外包钢—混凝土组合梁与钢管混凝土柱节点力学性能的非线性有限元分析

论文摘要

外包钢-混凝土组合梁是针对普通钢-混凝土组合梁的一些缺陷加以改进而形成的新型组合梁。该组合梁具有结构受力合理,施工工序优化,防火性能提高,承载力高、刚度大、经济性好等优点,但其与柱的连接节点形式的研究较少,限制了这种新型组合梁的推广应用。针对外包钢-混凝土组合梁结构的特点,参考钢管混凝土柱与钢梁、钢筋混凝土梁连接的节点形式,本文提出了两种外包钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱的新型节点,在试验研究的基础上,进一步通过有限元分析方法重点研究了该新型节点的受力机理和抗震性能,并与试验结果进行比较。本文具体做了以下几方面工作:（1）考虑了钢管壁与混凝土、外包钢与混凝土之间的粘结滑移,选择合理的材料本构关系和破坏准则,根据材料试验数据确定有限元模型的相关材料特性,为保证有限元计算的顺利进行,对试验试件做了一些简化,建立与试件相同尺寸的有限元计算模型。（2）利用有限元分析软件ANSYS,对两种钢管混凝土节点进行了柱顶轴压荷载和梁端单调荷载作用下的非线性有限元分析,重点考察和比较了两种节点在柱顶轴压荷载下的承载力以及在梁端单调荷载下节点的屈服荷载和屈服位移。有限元分析结果表明,两节点轴压承载力相差较小,梁端荷载下的屈服荷载和屈服位移也相差不大,说明钢管开孔对节点承载力和延性的影响均较小。（3）在两种钢管混凝土节点抗震性能试验研究的基础上,对这两种节点形式进行了低周反复荷载作用下的非线性有限元分析,有限元分析结果和试验结果基本吻合,并从两种新型节点的承载力、延性及耗能性能等方面进行综合分析和比较,以验证该新型节点的可行性。（4）通过建立不同的有限元模型,分析了轴压比、含钢率、钢材屈服强度及混凝土抗压强度等参数对节点滞回性能的影响。在试验研究与有限元参数分析的基础上,提出钢管混凝土压弯构件的P-Δ曲线计算模型和位移延性系数的简化计算方法,以及一些钢管混凝土梁柱节点的工程设计建议与研究展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢-混凝土组合结构
• 1.1.1 组合楼板
• 1.1.2 型钢混凝土结构
• 1.1.3 钢管混凝土结构
• 1.1.4 钢-混凝土组合梁
• 1.1.5 外包钢-混凝土组合梁
• 1.2 外包钢-混凝土组合梁的研究现状
• 1.3 外包钢-混凝土组合梁柱节点的研究现状
• 1.3.1 外包钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土柱节点
• 1.3.2 外包钢-混凝土组合梁与型钢混凝土柱节点
• 1.4 钢管混凝土结构梁柱节点的研究现状
• 1.4.1 国内外钢管混凝土梁柱节点的试验研究
• 1.4.2 国内外钢管混凝土梁柱节点的有限元分析
• 1.5 存在的问题与本文的主要工作
• 1.5.1 存在的问题
• 1.5.2 本文的主要工作
• 第二章 有限元分析的理论基础
• 2.1 前言
• 2.2 有限元法综述
• 2.3 材料的本构关系和破坏准则
• 2.3.1 混凝土的本构模型
• 2.3.2 增量理论的弹塑性本构关系模型
• 2.3.3 混凝土的应力-应变关系
• 2.3.4 混凝土的破坏准则
• 2.3.5 混凝土的开裂与压碎模型
• 2.3.6 钢材的本构关系及屈服准则
• 2.3.7 钢与混凝土之间的粘结滑移本构关系
• 2.4 有限元的求解方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 钢管混凝土梁柱节点有限元模型的建立与求解
• 3.1 试验概况
• 3.2 有限元建模的基本假定
• 3.3 节点模型单元类型的选取
• 3.3.1 钢筋混凝土有限元模型
• 3.3.2 钢筋单元
• 3.3.3 钢管、外包钢和加强环单元
• 3.3.4 刚性垫块单元
• 3.3.5 粘结滑移单元
• 3.4 材料参数的取值
• 3.5 边界条件与加载制度
• 3.6 网格划分后的有限元模型
• 3.7 求解的收敛问题
• 3.8 求解与结果后处理
• 3.9 本章小结
• 第四章 单向荷载作用下梁柱节点的非线性有限元分析
• 4.1 施加柱顶轴压荷载梁柱节点的非线性有限元分析
• 4.1.1 节点的承载力分析
• 4.1.2 节点在柱顶轴压荷载下的内力分析
• 4.2 施加梁端单调荷载梁柱节点的非线性有限元分析
• 4.2.1 梁纵筋应力分布
• 4.2.2 混凝土梁柱节点应力分布
• 4.2.3 钢管的应力分布
• 4.2.4 外包钢及加强环的应力分布
• 4.3 本章小结
• 第五章 低周反复荷载作用下梁柱节点的非线性有限元分析
• 5.1 试验过程及试件的破坏形态
• 5.2 试验主要结果与有限元计算结果的分析与对比
• 5.2.1 试件承载力的对比分析
• 5.2.2 滞回曲线与骨架曲线对比
• 5.2.3 试件的延性和耗能性能
• 5.2.4 组合梁纵筋和底板的应变
• 5.2.5 钢管竖向应变
• 5.2.6 钢管环向应变
• 5.2.7 加强环应变
• 5.3 本章小结
• 第六章 节点滞回性能的参数分析与计算模型
• 6.1 节点的参数分析
• 6.1.1 轴压比
• 6.1.2 含钢率
• 6.1.3 钢材屈服强度
• 6.1.4 混凝土抗压强度
• 6.2 P-△曲线计算模型
• 6.3 工程设计建议
• 6.3.1 设计基本原则
• 6.3.2 材料选用
• 6.3.3 组合梁和钢管混凝土构件的截面设计
• 6.3.4 节点及构件的设计计算
• 6.3.5 钢管混凝土梁柱节点的构造措施
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与研究展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间发表的文章