钢管混凝土双肢柱肩梁受力性能与设计方法研究

论文摘要

在大型工业厂房设计中,钢管混凝土双肢柱因其突出的承载力、变形和延性性能得到广泛应用,其构件型式、构造措施在实际中也不断得到改进。近年调查研究中发现,钢管混凝土双肢柱的肩梁与吊车梁连接部位出现了严重缺陷,对厂房正常使用和生产造成不利影响。为克服肩梁与吊车梁连接方式上的缺陷以及满足大跨度、重载厂房的需求,两种带有新型肩梁的钢管混凝土双肢柱得到了应用,其肩梁分别为单腹板改进型和双腹板两种形式。由于应用时间不长,目前这两种肩梁的受力性能和破坏机理尚不明确,其承载力也无成熟的计算方法。因此,研究这两种新型钢管混凝土双肢柱肩梁的受力性能和设计方法,对于完善钢管混凝土柱的设计理论,推广钢管混凝土柱厂房的应用具有重要的理论意义和实用价值。论文以宝钢大型工业厂房中新型钢管混凝土双肢柱为研究对象,通过工程调查、试验研究和理论分析,系统研究了钢管混凝土双肢柱中单腹板改进型肩梁和双腹板肩梁的受力性能和破坏模式,分析了肩梁刚度对厂房受力的影响规律,提出了钢管混凝土双肢柱肩梁的实用设计方法。主要研究内容如下:1.现场调查了近300根新型钢管混凝土柱的肩梁形式和使用状况;选择边柱与中柱、单腹板与双腹板四种形式的肩梁作为原型构件,对其设计资料和实际状况进行详细调查和检测,为后期的试验研究和理论分析提供了第一手的原始数据。2.根据肩梁原型构件设计制作了八根肩梁试件,并进行了静力加载试验,研究了肩梁在整个受力过程中的变形规律、应力分布特点及破坏模式。试验结果表明,肩梁承载力与腹板剪应变密切相关;肩梁的破坏模式以肩梁受压侧腹板在剪应力作用下的整体屈曲为主,同时伴随上柱根部与肩梁上翼缘受压区域的局部屈服。其中,双腹板肩梁的腹板因存在内力分配不均衡现象而呈现单侧腹板首先屈曲的破坏模式。3.建立有限元模型,对肩梁试件的受力性能进行了计算分析。其分析结果与试验结果基本吻合,从而验证了肩梁有限元模型的合理性。利用该分析模型,对四种典型的肩梁原型构件进行了系统的有限元分析,揭示了肩梁形式、肩梁高跨比、肩梁腹板厚度等因素对承载力的影响。同时分析发现,双腹板肩梁原型构件具有较高的安全储备。利用肩梁原型构件的参数分析结果,按照肩梁破坏模式提出了钢管混凝土双肢柱的实用肩梁设计公式以及构造要求。相对于目前型钢柱肩梁的设计方法,该设计公式能更合理地反映钢管混凝土双肢柱新型肩梁的承载力,更好地控制新型肩梁设计的可靠性。4.通过对钢管混凝土柱典型排架的计算分析,系统研究了上柱与下柱高度比、肩梁高跨比、肩梁与上柱线刚度比等因素对柱侧移刚度、厂房位移、肩梁荷载的影响规律,提出肩梁刚度限值的建议值,即肩梁高跨比大于0.4,肩梁与上柱线刚度比大于1.0。满足此条件下肩梁刚度变化对厂房侧移、内力变化的影响甚小。论文对钢管混凝土柱肩梁的研究工作目前在国内外比较少见,所提出的实用设计公式和构造要求能够较好地满足新型钢管混凝土双肢柱的工程需要。同时研究成果也丰富和完善了钢管混凝土柱的分析和设计理论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 钢管混凝土结构应用概况
• 1.2 钢管混凝土柱肩梁构造
• 1.3 钢管混凝土柱肩梁应用现状剖析
• 1.4 钢柱肩梁节点的研究现状
• 1.5 本文研究目的及研究工作
• 参考文献
• 2 钢管混凝土双肢柱肩梁的受力性能试验
• 2.1 原型构件调查与选取
• 2.2 试件设计
• 2.3 材性试验
• 2.4 试验方法
• 2.5 小结
• 参考文献
• 3 钢管混凝土双肢柱单腹板肩梁试验结果分析
• 3.1 单腹板中柱肩梁受力性能试验研究
• 3.1.1 试验现象
• 3.1.2 荷载-位移曲线与屈服荷载
• 3.1.3 应变分析方法
• 3.1.4 肩梁腹板应变分析
• 3.1.5 肩梁翼缘应变分析
• 3.1.6 上柱应变分析
• 3.1.7 下柱钢管肢和斜腹杆应变分析
• 3.1.8 肩梁腹板凸曲分析
• 3.1.9 破坏模式
• 3.2 单腹板边柱肩梁受力性能试验研究
• 3.2.1 试验现象
• 3.2.2 荷载-位移曲线与屈服荷载
• 3.2.3 肩梁腹板应变分析
• 3.2.4 肩梁翼缘应变分析
• 3.2.5 上柱应变分析
• 3.2.6 下柱钢管肢和斜腹杆应变分析
• 3.2.7 肩梁腹板凸曲分析
• 3.2.8 破坏模式
• 3.3 小结
• 参考文献
• 4 钢管混凝土双肢柱双腹板肩梁试验结果分析
• 4.1 双腹板边柱肩梁受力性能试验研究
• 4.1.1 试验现象
• 4.1.2 荷载-位移曲线与屈服荷载
• 4.1.3 材料屈服应变
• 4.1.4 肩梁腹板应变分析
• 4.1.5 肩梁翼缘应变分析
• 4.1.6 上柱应变分析
• 4.1.7 下柱钢管肢与斜腹杆应变分析
• 4.1.8 破坏模式
• 4.2 双腹板中柱肩梁受力性能试验研究
• 4.2.1 试验现象
• 4.2.2 荷载-位移曲线与屈服荷载
• 4.2.3 肩梁腹板应变分析
• 4.2.4 肩梁翼缘应变分析
• 4.2.5 上柱应变分析
• 4.2.6 下柱钢管肢与斜腹杆应变分析
• 4.2.7 破坏模式
• 4.3 小结
• 参考文献
• 5 钢管混凝土双肢柱肩梁受力性能有限元分析
• 5.1 单腹板肩梁受力性能有限元分析
• 5.1.1 试件的有限元分析及其试验验证
• 5.1.2 单腹板肩梁原型构件的受力性能分析
• 5.1.3 单腹板肩梁几何参数对受力性能的影响
• 5.2 双腹板肩梁受力性能有限元分析
• 5.2.1 试件的有限元分析及其试验验证
• 5.2.2 双腹板肩梁原型构件的受力性能分析
• 5.2.3 双腹板肩梁几何参数对受力性能的影响
• 5.3 小结
• 参考文献
• 6 肩梁刚度对厂房框架受力性能的影响分析
• 6.1 肩梁刚度计算
• 6.2 肩梁刚度对单柱极限承载能力的影响
• 6.2.1 柱顶铰接框架柱
• 6.2.3 柱顶刚接框架柱
• 6.2.4 肩梁对柱侧移刚度影响的实例分析
• 6.3 肩梁刚度对厂房框架结构承载能力的影响分析
• 6.3.1 柱顶刚接框架的内力分析
• 6.3.2 柱顶铰接框架的内力分析
• 6.4 小结
• 参考文献
• 7 钢管混凝土双肢柱肩梁实用设计方法研究
• 7.1 现有的肩梁设计方法的比较
• 7.1.1 肩梁内力计算的简化方法
• 7.1.2 不考虑肩梁翼缘作用的计算（方法一）
• 7.1.3 考虑肩梁翼缘作用的计算1（方法二）
• 7.1.4 考虑肩梁翼缘作用的计算2（方法三）
• 7.1.5 考虑肩梁部分翼缘作用的计算（方法四）
• 7.1.6 现有肩梁设计方法的实例比较
• 7.2 单腹板肩梁设计的实用计算公式
• 7.2.1 肩梁节点构件可靠指标
• 7.2.2 单腹板肩梁设计的实用计算公式
• 7.2.3 高跨比影响系数k
• 7.3.4 公式验证
• 7.3 钢管混凝土双肢柱肩梁设计方法探讨
• 7.3.1 双腹板肩梁现有设计方法的比较
• 7.3.2 肩梁强度计算实用公式
• 7.3.3 钢管混凝土双肢柱肩梁的设计建议
• 7.4 小结
• 参考文献
• 8 结论与建议
• 8.1 主要研究成果
• 8.2 今后的研究建议
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间完成的科研项目
• 攻读博士学位期间受到奖励