立钢管本构关系修正模型。对于矩形钢管约束混凝土受压本构关系，To mii和S akino W最早建立了包含二次抛 物线和多段线性函数的核心混凝土本构关系，仅考虑方形钢管约束引起的混凝土延性提 升；张正国和左明生网则考虑了矩形钢管约束引起的混凝土强度提升，基于试验数据建 立了方钢管约束混凝土本构关系;H前ar和Go urley在To mii和S akino】研究成果的基 础上，对残余应力段进行修正，并将上升段改为采用Po po vic s同研究成果；韩林海刀基 于套箍系数E建立了具有广泛适用性的矩形钢管约束混凝土本构模型；S usantha等同不 考虑钢管发生局部屈曲，在Mand e71和To mii和S akino研究成果的基础上，建立了 包含径向约束压力的适用于不同截面类型的钢管约束混凝土本构关系；Liu和Gho网建 立了矩形钢管约束高强混凝土本构关系；Zhang等四采用数值分解法推导得到包含约束 应力的材料本构关系；李黎明等mi结合直线上升段、塑性水平段和基函数下降段建立了 适用于矩形CF S T抗弯性能分析的核心混凝土本构关系；Liang网主体继承了 To mii和 S akino】的研究思路，并在此基础上考虑尺寸效应修正了混凝土强度，所建立的本构关 系具有广泛的适用性；Ding等上升段采用S argin。1成果，下降段采用过镇海成果，建立了适用于圆形、方形.I、八边形241和圆端形3ICF S T构件受力性能分析的一维本 构关系。以上本构关系是多种函数形式的组合，为分段函数，而S akino等】、蔡健和 孙刚的、Lai和Varm/2】则是采用一段式函数建立了矩形钢管约束混凝土本构关系。由此可见，不同学者建立的矩形钢管约束混凝土本构关系函数形式差别较大，适用 性不同，同时由于矩形钢管对混凝土约束效果比圆钢管要差，更易发生局部屈曲，因此 学者们对矩形钢管约束是否引起混凝土强度提升看法不一，因此有必要基于广泛的不同 受力状态的构件承载力试验数据库，全面对比分析现有本构模型的计算精度和适用性，确定能够准确用于预测矩形CF S T轴压、抗弯和压弯承载力的材料本构关系。对于圆形钢管约束混凝土受压本构关系，韩林海、S akino等【、S usantha等口句、Ding等、Lai和Varm/2等学者在建立矩形钢管约束混凝土本构关系的同时，也建立 4广西大学博士学位论文钢管混凝土结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法了圆形钢管约束混凝土的本构关系，除此之外，潘友光和钟善桐即通过研究三向受力混 凝土强度和变形两个指标，建立了不考虑混凝土强度损伤的单轴受力本构关系；Hu等 考虑约束力建立了钢管约束混凝土本构模型，并被广泛用于基于商业有限元软件 ABAQUS的CF S T构件网和结构物的数值模拟中；Hatzigeo rgio u引入紧箍力经验公 式，建立的本构关系适用于CF S T轴压、纯弯和压弯荷载作用情况的。可见，与矩形钢 管约束混凝土本构关系研究现状类似，圆形钢管约束混凝土本构关系同样多而不同，因 此有必要基于试验数据库进行本构关系遴选，确定能够用于预测圆形CF S T轴压、抗弯 和压弯承载力的材料本构关系。由于哑铃型CF S T截面是由上下单圆管和钢腹板连接而成，腹腔有填充混凝土和不 填充混凝土两种形式，因此哑铃型CF S T构件的数值模拟常采用圆CF S T材料本构关系 分析上下单圆管，而采用矩形CF S T材料本构关系分析填充混凝土的腹腔受力，若腹腔 蜜 不填充混凝土，则采用钢材本构关系直接进行模拟，故在此不再赘述。对于受拉区核心混凝土，现有研究对其考虑方式不同，Hajjar和Go urley依据 Vec c hio和Co llinsPi研究成果采用线性上升段和非线性下降段的本构关系；La i和 VarmaW考虑受拉区混凝土达到极限拉应力后退出工作；韩林海采用沈聚敏等阳建立 的受拉混凝土两折线本构模型；Liang网同样采用两折线本构模型。然而Hanm、李四平 等明和Liu则直接忽略了受拉区混凝土对CF S T构件截面强度的贡献，可见现有研究 对受拉区混凝土贡献看法不一，因此有必要定量研究受拉区核心混凝土的贡献，并确定 其考虑方式。1.2.2 钢管混凝土构件极限承载力研究组合内力作用下，CF S T构件常采用内力相关关系求解构件极限承载力。矩形、圆 形和哑铃型截面是CF S T构件常用的截面形式，截面类型不同则钢管和混凝土的相互作 用机理也不同，导致截面屈服时各内力的相关关系也有所不同。需要说明的是，学术界 对CF S T截面内力的相关关系称谓并不统一，蔡绍怀的称之为广义屈服条件（屈服曲线 方程），钟善桐的称之为相关公式，韩林海刀称之为承载力相关方程，本文借用韩林海 刀的说法将其称之为承载力相关方程。当前确定CF S T构件承载力相关方程的方法主要分为三类：试验法、数值法和解析 法，试验法通过试验的手段获取构件极限状态下各内力之间的相关关系，通过回归分析 得到构件的承载力相关方程；数值法与试验法研究思路相同，只是极限状态下内力的相 5广西大学博士学位论文钢 管混凝土结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法关关系是通过数值模拟获得的，数值法又主要分为纤维模型法（合成法或有限条分法）和 有限元法，有限元法通用性强，可较为细致地考察不同材料在受力过程中的相互作用，但该方法相对较为复杂且计算工作量大卬，而纤维模型法概念直观、表达式简洁，数值 计算效率高网，是确定CF S T构件承载力相关方程的有力工具；考虑钢管与混凝土协同 工作机理的复杂性，解析法较难适用于复杂受力情况，但以极限平衡理论和桁架模型理 论为代表的解析理论，对认识简单受力情况下钢管混凝土的力学机理有很大帮助。三类 方法均得到了较好的发展，其成果也在相应的专著及规范中有所体现。考虑到CF S T构 件承载力相关方程与截面几何形状密切相关，以下针对常用的矩形、圆形和哑铃型截面,分别进行相应的承载力相关方程研究现状综述。（1）矩形CF S T构件图1.4矩形CF S T截面和内力示意图F ig 1.4 Inner fo rc es ac ting o n rec tangular CF S T sec tio n确定承载力相关方程首先需要确定构件在单一内力作用下的截面强度。矩形CF S T构件中钢管的约束效果虽然不及圆形截面，但其连接方便、便于运输和 施工的优点同样使其得到了广泛应用。围绕矩形CF S T构件抗压承载力，S akino等口】、Han网、Liu和Gho M和蔡健砚等国内外学者开展了相关的试验研究，分析了高