考虑泊松比和弹性模量变化的钢管混凝土有限元分析

论文摘要

钢管混凝土结构利用钢管和混凝土在受力过程中的相互作用,可以充分发挥两种材料的性能,具有承载力高,抗震性能好,施工方便等特点,目前已被广泛应用到工程实践中。由于有限元分析在分析中能够节省大量人力、财力,并可以提供大量的结构反馈信息,因此非线性有限元分析在钢管混凝土结构分析中正突显出日益重要的作用。本文首先分析了有限元的基本方法并针对本文的工作对ANSYS软件进行了讨论,包括线性分析、非线性分析、APDL流程控制功能。介绍了国内外钢管混凝土构件的研究现状,对钢材和核心混凝土的力学性能及其本构关系进行了分析,并详细分析了材料泊松比在弹塑性阶段的变化过程,引入修正的弹性模量来研究圆形截面钢管混凝土承载力的提高。利用ANSYS软件,同时考虑材料非线性和几何非线性,利用修正的弹性模量以及考虑泊松比变化等因素,采用APDL参数化程序设计语言编制的命令流,通过合理的几何建模、网格划分和正确的加载方法,使钢管混凝土的分析过程流程化程序化,逐步加载模拟钢管混凝土短柱轴心受压试验的过程,求解出钢管混凝土的极限承载力和荷载-应变关系曲线。计算结果表明,考虑泊松比变化的试件的极限承载力大于未考虑泊松比变化的试件的极限承载力,利用修正的弹性模量计算的极限承载力高于试验值。计算值与试验值吻合较好,并能较好的再现钢管混凝土的受力状况和性能,进而可利用有限元分析结果对其受力性能和机理进行深入分析,通过数值试验以便研究有关参数对受力性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管混凝土的研究现状与工程应用
• 1.1.1 钢管混凝土的特点
• 1.1.2 钢管混凝土的研究现状
• 1.1.3 钢管混凝土的有限元分析
• 1.2 课题的背景和目的
• 1.3 本文主要内容
• 第二章 有限单元法基本理论及ANSYS有限元分析方法
• 2.1 有限元基本原理
• 2.1.1 有限元法概述和具体步骤
• 2.1.2 非线性有限元的基本理论和分析步骤
• 2.1.3 非线性方程组的求解方法
• 2.1.4 收敛准则
• 2.2 ANSYS有限元分析方法
• 2.2.1 ANSYS基本分析方法
• 2.2.2 非线性分析在ANSYS中的实现
• 2.2.3 APDL语言
• 2.3 小结
• 第三章 考虑泊松比变化和弹性模量修正的钢材及混凝土力学模型
• 3.1 概述
• 3.2 钢材的力学模型分析
• 3.2.1 钢材单向加载的本构关系
• 3.2.2 钢材处于复杂应力状态时的本构关系
• 3.3 混凝土的力学模型分析
• 3.3.1 混凝土的单轴与双轴力学性能
• 3.3.2 钢管混凝土结构中核心混凝土的受力特点
• 3.3.3 混凝土的破坏准则
• 3.3.4 混凝土单元裂缝的处理
• 3.4 圆形钢管混凝土材料弹性模量的修正
• 3.4.1 核心混凝土弹性模量的修正
• 3.4.2 钢管轴压弹性模量的修正
• 3.5 本文所采用的材料的本构关系模型
• 3.6 小结
• 第四章 钢管混凝土柱的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 实现过程
• 4.3 有限元模型的建立
• 4.3.1 有限单元的选取
• 4.3.2 材料性质
• 4.3.3 钢管和核心混凝土的粘结
• 4.3.4 钢管混凝土短柱模型的建立
• 4.3.5 网格划分的有限元模型
• 4.3.6 边界条件及荷载
• 4.3.7 求解
• 4.4 有限元计算结果
• 4.5 泊松比变化对钢管混凝土有限元分析的影响
• 4.6 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢