外包U型钢与混凝土组合梁—方钢管混凝土柱节点力学性能分析

论文摘要

外包U型钢与混凝土组合梁是将混凝土材料与钢材有效结合的新型组合梁,新型外包U型钢与混凝土组合梁采用薄钢板直接冷弯或用冷弯薄壁型钢焊接成U形截面,然后在U形截面内部填充混凝土作为T形梁的肋部,翼缘为现浇混凝土板,并通过适当的剪力连接件使钢与混凝土共同工作的一种新型的钢与混凝土组合梁。该组合梁具有结构受力合理,防火性能好,承载能力高,刚度大,经济性好的优点,但其与柱连接节点形式较少,限制了其推广应用。针对外包U型钢-混凝土组合梁结构的特点,本文提出了一种外包钢-混凝土组合梁与方钢管混凝土柱的节点连接形式,通过有限元分析重点研究了新型节点的受力机理与抗震性能。本文主要进行了以下几方面工作：本文探讨了组合结构梁柱节点的破坏机理和受力特点,重点研究节点在负弯矩作用下的抗弯承载力和在正弯矩作用下的抗弯承载力,给出两者极限状态的计算公式。计算确定了负弯矩筋的面积。参考钢结构规范中对钢与混凝土组合梁剪力计算的规定,得出组合梁抗剪承载力的计算公式。并通过对比节点的抗弯承载力和抗剪承载力,分析表明节点在极限抗弯承载力是决定构件静力性能的主要因素。利用有限元分析软件ANSYS对两种截面的组合节点进行梁端单调荷载作用下的非线性有限元分析,考虑外包钢与混凝土之间的粘接滑移,选择合理的材料本构关系和破坏准则,比较了两者在梁端单调荷载下的节点的极限承载力和变形。结果表明两者梁端单调加载下的极限承载力和变形相差不大。利用有限元分析软件ANSYS对两种截面的组合节点进行低周反复荷载作用下的非线性有限元分析,并从新型节点承载力、延性及耗能性能等方面进行分析比较,以验证该新型节点的可行性。通过建立不同的有限元模型,分析了轴压比、混凝土抗压强度等参数对节点滞回性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外关于方钢管混凝土柱与节点的研究现状
• 1.3 外包U型钢与混凝土组合结构的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 外包钢组合梁-方钢管混凝土柱节点设计
• 2.1 引言
• 2.2 组合节点连接方式
• 2.3 外包U型钢与混凝土组合梁翼缘板有效宽度
• 2.4 外包U型钢与混凝土组合梁设计
• 2.4.1 基本假定
• 2.4.2 正弯矩作用下正截面极限受弯承载力计算
• 2.4.3 负弯矩作用下极限受弯承载力计算
• 2.4.4 算例
• 2.5 外包U型钢-混凝土组合梁受剪承载力
• 2.5.1 算例
• 2.6 结论
• 第3章 有限元分析基础与ANSYS建模
• 3.1 引言
• 3.2 钢材的弹塑性本构关系
• 3.3 混凝土的破坏准则与本构关系
• 3.3.1 混凝土的破坏准则
• 3.3.2 混凝土的本构关系
• 3.4 建模概况与有限元建模的基本假定
• 3.5 单元类型的选择和接触问题
• 3.5.1 钢管与外包钢板
• 3.5.2 混凝土
• 3.5.3 负弯矩钢筋
• 3.5.4 接触问题
• 3.6 模型建立
• 3.6.1 建立实体模型及划分网格
• 3.6.2 边界条件与荷载施加
• 3.6.3 定义分析类型和分析选项
• 3.6.4 求解及结果后处理
• 3.7 收敛问题
• 第4章 单向加载下梁柱节点非线性有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 方钢管混凝土柱轴压比与梁柱线刚度比
• 4.3 施加梁端单调荷载梁柱节点的非线性有限元分析
• 4.3.1 组合梁纵筋应力分布
• 4.3.2 混凝土节点应力分布
• 4.3.3 节点域型钢应力分布
• 4.3.4 帽型钢梁应力分布
• 4.4 本章小结
• 第5章 低周反复加载梁柱节点非线性有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 两类节点滞回曲线对比
• 5.3 节点的延性及耗能分析
• 5.4 J-1节点应力分布规律及破坏机理分析
• 5.4.1 J-1节点变形分析
• 5.4.2 混凝土板与节点区混凝土应力分析
• 5.4.3 节点域型钢应力分析
• 5.4.4 U形钢梁与负弯矩筋应力分析
• 5.5 J-2节点应力分布规律及破坏机理分析
• 5.5.1 混凝土开裂时应力分布及分析
• 5.5.2 型钢屈服时应力分布及变形分析
• 5.5.3 节点破坏时应力分布及分析
• 5.6 参数分析
• 5.6.1 轴压比
• 5.6.2 混凝土强度
• 5.7 本章小结
• 第6章 新型外包钢组合梁-方钢管混凝土柱框架有限元分析
• 6.1 概述
• 6.2 组合框架有限元模型的建立
• 6.3 单调荷载下的有限元分析
• 6.3.1 单调荷载下极限承载力
• 6.3.2 裂缝分布
• 6.4 低周往复荷载下有限元分析
• 6.5 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 后记
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况