采用穿芯螺栓—端板节点的方钢管混凝土框架力学性能研究

论文摘要

方钢管混凝土组合结构近年来在我国得到了广泛的研究与应用。方钢管混凝土柱-型钢梁节点在国内外主要采用内隔板和外隔板形式的节点,构造形式单一,施工复杂。穿芯螺栓-端板节点（high strength bolt-endplate joint,以下简称BPJ）是一种新型节点形式,构造简单,利于施工。本文通过试验和有限元数值模拟系统的研究了采用该节点形式的方钢管混凝土框架（concrete-filled steel tubular frame,以下简称SPF）的力学性能以及BPJ节点在框架中的性能。本文主要工作与结论有：1.根据现有规范和实际工程,设计出SPF框架,并进行试验研究,研究结果表明,SPF框架优于其它节点形式的框架,框架具有良好的耗能能力；2.采用大型非线性有限元软件ANSYS对SPF框架进行了三维实体建模,在此基础上对该模型进行了单调荷载和循环荷载作用下的材料、几何、接触三重非线性有限元分析。分析结果表明,SPF框架具有良好的承载力和耗能能力,框架破坏时,BPJ节点表现出良好的工作性能,有限元分析结果与试验结果吻合较好；3.结合试验和有限元分析结果,对框架的破坏模式进行探讨,提出了适合方钢管混凝土框架设计的梁柱线刚度比限值；4.系统的研究了轴压比、混凝土强度、高强螺栓预拉力、端板厚度等因素对框架受力性能的影响。在本文所分析的参数范围内,高强螺栓预拉力大小和端板厚度对框架的受力性能影响不大,轴压比和混凝土强度对框架的受力性能影响较大,其中轴压比影响最为显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题的来源、研究目的和意义
• 1.2 国内外相关课题的研究现状
• 1.2.1 方钢管混凝土柱-钢梁节点国内外研究现状
• 1.2.2 方钢管混凝土柱-型钢梁框架国内外研究现状
• 1.3 本文研究的内容和主要工作
• 1.3.1 本文研究对象
• 1.3.2 本文研究工作
• 本章参考文献
• 2 SPF框架的试验研究
• 2.1 试验概述
• 2.1.1 试件设计
• 2.1.2 试验方案设计
• 2.1.3 测点布置和测试数据
• 2.2 试验结果及分析
• 2.2.1 试验结果
• 2.2.2 试验结果分析
• 2.3 本章小结
• 本章参考文献
• 3 非线性有限元理论基础及ANSYS程序介绍
• 3.1 非线性有限元基本理论
• 3.1.1 大变形增量问题的U.L.方法
• 3.1.2 非线性有限元数值计算步骤
• 3.2 方钢管的处理
• 3.2.1 钢材弹塑性本构方程
• 3.2.2 方钢管的模拟
• 3.3 钢管内混凝土的处理
• 3.3.1 方钢管内混凝土的本构关系
• 3.3.2 混凝土单元的破坏准则
• 3.3.3 凝土的裂缝处理
• 3.4 高强螺栓预拉力的处理
• 3.5 接触处理
• 本章参考文献
• 4 SPF框架力学性能的三维非线性有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型的建立
• 4.2.1 单元的选用和网格划分
• 4.2.2 材料参数设定
• 4.2.3 边界条件
• 4.2.4 加载制度
• 4.2.5 求解设定
• 4.3 单调加载作用下的非线性有限元分析
• 4.3.1 单调加载作用下的荷载-位移曲线
• 4.3.2 框架应力分布和破坏模式
• 4.3.3 节点应力分布
• 4.4 往复加载作用下的非线性有限元分析
• 4.4.1 往复加载作用下的荷载-位移曲线
• 4.4.2 往复加载作用下的骨架曲线
• 4.4.3 往复加载作用下框架应力分布和破坏模式
• 4.4.4 往复加载作用下节点性能
• 4.5 框架破坏模式探讨
• 4.6 参数分析
• 4.6.1 轴压比对SPF框架力学性能的影响
• 4.6.2 混凝土强度对SPF框架力学性能的影响
• 4.6.3 端板厚度对SPF框架力学性能的影响
• 4.6.4 螺栓预拉力对SPF框架力学性能的影响
• 4.7 本章小结
• 本章参考文献
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研、获奖情况