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1、教学分析结构试验研究完整案例 薄壁离心钢管混凝土构件扭转性能试验研究教学分析1 试验目的试验目的对薄壁离心钢管混凝土管（CentrifugalConcrete-filledThin-WalledSteelTube）进行抗扭试验研究并给出设计极限承载力的简易计算公式。试验分类(详见教材P3)试验目的：生产鉴定性、科学研究性；试验对象尺寸：原型试验、模型试验；试验荷载性质：结构静力、结构动力、结构疲劳、拟动力、抗震；作用时间：短期荷载、长期荷载；试验场地：实验室、现场。TIPS教学分析2 试验准备试验准备考虑不同因子水平：长细比（管长度管直径之比）、含钢率（钢管壁厚ts与混凝土壁厚tc之比）、空心
2、率（内衬混凝土管外径与内径之比）。为了进行对比，还进行了纯钢管、素混凝土管的抗扭试验（辅助试验）；同时为了大致了解复杂受力下构件的表现特征，还进行了少量的该类构件在弯扭及扭弯两种加载路径下的全过程加载。教学分析3 试件的设计及制作要求试件的设计及制作要求试件共计34根，包含了不同的钢管壁厚（3mm及5mm）、不同的混凝土壁厚（0，20mm，25mm，30mm）、不同的外直径（600mm，2000mm，3000mm）等各种类型，根据工程应用情况，混凝土强度等级拟定为C40。TIPS试验中用到了哪些设备与仪器？教学分析4 试件的安装与就位试件的安装与就位在扭转试验中，为便于连接,试件与加载装置之间
3、采用了法兰连接，外套方形夹具;为保证有不变的力臂，试件通过两端扇形状钢板上的钢丝绳受拉以获得扭矩，力传感器串联在钢丝绳中（机械力加载）；试件的表面共布设16处应变测试点，其中跨中沿环向为8处，在1/4处及3/4处沿环向各为4处（测点布置）。圆筒的抗压试验加载现场全景弯、剪、扭联合作用的试验教学分析5 加载方法加载方法试件加载采用分级控制：先初始循环加载一次，至预估弹性极限时卸载，然后再逐级加载至破坏，每级约为极限荷载的10-20%。初始循环的目的是可以部分地消除初始的机械咬合等带来的空载变形。TIPS加载装置：分配梁、油压千斤顶；加载方式：分级加载；教学分析6 试验过程观察试验过程观察素混凝土
4、管的扭转试验表明：在很小的荷载下试件即沿45。方向发生开裂破坏（裂缝宽度达到1.5mm，挠度1/50l时破坏）；纯钢管与后来进行的薄壁离心钢管混凝土试件扭转试验的现象较为接近，破坏的趋势一致：当荷载大致为极限荷载的0.8倍以前，扭转变形非常缓慢，而临近极限荷载时扭转变形剧增，然后稍加荷载试件使发生翘曲失稳破坏，该类构件由于加载后期已失去圆周外形，因此其下降段已很难定性，在记录的荷载-变形曲线上呈陡落状，这一点与实心钢管混凝土构件有很大的不一致。TIPS观测项目：应变、挠度、转角。教学分析6 试验过程观察试验过程观察试验后，将试件用气割剥离后发现内壁混凝土表面布满了大约4550左右方向的斜裂缝，
5、在相应破坏位置处混凝土均被压碎，而其他部位，钢与混凝土的粘接尚好。TIPS试件加载后内部裂缝情况（形态图）采用什么方法寻找裂缝并测得裂缝宽度？教学分析7 试验结果试验结果通过对试验现象的观察与数据的整理，并参考相关钢管混凝土结构的参考文献，可以发现：薄壁离心钢管混凝土管构件的受扭全过程可划分成三个阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、极限破坏阶段。TIPSZ25试件的扭矩-应变曲线图结构试验数据的表达（图像方式）：曲线图、形态图、直方图和饼图。教学分析7 试验结果试验结果 薄壁离心钢管混凝土试件抗扭承载力指标表（单位/量纲）试件编号外径长度钢管壁厚-砼壁厚TcrTaaTbbTuuLts-tc(m
6、m)kNmkNmkNmkNmDd52006003-303540*216643.58474744.477327D42006003-303926.68193638.69874344.479912D82006003-303223.46230037.542465*39.109883D272006003-203325.81124434.02871139.109842D102006003-203223.43280432.14506939.058525D92006003-20-25.12193633.23815738.6410438D62006005-25-30.23-43.53774260.469006D
7、32006005-25-30.37152148.14765060.189152D72006005-254330.27152144.52753859.369012Z2220020003-20-26.18142931.42345634.919912Z2520020003-20-28.17193637.29451639.679883Z2620020003-203125.62155532.88774342.708275Z2320020005-253935.43212049.00929854.519913Z2120020005-254533.14106045.70798357.139854Z242002
8、0005-254334.08184347.82385954.979883C1520030003-20-31.28180035.2403939.606080C1120030003-20-31.34151032.0277435.614161*C1320030003-20-22.36*135029.8275637.266604C1720030003-20-31.30161336.12451640.139942C1620030005-25-37.32258147.99700053.3210000C2020030005-25-33.00783*49.40534655.0110000TIPS结构试验数据的
9、表达：表格方式。异常数据应进行核验、剔除。教学分析7 试验结果试验结果通过分析，剪应变b与、有关（实际上b还与离心砼轴心抗压强度fc、fs有关，但根据实际应用的情况，本次试验中这两个参量暂取为常量）。经过统计各个试件Tb对应的实测b值，对各个参数进行最小二乘拟合，剪应变b可得到下列回归公式（函数形式及系数）：b=(-1400+27241/2)+7638（）TIPS结构试验数据的表达（函数方式）：确定函数形式、求函数表达式的系数。教学分析8 极限平衡状态法分析薄壁离心钢管混凝土构件的受扭承载力极限平衡状态法分析薄壁离心钢管混凝土构件的受扭承载力单元应力图基于单元应力图，根据两个方向的强度平衡条件
10、、变形条件及屈服条件，可列出平衡方程。TIPS教学分析8 极限平衡状态法分析薄壁离心钢管混凝土构件的受扭承载力极限平衡状态法分析薄壁离心钢管混凝土构件的受扭承载力承载力汇总与对比表编号Lts-tcTcal1Tcal2Tb(回归)TuTcalTb/Tcal1Tu/Tcal2mmmmkNmkNmkNmkNmkNmDd56003.04-3036434444351.221.02D46003.04-30364337441.031.02D86003.04-30364333390.920.91D276003.04-2034403339370.970.98D106003.04-20344033390.970.
11、98D96003.04-20344032390.940.98D66004.34-2545595360511.181.02D36004.34-25455952601.161.02D76004.34-25455953591.181.00Z2220003.04-2034403035370.880.88Z2520003.04-20344032400.941.00Z2620003.04-20344034431.001.08Z2320004.34-2545594755511.040.93Z2120004.34-25455949571.090.97Z2420004.34-25455947551.040.93
12、C1530003.04-2034403540371.031.00C1130003.04-20344035361.030.90C1330003.04-20344028370.820.93C1730003.04-20344033400.971.00C1630004.34-2545594553511.000.90C2030004.34-25455946551.020.93计算得到：平均值分别为1.02,0.97,变异系数分别是0.1,0.05（统计分析）教学分析9 计算公式简化计算公式简化通过前述分析，可以得知薄壁离心钢管混凝土构件的受扭特性及设计极限承载力的求法，通过求解一个联立方程式而求出设计扭
13、矩T，但T的求法用手工计算还是比较烦琐。在很多场合下需要了解T的显式表达式：例如在设计方案阶段的估算，了解各个参数与T的最优搭配；特别是在根据结构设计统一标准对该类构件的承载力进行可靠度运算，以获取设计表达式时，极限状态方程的选取与后继的分项系数表达式的建立更与T的显式有关。因此有必要对T计算式中的参量进行分析、回归，通过拟合精简出一个实用的计算表达式。教学分析10 结论结论1)薄壁离心钢管混凝土构件具有良好的抗扭承载力，其受扭承载力值大于纯钢管与素混凝土构件承载力之和，主要原因是混凝土的内衬保护作用，使钢材性能充分发挥；2)构件的受扭变化可以划分成三个阶段，构件的下降段由于几何缺陷的因素，离散较大，构件的破坏是由于某处混凝土强度达到极限压应力，然后钢材失去了稳定，发生屈曲；一般定义构件的弹塑性段的拐点为设计承载力极限点；构件的最终承载力主要依赖于钢材的强度，但混凝土的强度和壁厚是必要的保证；3)对应于为实际工程可采用的设计指标Tb可采用前述的简化公式进行计算。教学分析试验报告包括哪些？试验报告包括哪些？(详见教材详见教材P81)（1）格式介绍（2）文本包含：表格、图、文字、公式等.TIPS
