离心钢管混凝土结构设计理论基础研究

论文题目: 离心钢管混凝土结构设计理论基础研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 袁伟斌

导师: 金伟良

关键词: 离心钢管混凝土,钢管混凝土,本构关系,应变能,黏结强度,黏结滑移,轴压,弯矩,扭转,有限元分析,压弯,压扭,弯扭,压弯扭,耐火极限,火灾后,标准升温曲线,破坏线模型,可靠度,抗力分项系数,节点

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 离心钢管混凝土结构是一种将混凝土浇灌在钢管内经离心成型的空心组合构件，它是介于纯钢管结构和钢管混凝土结构之间的一种特殊的、新型的钢管-混凝土组合结构形式。由于其有弹塑性好、刚度大、自重轻的优点，在电力工程等领域的实际工程已得到了广泛地应用。为了将离心钢管混凝土结构进一步应用于其它基本建筑领域，并使其成为一个完整的结构体系，开展离心钢管混凝土结构的设计理论基础性研究，具有重要的理论和实际意义。本文针对离心钢管混凝土结构存在的问题和实际工程应用的需要，在对离心钢管混凝土结构的本构关系和黏结滑移性能进行较全面研究的基础上，建立了考虑黏结滑移影响的三维非线性有限元模型，分析了该结构构件在单一作用、组合作用及其温度场作用下的极限承载力，并根据试验和计算结果，修正了单一作用下的极限承载力简化公式，提出了组合作用、火灾作用及其火灾后构件的极限承载力计算表达式，同时对结构连接的节点型式与构造进行了全面的介绍与评述，为工程设计人员提供必要的参考。通过上述的研究工作，本文形成了下列主要研究成果： (1) 在现有的钢管—混凝土本构关系基础上，将离心钢管混凝土简化为同一尺度的横观各向同性体来研究，在弹性条件下利用应变能相等原理得到了宏观弹性系数，同时假设进入弹塑性后各模量为二次抛物线变化，提出了离心钢管混凝土这种组合结构的等效本构关系，同时分析了弹性条件下材料强度变化和含钢率对各模量的影响。 (2) 根据国内外关于钢—混凝土组合结构黏结性能的试验研究，对钢—混凝土组合结构中离心钢管混凝土的黏结强度进行了分析和探讨，基于Tepfers受均匀内压力作用的厚壁圆筒力学模型，提出了一种离心钢管混凝土黏结强度的计算方法，建立了钢管与离心混凝土之间黏结强度的理论分析模式。 (3) 在对离心钢管混凝土黏结应力沿边界长度的分布规律综述的基础上，根据黏结应力的分布规律、力的平衡、钢管和混凝土的应力-应变关系、滑移与钢管和混凝土的应变之间的关系，从力学角度对离心钢管混凝土黏结滑移本构关系进行了理论推导，建立了滑移量值关于界面长度x、黏结应力关于界面长度x和黏结应力-滑移的数学模式，并分析了含钢率、长细比、钢管的弹塑性与混凝土开裂对模式的影响。 (4) 在钢—混凝土组合结构的黏结-滑移研究的基础上，提出了考虑黏结-摘要浙江大学工学博士学位论文2005滑移影响的离心钢管混凝土的三维有限元模型，该模型采用非线性弹簧单元来模拟钢管与混凝土接触面处的三向滑移，同时在计算模型中分别反映出了离心混凝土与钢管的非线性特性，对离心钢管混凝土构件在各单一荷载作用下极限承载能力进行了分析，得到了离心钢管混凝土在单一作用状态下结构、钢管与离心混凝土的全过程曲线。并通过试验数据与数值分析，对目前的简化计算公式进行了验证与修正。 (5)通过对不同组合作用的加载路径的分析，对不同加载路径下离心钢管混凝土压弯、压扭、弯扭与压弯扭构件进行了有限元全过程分析，对压弯、压扭、弯扭与压弯扭构件工作机理及其性能进行了深入系统的研究，提出了离心钢管混凝土构件的压弯、压扭、弯扭与压弯扭承载力相关方程表达式。 (6)在总结钢材与混凝土应力应变关系的基础上，建立了高温下及其高温后有限元分析模型，计算了150一384标准升温曲线作用下离心钢管混凝土柱的耐火极限，进行了火灾下和火灾后轴压构件荷载一变形关系曲线全过程分析，提出了不同火灾作用下和火灾后轴压构件的极限承载力简化计算公式。 (7)在离心钢管混凝土构件抗扭性能试验数据的研究基础上，针对离心钢管混凝土构件在抗扭性能试验塑性状态时钢管内离心混凝土发生约45。的脆性破坏特性，提出了扭矩作用下离J自钢管混凝土的破坏线模型，由能量原理推出了管内混凝土的扭转刚度表达式，并利用扭转刚度相等和边界条件将受压混凝土简化为管内的等效螺旋加劲肋，提出了组合构件在纯扭转状态下极限承载力的简化计算公式。 (8)基于《建筑结构可靠度设计统一标准》(GBJSOOg一2001)，应用结构可靠度分析的一次二阶矩法，对《离心钢管混凝土结构技术规程》(DL5oZo一96)和本文的研究成果中有关离心钢管混凝土轴压、纯弯、纯扭、压弯和弯扭构件承载力设计公式进行了可靠度分析，同时分析了混凝土强度等级和钢材变化、长细比、荷载比和活载类型对可靠度的影响，并在保证目标可靠指标的条件下计算了离心钢管混凝土结构的抗力分项系数。 (9)为了进一步促进离心钢管混凝土结构的推广应用，对离心钢管混凝土结构的节点型式与构造进行了全面的介绍，总结了节点设计的基本要求。通过论文的研究工作，己系统地形成了离心钢管混凝土结构的设计理论，为该结构在实际工程的应用提供了理论依据。关键词:离心钢管混凝土;钢管混凝土;本构关系;应变能;勃结强度;黍占结滑移;轴压;弯矩;扭转;有限元分析;压弯;压扭;弯扭;压弯扭;耐火极限;火灾后;标准升温曲线;破坏线模型;可靠度;抗力分项系数;节点一11一袁伟斌:离心钢管混凝土结构的设计理论基础研究

论文目录:

主要符号

第1章绪论

1.1 离心钢管混凝土(CCFT)结构的特点

1.2 离心钢管混凝土(CCFT)构件的生产工艺

1.3 课题研究背景与意义

1.4 离心钢管混凝土的发展与应用

1.5 国内外研究现状

1.6 本文主要工作

参考文献

第2章钢管—混凝土组合结构本构关系研究

2.1 引言

2.2 钢材、混凝土本构关系

2.3 弹性阶段应力应变关系

2.4 弹塑性阶段各模量的确定

2.5 理论计算与试验结果对比

2.6 本章小结

参考文献

第3章离心钢管混凝土黏结滑移性能研究

3.1 引言

3.2 钢管与离心混凝土黏结问题的有关概念

3.3 离心钢管混凝土结构黏结强度分析

3.4 离心钢管混凝土黏结-滑移本构关系理论分析

3.5 算例分析

3.6 本章结论

参考文献

第4章单—作用下离心钢管混凝土的有限元分析

4.1 引言

4.2 有限元模型的建立

4.3 轴压构件有限元计算分析

4.4 受弯构件有限元计算分析

4.5 受扭构件有限元计算分析

4.6 本章结论

参考文献

第5章组合作用下离心钢管混凝土的有限元分析

5.1 引言

5.2 组合荷载施加路径分析及其工作特点

5.3 压弯组合荷载作用下构件的有限元分析

5.4 压扭组合荷载作用下构件的有限元分析

5.5 弯扭组合荷载作用下构件的有限元分析

5.6 压弯扭组合荷载作用下构件的有限元分析

5.7 本章结论

参考文献

第6章离心钢管混凝土柱耐火性能与灾后极限承载能力

6.1 引言

6.2 影响离心钢管混凝土抗火性能的因素

6.3 有限元模型的建立

6.4 耐火极限有限元分析

6.4 灾后极限力学性能有限元分析

6.5 本章小结

参考文献

第7章基于破坏线模型的离心钢管混凝土抗扭极限承载力

7.1 引言

7.2 试验研究

7.3 已有的研究方法

7.4 基于破坏线抗扭极限承载力模型

7.5 计算结果

7.6 本章结论

参考文献

第8章基于可靠度离心钢管混凝土构件设计目标可靠度及抗力系数的确定

8.1 引言

8.2 荷载和抗力统计参数

8.3 轴压构件承载力可靠度分析

8.4 纯弯构件承载力可靠度分析

8.5 纯扭构件承载力可靠度分析

8.6 压弯纯扭构件承载力可靠度分析

8.6 弯纯扭构件承载力可靠度分析

8.7以分项系数表达的工程实用设计式

8.8 本章结论

参考文献

第9章离心钢管混凝土的节点

9.1 引言

9.2 节点种类和要求

9.3 节点力的传递

9.4 刚接节点

9.5 弹性节点

9.6 铰接节点

9.7 其他节点

9.8 本章结论

参考文献

第10章结论与展望

10.1 本文的主要结论

10.2 本文主要创新点

10.3 展望

博士在读期间发表的论文

致谢

发布时间: 2005-04-18

参考文献

[1].钢管混凝土结构三维非线性有限元分析和设计理论的研究[D]. 卢明奇.天津大学2005
[2].高层钢管混凝土结构体系设计方法及试验研究[D]. 孙修礼.东南大学2006
[3].钢管混凝土结构损伤与破坏过程研究[D]. 凌丽.东北大学2009
[4].离心钢管混凝土结构的扭转性能与组合作用试验与理论研究[D]. 曲晨.浙江大学2002
[5].FRP-钢管混凝土结构静动力学性能研究[D]. 朱春阳.大连海事大学2015
[6].钢管混凝土节点抗震与框架抗连续性倒塌性能研究[D]. 于航.哈尔滨工业大学2010
[7].结构非线性随机地震反应与滤波的理论研究及应用[D]. 田学民.西南交通大学2003

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