异形钢管混凝土组合柱力学性能研究

论文摘要

异形钢管混凝土组合柱是由异形钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱发展而来,它不仅可以满足高层和超高层建筑中对高耸、大跨以及重载的要求,充分弥补了异形钢筋混凝土柱承载力不足的缺陷,而且也满足了人们对建筑室内装修的审美要求,它可以充分避免了传统矩形钢筋混凝土柱在室内出现柱楞的缺点,从而给室内装修与家具布置带来了极大的不便。异形钢管混凝土组合柱最常见的截面形式有三种,即十字形、T形和L形。三种截面形式可布置在建筑中的中柱、边柱以及角柱。它们是由异形钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱共同组成的,其中钢管混凝土柱位于各截面柱的纵横交叉中心点上,组合后的柱称为异形钢管混凝土组合柱。异形钢管混凝土组合柱与传统的钢筋混凝土异形柱相比,在相同截面的条件下,其因含有钢管混凝土组合柱,可大大提高其承载力和延性,它同时具备钢筋混凝土异形柱和钢管混凝土柱的优点,能有效地扩大异形柱的应用范围,开拓了异形柱住宅体系的新领域。本文设计了三种异形钢管混凝土组合柱,为深入地研究这种新型构件的力学性能,对十字形、T形和L形截面构件进行有限元模拟分析,研究三种截面形式构件轴压力学性能,利用ABAQUS有限元模拟软件计算三种构件的承载力和位移,详细阐述了三种构件的破坏机理。同时,为了校核模拟计算的准确性,针对十字形截面构件进行了试验分析,文中详细介绍了试件的制作过程、加载设备和加载方法以及位移量测方法,对不同钢管直径情况下的十字形截面构件进行对比分析,试验结果表明,随着钢管直径的增大,构件的承载力及延性也相应的增加,但它们的峰值荷载下对应的位移基本相同,其结果与模拟计算的结果吻合较好。本文又针对十字形钢管混凝土组合柱进行了采用不同长细比和偏心荷载作用以及延性性能分析,分别得到了十字形构件在不同的长细比下的承载力和位移数值,构件在偏心荷载作用下的破坏形态以及极限承载力和位移的变化规律,模拟结果与理论分析结果吻合较好,构件在单向荷载作用下延性性能的分析,计算了构件的延性系数,得出结论,十字形钢管混凝土组合柱的各部分协同工作使构件具有良好的延性,这种新型异形柱构件可以在工程上推广使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 钢筋混凝土异形柱结构
• 1.2.1 钢筋混凝土异形柱结构体系
• 1.2.2 国外关于钢筋混凝土异形柱的研究现状
• 1.2.3 国内关于钢筋混凝土异形柱的研究现状
• 1.3 钢骨混凝土结构
• 1.3.1 钢骨混凝土结构简介
• 1.3.2 钢骨混凝土异形柱简介
• 1.3.3 钢骨混凝土结构的特点
• 1.3.4 钢骨混凝土结构的发展与研究应用
• 1.3.5 型钢混凝土各国规范的比较
• 1.4 钢管混凝土结构
• 1.4.1 劲性钢管混凝土组合柱
• 1.4.2 钢管混凝土组合柱研究现状
• 1.4.3 钢管混凝土组合柱动力性能
• 1.4.4 钢管混凝土组合柱耐火性能
• 1.4.5 钢管混凝土结构的特点
• 1.4.6 钢管混凝土的研究进展
• 1.4.7 钢管混凝土的应用
• 1.5 异形钢管混凝土组合柱结构
• 1.5.1 异形钢管混凝土柱的形式
• 1.5.2 异形钢管混凝土组合柱及特点
• 1.6 异形钢管混凝土组合柱结构
• 1.6.1 异形钢管混凝土组合柱的形式
• 1.6.2 研究异形钢管混凝土组合柱的意义
• 1.7 本文研究的主要内容
• 第二章 十字形钢管自密实混凝土组合柱轴心受压试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试件概况
• 2.2.1 试件的设计
• 2.2.2 应变片粘贴
• 2.2.3 试验试件制作
• 2.3 试验现象与结果分析
• 2.4 试件破坏部位分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 土木工程数值模拟方法简介
• 3.1 有限单元法介绍
• 3.2 数值模拟方法概述
• 3.3 大型有限元软件ABAQUS 简介
• 3.4 ABAQUS 的主要模块
• 3.4.1 ABAQUS/CAE
• 3.4.2 ABAQUS/Standard
• 3.4.3 ABAQUS/Explicit
• 3.4.4 ABAQUS/Aqua
• 3.4.5 ABAQUS/Design
• 3.4.6 ABAQUS/Foundation
• 3.4.7 MOLDFLOW 接口与MSC.ADAMS 接口
• 3.5 世界对ABAQUS 的赞誉
• 第四章 有限元分析模型的建立
• 4.1 概述
• 4.2 非线性有限元分析模型的建立
• 4.3 材料本构关系选择
• 4.3.1 钢材的本构模型
• 4.3.2 混凝土的本构关系
• 4.4 弹塑性变形行为
• 4.5 单元类型的选择
• 4.6 荷载步设置
• 4.7 单元网格划分
• 4.8 关于钢管和内外混凝土界面的处理
• 4.9 本章小结
• 第五章 十字形钢管自密实混凝土组合柱轴压有限元模拟分析
• 5.1 概述
• 5.2 十字形钢管自密实混凝土组合柱轴压力学性能分析
• 5.2.1 有限元分析模型的建立
• 5.2.2 钢管、钢筋的破坏特征
• 5.2.3 钢管内外混凝土的破坏特征
• 5.3 试件荷载与纵向位移分析
• 5.4 试件的荷载—应变分析
• 5.4.1 钢管的荷载—应变曲线
• 5.4.2 钢筋的荷载—应变曲线
• 5.4.3 核心混凝土与外部混凝土荷载-应变分析
• 5.4.4 三种试件核心混凝土的荷载—应变分析
• 5.5 十字形轴压构件有限元分析与试验比较
• 5.5.1 破坏形态与破坏机理相同
• 5.5.2 极限承载力数值基本吻合
• 5.5.3 荷载—应变关系曲线比较
• 5.6 本章小结
• 第六章 T 形钢管自密实混凝土组合柱轴压有限元模拟分析
• 6.1 概述
• 6.2 T 形钢管自密实混凝土组合柱轴心力学性能分析
• 6.2.1 试件模型的尺寸
• 6.2.2 有限元分析模型的建立
• 6.2.3 钢管、钢筋的破坏特征
• 6.2.4 钢管内外混凝土的破坏特征
• 6.3 荷载与纵向位移分析
• 6.4 荷载—应变分析
• 6.4.1 钢管的荷载—应变曲线
• 6.4.2 钢筋的荷载-应变曲线
• 6.4.3 核心混凝土与外部混凝土荷载—应变分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 L 形钢管自密实混凝土组合柱轴压有限元模拟分析
• 7.1 概述
• 7.2 L 形钢管自密实混凝土组合柱轴心力学性能分析
• 7.2.1 试件模型的尺寸
• 7.2.2 有限元分析模型的建立
• 7.2.3 钢管、钢筋的破坏特征
• 7.2.4 钢管内外混凝土的破坏特征
• 7.3 荷载与纵向位移分析
• 7.4 荷载—应变曲线分析
• 7.4.1 钢管的荷载—应变曲线
• 7.4.2 钢筋的荷载—应变曲线
• 7.4.3 核心混凝土与外部混凝土荷载—应变分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 不同长细比下十字形钢管混凝土组合柱轴压力学性能研究
• 8.1 概述
• 8.2 试件有限元模型的建立
• 8.2.1 模拟试件的截面尺寸
• 8.2.2 有限元模型的建立与试件破坏形态
• 8.3 材料的应力云图分析
• 8.4 试件承载力分析
• 8.5 试件荷载—位移曲线
• 8.6 试件各部分材料的荷载—应变曲线
• 8.7 本章小结
• 第九章 十字形钢管混凝土组合柱偏压力学性能有限元分析
• 9.1 概述
• 9.2 单向偏压十字形钢管混凝土组合柱受力性能研究
• 9.2.1 试件尺寸设计
• 9.2.2 关于偏心荷载作用下核心混凝土本构模型的阐释
• 9.2.3 非线性有限元模型的建立
• 9.2.4 试件荷载—纵向位移关系
• 9.2.5 试件荷载-跨中挠度关系曲线
• 9.3 双向偏压十字形钢管混凝土组合柱受力性能研究
• 9.3.1 试件的尺寸设计
• 9.3.2 非线性有限元模型的建立
• 9.3.3 试件荷载—纵向位移关系
• 9.3.4 试件荷载-跨中挠度关系
• 9.4 本章小结
• 第十章 十字形钢管混凝土组合柱延性性能研究
• 10.1 延性性能研究的意义
• 10.2 延性的概念
• 10.2.1 延性概念
• 10.2.2 延性的分类
• 10.2.3 延性的度量方法
• 10.2.4 影响延性的因素
• 10.3 非线性有限元分析模型的建立
• 10.3.1 模型的设计尺寸
• 10.3.2 试件变形图与应力云图分析
• 10.4 试件的水平荷载-水平位移关系曲线分析
• 10.5 试件水平荷载-应变关系曲线分析
• 10.6 利用能量等值法对十字形钢管混凝土组合柱延性性能的研究
• y'>10.6.1 能量等值法确定屈服应变D_y
• 10.6.2 各试件延性系数的计算
• 10.7 本章小结
• 第十一章 结论与展望
• 11.1 结论
• 11.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 读研期间,本人的科研成果及获得奖励
• 致谢