摘要
摘要
我国是原煤生产大国，煤炭产量位居世界第一。在煤炭开采和加工过程中会
产生固体废弃物煤矸石，其排放量可以达到煤矿原煤产量的10%~15%。截至
2020年煤矸石累计堆存量约为70亿吨，严重占用了我国的土地资源。采用煤矸
石制备煤矸石粗、细骨料，并取代碎石和天然砂制备煤矸石混凝土，可显著提高
煤矸石的综合利用率。然而，煤矸石混凝土的力学性能低于普通混凝土，限制了
其在工程中的应用。将其应用于钢管混凝土可以有效改善煤矸石混凝土力学性
能。目前，国内外学者对于钢管煤矸石混凝土轴压力学性能研究较少，仅针对掺
入煤矸石粗骨料的钢管混凝土柱开展了研究，尚无煤矸石细骨料影响的研究。为
此，本文以煤矸石粗/细骨料取代率、含钢率、核心混凝土强度为主要参数，深入
研究钢管煤矸石混凝土短柱轴压力学性能。主要工作如下：
（1）开展了24组共48个钢管煤矸石混凝土短柱轴压试验，观察了试件表面
及内部核心混凝土的破坏形态，量化了荷载与纵向、横向应变间的关系；基于试
验结果，分析了煤矸石骨料取代率等关键参数对试件极限承载力、轴压刚度等力
学性能的影响。结果表明：煤矸石骨料的取代会降低试件的极限承载力
（0.3%~22.2%）和轴压刚度（6.1%~35.1%），且细骨料的取代会显著降低试件的
峰值应变（11.5%~66.6%）。
（2）通过系统分析，修正了核心煤矸石混凝土的本构模型，进而采用
ABAQUS建立了钢管煤矸石混凝土轴压短柱的实体有限元分析模型，并采用本文
试验数据验证了有限元模型的可靠性。采用验证后的有限元模型开展参数分析，
并基于试验和参数分析结果，验证了欧美日规范EC4、AISC、AIJ和我国
GB50936规范计算钢管煤矸石混凝土轴压短柱极限承载力的适用性，其中EC4和
我国GB-1规范的预测结果较为吻合，其线性回归系数分别为1.058、1.054。
（3）通过剥离分析获得了钢管煤矸石混凝土轴压短柱的钢管横、纵向应力-
应变关系曲线与核心混凝土应力-应变关系曲线，并研究了煤矸石骨料对钢管约束
作用的影响。基于试验与有限元分析结果，修正了课题组前期提出的钢管普通混
凝土纵向应力-应变关系表达式，提出了适用于钢管煤矸石混凝土纵向应力-应变
关系的预测模型。基于本文试验结果，验证了模型的可靠性，其对承载力的预测
结果和试验结果的线性回归系数为0.988。
关键词:钢管混凝土；煤矸石混凝土；轴心受压；计算公式
-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Ourcountryisabigcountryofrawcoalproduction,outputofcoalranksfirstin
theworld.Intheprocessofcoalminingandprocessing,solidwastecoalganguewillbe
produced,anditsdischargecanreach10%~15%ofcoalminerawcoaloutput.Upto
2020theaccumulatedstockofcoalgangueisabout7billiontons,whichhasseriously
occupiedlandresourceinourcountry.Usingcoalganguetoproducecoarseandfine
aggregateandreplacinggravelandnaturalsandtoproducecoalgangueconcretecan
significantlyimprovethecomprehensiveutilizationrateofcoalgangue.However,the
mech