方钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析

摘要

钢管混凝土结构具有强度高、质量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能，因而它在高层结构中得到越来越广泛的应用。但是目前的理论研究大都偏重于圆钢管混凝土柱，对方钢管混凝土柱的理论分析较少，设计计算方法还不成熟，因此，有必要对方钢管混凝土柱的有限元模型和设计理论进行研究。 本文在以往有关研究成果的基础上，采用有限元分析方法对方钢管混凝土构件在轴压受力状态下的工作机理进行研究，并着重讨论试验中难以测定的钢管和核心混凝土纵向应力-应变关系曲线，为工程上广泛使用这种结构提供理论依据。具体进行了以下几个方面的工作: (1)建立方钢管混凝土柱的三维非线性有限元分析模型，选取出适合的钢管和核心混凝土本构关系模型，其核心混凝土采用ABAQUS提供的塑性损伤模型，使用修正的Drucker-Prager屈服准则和非相关流动法则来描述混凝土在低围压下的脆性损伤及高围压下的塑性流动两种主要变形机制。钢管采用ABAQUS提供的等向弹塑性模型，使用Von Mises屈服准则和相关流动法则来描述其塑性变形；在模型中，考虑到钢管与混凝土之间的粘结滑移作用，钢管与混凝土界面法线方向的接触采用硬接触，即垂直于接触面的压力P可以完全地在界面间传递；钢管与混凝土界面切向模型，使用库仑摩擦模型，即界面可以传递剪应力，直到剪应力达到临界值后界面之间产生相对滑动；此外，采用对试件施加初始缺陷的方法来考虑钢管局部屈曲的影响，有限元计算时，假定钢管的初始几何缺陷呈半波分布。 (2)采用有限元法对钢管混凝土构件在轴向压力状态下的受力进行了全过程分析，分析了受力过程中钢管混凝土的破坏模态，混凝土截面应力分布规律，较为深入的揭示了钢管混凝土构件在轴压受力状态下的工作机理。并着重讨论试验中难以测定的考虑钢管约束效应的混凝土纵向应力-应变关系曲线和考虑内部混凝土支撑作用时方钢管的屈曲模态有所改变的钢管纵向应力-应变关系曲线。 (3)研究了单调加载时钢管混凝土轴压构件核心混凝土的纵向应力-应变关系曲线，分析混凝土强度，截面宽厚比对核心混凝土纵向应力-应变曲线的影响规律，提出了考虑钢管约束效应的混凝土纵向应力-应变关系曲线模型以及骨架曲线上几个特征参数的计算公式，为简化的纤维模型分析提供材料的单轴本构关系模型。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2钢管混凝土结构的特点和发展

1.2.1钢管混凝土的特点

1.2.2钢管混凝土的发展和研究现状

1.2.3基于ABAQUS的钢管混凝土非线性分析

1.3本文的研究目的、方法和主要内容

2有限元分析方法的基本理论

2.1引言

2.2有限元方法的基本思想及分析步骤

2.2.1有限元方法的基本思想

2.2.2有限元方法的分析步骤

2.3非线性有限元法的分析方法

2.3.1单元分析

2.3.2整体分析

2.4非线性方程组的求解方法

2.4.1增量法（逐步法）

2.4.2迭代法（总荷载法）

2.4.3混合法（增量迭代法）

2.5收敛判断准则

2.6本章小结

3轴压方钢管混凝土柱有限元数值模拟

3.1引言

3.2材料的本构关系模型

3.2.1钢材的本构关系模型

3.2.2混凝土的本构关系

3.3方钢管混凝土柱有限元模型建立

3.3.1单元选取

3.3.2单元网格划分

3.3.3钢管与混凝土界面模型

3.3.4考虑钢管局部屈曲的影响

3.3.5非线性方程组求解

3.4本章小结

4轴压方钢管混凝土柱工作机理研究

4.1引言

4.2结构模型

4.2.1各部件轴侧图

4.2.2接触示意图

4.3计算结果分析

4.3.1破坏模态

4.3.2核心混凝土截面应力场分析

4.3.3核心混凝土纵向应力-应变关系分析

4.3.4钢管纵向应力-应变关系分析

4.4本章小结

5基于理论特征参数的核心混凝土本构关系模型研究

5.1引言

5.2核心混凝土单轴本构关系模型理论特征参数

5.2.1核心混凝土极限强度的研究

5.2.2核心混凝土峰值应变的研究

5.3核心混凝土单轴应力-应变全曲线方程

5.4本章小结

6结论

6.1本文主要工作及结论

6.2后继工作

参考文献

在读期间发表的学术论文

作者简历

致谢