钢管混凝土格构式柱受力性能研究

论文摘要

随着钢管混凝土结构在工程中的广泛应用,国内外许多学者对其力学性能和设计方法进行了较为深入的研究,与应用相比,钢管混凝土结构的研究开展得还并不多。本文采用非线性有限元方法对钢管混凝土格构式柱在单向水平荷载和循环荷载作用下的受力性能进行深入研究,以更好地协调结构的承载力、刚度和延性这三者的关系,对于指导实际工程具有十分重要的现实意义。本文考虑材料非线性、几何非线性和状态非线性,利用有限元软件ANSYS对钢管混凝土格构式柱的受力性能进行了模拟,分析了含钢率、轴压比、柱肢高度以及混凝土强度和钢材强度等因素,对钢管混凝土格构式柱的承载力、刚度、强度退化、耗能性能等进行了系统研究。通过分析研究,得出以下结论:从经济适用的角度来看,含钢率可提高,但是提高的幅度不宜太大,含钢率过大柱肢钢管底部应力集中现象严重,试件的承载力和刚度提高的幅度降低。柱肢高度要严格控制,柱肢高度越高,柱肢承载力和刚度越低,柱肢高度太高柱将失稳而提前破坏,材料的性能不能充分发挥。轴压比对柱受力性能的影响很小,故在实际工程中仅需满足相关规范即可。混凝土强度不需要提高太高,它对柱承载力影响很小。因此,工程中建议使用强度等级为C50、C60混凝土。钢材强度也不需要提高太高,尽管提高钢材强度对柱的承载力和刚度提高幅度较大,但是钢材强度过高钢材的应力集中现象严重。因此,工程中建议使用Q345、Q390钢材。综上所述,工程中要采用合适的含钢率、合理的柱肢高度、合适的钢材强度和混凝土强度、控制合理的轴压比,以满足实际工程中结构可靠性和适用性的需要。本文深入地分析了钢管混凝土格构式柱在单向水平荷载和循环荷载作用下的受力性能,研究工作和得出的结论为钢管混凝土格构式柱理论和设计方法的研究应用、以及探索新型的结构形式提供了有价值的数据和参考依据,为进一步研究钢管混凝土格构式柱的受力性能打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景、研究目的及意义
• 1.2 国内外钢管混凝土结构研究状况
• 1.2.1 国外研究情况
• 1.2.2 国内研究情况
• 1.2.3 钢管混凝土研究存在的问题及发展趋势
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 有限元基本理论及分析模型
• 2.1 非线性有限元理论
• 2.2 材料本构关系
• 2.2.1 混凝土本构关系模型
• 2.2.2 钢材本构关系模型
• 2.2.3 混凝土的破坏准则
• 2.2.4 屈服准则
• 2.2.5 流动法则
• 2.2.6 有限元程序的选取
• 2.3 有限元模拟在程序中的实现
• 2.3.1 材料特性定义和单元选取
• 2.3.2 边界条件和加载控制
• 2.3.3 求解选项设置
• 2.3.4 破坏准则的确定
• 3 钢管混凝土格构式柱在循环荷载作用下的研究
• 3.1 钢管混凝土格构式柱试件设计
• 3.1.1 基本（BASE）试件
• 3.1.2 系列试件
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.2.1 材料本构关系和单元类型的选取
• 3.2.2 网格划分
• 3.2.3 加载方案
• 3.3 有限元计算结果与分析
• 3.3.1 基本（BASE）试件
• 3.3.2 GT 系列试件
• 3.3.3 ZY 系列试件
• 3.3.4 ZG 系列试件
• 3.3.5 GH 系列试件
• 3.3.6 HQ 系列试件
• 4 结论
• 4.1 结论与设计建议
• 4.2 后继工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录