型钢高强高性能混凝土梁的基本性能及设计计算理论研究

论文摘要

型钢混凝土结构是继混凝土结构、钢结构之后,建筑结构形式发展的又一次进步,其优越的受力性能、良好的经济效益逐渐被人们认识和发掘,但目前由于对其相关研究和认识仍存在不足,许多方面还需要进一步深入分析。只有不断深化结构设计理论,结合材料和工艺的改进不断完善结构自身形式,才能促进型钢混凝土结构进一步发展,保持该结构形式推广和创新的可持续性。为了研究型钢高强高性能混凝土梁的基本性能及设计计算理论,本文主要完成了以下研究内容:(1)从型钢高强高性能混凝土梁构件的组成材料入手,分析了钢材性能、型钢截面形式等因素对组合构件性能的影响,着重探讨了高强高性能混凝土材料的相关问题,包括高强高性能混凝土的配制目标和技术路线、材料的微细观结构特点和相互间作用性能、原材料选择原则、材料损伤概率等,得出了适用于型钢混凝土组合结构强度等级为C70～C100的高强高性能混凝土的配制方法和配合比,分析了高强高性能混凝土的相关性能,推导和建立了混凝土材料的损伤本构关系。(2)结合型钢混凝土粘结滑移试验研究,探讨了型钢与混凝土粘结作用机理和影响二者粘结性能的主要因素,指出在组合构件受力过程中型钢与混凝土界面有可能成为构件破坏的薄弱区,引发构件的不同破坏模式。基于型钢混凝土粘结损伤模型,推导和建立了型钢与混凝土的粘结损伤本构关系。(3)通过型钢高强高性能混凝土梁的静力试验,研究了不同影响因素(如:混凝土强度等级、剪跨比、加载方式、配钢率及型钢混凝土界面间剪切连接方式等)对型钢高强高性能混凝土梁构件破坏机理和受力性能的影响;分析了型钢高强高性能混凝土梁构件的破坏形态、承载力、变形等相关性能。(4)基于国内外研究现状和本文试验研究,对型钢高强高性能混凝土梁构件正截面承载能力、斜截面承载能力、刚度/变形、裂缝等相关计算方法进行了详细分析,建立了考虑型钢与混凝土剪切面性能的设计计算公式,同时给出型钢高强高性能混凝土梁的构造和施工建议。(5)借助非线性有限元分析软件ANSYS对构件进行数值模拟,通过构件截面单元的合理划分和选用,建立了型钢混凝土梁构件的有限元分析方法。(6)结合一系列的试验研究和理论分析,对型钢混凝土梁构件的优化设计方法进行了分析和总结,提出了模型优化和概念优化的双重优化方法。文中基于材料、分析方法和试验方法的创新,建立了型钢高强高性能混凝土梁构件的系统分析设计方法,研究涉及构件组成材料选择、材料间相互作用机理、相关承载力的计算、非线性分析以及构件优化等问题,对每一环节涉及的相关问题展开分析和讨论,为实现型钢高强高性能混凝土梁构件的设计和施工提供依据,为该结构形式的应用和发展奠定基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 研究概述
• 1.1 引言
• 1.2 本课题的研究意义
• 1.3 型钢混凝土梁构件研究发展现状和分析
• 1.3.1 相关材料
• 1.3.2 型钢与混凝土间作用机理
• 1.3.3 相关计算理论和方法
• 1.4 本论文主要研究的目的与内容
• 1.5 本章小结
• 参考文献
• 2 型钢高强高性能混凝土梁构件的组成材料
• 2.1 引言
• 2.2 型钢
• 2.2.1 型钢钢材强度和性能
• 2.2.2 型钢在组合梁构件中的位置及形式
• 2.3 高强高性能混凝土
• 2.3.1 配制目标和技术路线
• 2.3.2 微细观结构和相关作用分析
• 2.3.3 原材料选择
• 2.3.4 损伤概率分析
• 2.3.5 适用于型钢混凝土结构的高强高性能混凝土的配制
• 2.3.6 性能分析
• 2.3.7 混凝土的损伤本构关系
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 3 型钢与混凝土的作用性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 型钢混凝土粘结滑移性能试验
• 3.3 型钢与混凝土粘结机理分析
• 3.4 影响型钢与混凝土粘结性能的主要因素
• 3.5 型钢与混凝土界面的剪切作用
• 3.6 型钢与混凝土的粘结损伤本构关系
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 4 型钢高强高性能混凝土梁构件试验研究和分析
• 4.1 试验概况
• 4.2 试验参数
• 4.3 试验构件制作
• 4.3.1 试件原材料选择
• 4.3.2 试件制作过程
• 4.4 观测内容、测点和仪表布置及加载方案
• 4.4.1 观测内容
• 4.4.2 测点和仪表布置
• 4.4.3 加载方案
• 4.5 试验结果
• 4.6 试验结果分析
• 4.6.1 破坏形态
• 4.6.2 影响因素分析
• 4.6.3 应变和滑移分析
• 4.6.4 整体性能分析
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 5 型钢高强高性能混凝土梁构件承载力计算
• 5.1 引言
• 5.2 型钢与混凝土界面间的剪切计算
• 5.3 型钢高强高性能混凝土梁正截面承载能力计算
• 5.3.1 正截面承载力现有设计方法
• 5.3.2 正截面承载力计算公式的改进思路
• 5.3.3 正截面承载力计算公式推导
• 5.4 型钢高强高性能混凝土梁斜截面承载能力计算
• 5.4.1 斜截面承载力现行设计方法的比较
• 5.4.2 影响抗剪能力的因素
• 5.4.4 斜截面承载力的改进思路
• 5.4.5 斜截面承载力计算公式
• 5.5 型钢高强高性能混凝土梁刚度和变形计算
• 5.5.1 现有的刚度计算方法
• 5.5.2 影响构件变形因素分析
• 5.5.3 型钢高强高性能混凝土梁的刚度计算
• 5.6 型钢高强高性能混凝土梁裂缝计算
• 5.6.1 型钢高强高性能混凝土梁裂缝特征
• 5.6.2 型钢高强高性能混凝土梁的抗裂度验算
• 5.6.3 型钢高强高性能混凝土梁的裂缝宽度计算公式
• 5.7 型钢高强高性能混凝土梁的构造和施工要求
• 5.8 本章小结
• 参考文献
• 6 型钢高强高性能混凝土梁构件的有限元分析
• 6.1 单元类型和材料模型
• 6.1.1 单元类型
• 6.1.2 材料模型
• 6.1.3 型钢混凝土粘结滑移的模拟
• 6.2 建模和求解
• 6.3 计算结果和分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 7 型钢混凝土框架梁的优化设计
• 7.1 型钢混凝土框架梁的模型优化
• 7.1.1 设计变量
• 7.1.2 目标函数
• 7.1.3 约束条件
• 7.1.4 离散变量的惩罚函数法
• 7.1.5 算例
• 7.2 型钢混凝土梁概念优化
• 7.2.1 型钢混凝土梁的合理截面型式探讨
• 7.2.2 型钢混凝土梁的局部构造优化
• 7.3 本章小结
• 参考文献
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 附录
• 附录一: 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录二: 申请专利
• 附录三: 学习期间参加的科研项目
• 附录四: 学习期间获奖情况