矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系的性能研究

论文摘要

随着国民经济的发展,人民生活水平的提高,钢结构住宅已经成为我国住宅产业一个新的发展方向。矩形钢管混凝土柱交错桁架结构既能满足人们对大空间的需求,也能满足居住者对舒适感的需求,是一种非常好的住宅结构体系。本文研究矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系的弹、塑性性能,以及混合式交错桁架的滞回性能,具有理论意义和实用价值。应用ETABS软件设计了27个10层～20层的矩形钢管混凝土柱交错桁架结构的算例,分别对竖向荷载和水平荷载作用进行了ANSYS有限元计算,提出了两种荷载作用下手算结构构件内力的平面系数方法,可为设计人员在初选构件截面时提供依据。对27个算例进行了恒定竖向荷载作用下,水平极限承载力的弹塑性计算,有限元计算中考虑了材料和几何双重非线性。根据计算结果分析了结构的破坏机理,薄弱环节以及各种因素(包括建筑层数、柱距、跨度、桁架节间数、结构长高比、结构长宽比、结构高宽比等)对结构性能的影响。研究结果表明,矩形钢管混凝土柱交错桁架结构的弹、塑性性能良好,塑性发展较充分,具有较好的延性性能,符合我国抗震设计的要求。另外,对一两开间三层矩形钢管混凝土柱交错桁架结构1/3缩尺模型试件进行了水平极限承载力试验,试验结果与有限元计算结果吻合较好。对混合式交错桁架在循环荷载作用下的计算和分析结果表明,7节间混合式桁架的滞回曲线饱满,没有明显的捏缩现象,塑性变形发展充分。分析了各种因素(包括桁架节间数、竖腹杆截面尺寸、斜腹杆截面尺寸、弦杆截面尺寸、柱截面尺寸等)对混合式桁架滞回性能的影响。本文较全面、系统地分析了矩形钢管混凝土柱交错桁架结构在静力作用下的弹性和弹塑性性能以及混合式交错桁架的滞回性能,提出的结论和设计建议对制定有关规范和指导工程设计有参考价值,也为进一步研究矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 轻型钢结构住宅建筑的特点及发展前景
• 1.3 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系的组成和特点
• 1.3.1 交错桁架结构体系的组成和特点
• 1.3.2 交错桁架结构体系的受力性能
• 1.3.3 矩形钢管混凝土柱的特点及应用于交错桁架结构体系的优势
• 1.4 矩形钢管混凝土结构及交错桁架结构体系研究现状
• 1.4.1 矩形钢管混凝土受压构件研究现状
• 1.4.2 交错桁架结构体系研究现状
• 1.4.3 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系的研究问题
• 1.5 本文研究的意义和主要内容
• 参考文献
• 第二章 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系弹、塑性有限元分析
• 2.1 ANSYS有限元计算模型的选取
• 2.1.1 试件模型的形式
• 2.1.2 试件模型的荷载
• 2.1.3 试件模型的尺寸
• 2.1.4 试件模型的材料
• 2.1.5 试件模型的构件
• 2.2 ANSYS有限元分析计算过程
• 2.2.1 计算考虑的因素
• 2.2.2 计算单元的选取
• 2.2.3 计算材料
• 2.2.4 计算步骤
• 2.3 ANSYS有限元计算方法的验证
• 2.3.1 ANSYS弹性有限元计算方法的验证
• 2.3.2 ANSYS弹塑性有限元计算方法的验证
• 2.4 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系弹性有限元计算及分析
• 2.4.1 对前人的交错桁架结构弹性计算方法的讨论
• 2.4.2 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构在竖向荷载作用下的内力计算及分析
• 2.4.2.1 空间交错桁架结构的受力性能
• 2.4.2.2 桁架杆件的内力分析和手算平面系数法
• 2.4.2.3 风撑的内力分析和手算平面系数法
• 2.4.2.4 柱的内力分析及手算平面系数法
• 2.4.2.5 竖向荷载作用下交错桁架结构构件内力手算平面系数法的验证
• 2.4.3 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构在水平荷载作用下的内力计算及分析
• 2.4.3.1 空间交错桁架结构的受力性能
• 2.4.3.2 水平荷载作用下交错桁架结构构件内力手算平面系数法
• 2.4.3.2.1 标准框架榀构件内力的计算
• 2.4.3.2.2 不同位置、不同类型框架榀构件内力计算
• 2.4.3.3 水平荷载作用下交错桁架结构构件内力手算平面系数法的验证
• 2.4.4 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系侧向位移的计算方法
• 2.5 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系弹塑性有限元计算及性能分析
• 2.5.1 结构的弹塑性有限元计算及分析
• 2.5.2 结构的破坏机理及薄弱环节
• 2.5.3 结构的延性性能
• 2.6 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系的设计
• 2.6.1 结构整体设计
• 2.6.2 构件计算和设计
• 2.6.2.1 桁架杆件的计算和设计
• 2.6.2.2 矩形钢管混凝土柱的计算和设计
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 第三章 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构试验研究
• 3.1 试验目的
• 3.2 试件设计
• 3.2.1 试件原型的选取
• 3.2.2 试件模型设计
• 3.3 材性试验
• 3.3.1 钢板材性试验
• 3.3.2 混凝土材性试验
• 3.4 加载方案与加载装置
• 3.4.1 竖向荷载的施加
• 3.4.2 水平荷载的施加
• 3.5 测点布置
• 3.5.1 应变观测
• 3.5.2 位移观测
• 3.6 试验过程描述
• 3.7 水平荷载作用下的主要试验结果
• 3.7.1 荷载位移曲线关系
• 3.7.2 荷载应变曲线关系
• 3.8 试验结论
• 3.9 本章小结
• 参考文献
• 第四章 混合式交错桁架的滞回性能
• 4.1 引言
• 4.2 循环荷载作用下混合式交错桁架的有限元分析
• 4.2.1 模拟试件
• 4.2.2 ANSYS有限元计算
• 4.3 混合式交错桁架在循环荷载作用下的滞回性能及破坏机理
• 4.4 混合式交错桁架滞回性能的影响因素分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构设计方法与建议
• 5.1 矩形钢管混凝土柱交错桁架结构体系的研究结论及建议
• 5.2 混合式交错桁架滞回性能的研究结论及建议
• 5.3 后继工作
• 参考文献
• 附录: 符号表
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文和获奖情况