圆空心夹层钢管混凝土柱力学性能研究

摘要

空心夹层钢管混凝土是在内外两层同心钢管之间浇筑混凝土形成的组合构件，其内外层钢管取代了钢筋并对夹层内核心混凝土产生约束作用，与传统的钢管混凝土构件相比，空心夹层钢管混凝土构件整体具有自重轻、抗弯刚度大、抗震性能好和耐火性能好的特性。目前对空心夹层钢管混凝土的力学性能研究国内外虽然并不少见，但主要集中在单柱轴压、偏压及纯弯构件的力学性能的试验研究和理论分析，有很多问题都未考虑周全，同时对于空心夹层钢管混凝土长柱力学性能及在实际工程中的应用研究非常少见，需要更加系统及深入的研究以使该结构能更加广泛的应用于实际工程中。鉴于此，本文以有限元分析为手段，在柱长不变、混凝土及钢管面积保持不变，截面空心率作为主要参数的前提下，对承受轴心受压及轴向及水平荷载共同作用的圆空心夹层钢管混凝土长柱力学性能和圆空心夹层钢管混凝土柱框架静、动力特性进行了研究，对其在实际工程中的进一步应用有比较积极的意义。主要的研究工作如下:
　　 (1)分析了轴压及轴压作用下承受水平荷载的空心夹层钢管混凝土柱的受力机理。
　　 (2)在保持混凝土及钢管截面面积不变的情况下，以截面空心率为主要参数，使用有限元分析软件ABAQUS对5个圆空心夹层钢管混凝土长柱进行了轴压力学性能研究。分析了空心率的改变对柱荷载—位移曲线、延性及极限承载力的影响。
　　 (3)以截面空心率和轴压比为主要参数对11个轴压作用下承受水平荷载的圆空心夹层钢管混凝土柱的力学性能进行了有限元分析。分别研究了高轴压比和低轴压比下不同截面空心率以及相同截面尺寸不同轴压比对柱承受水平荷载作用力学性能影响。
　　 (4)对圆空心夹层钢管混凝土柱框架结构进行静力侧移及动力地震响应分析。静力分析以楼层层高和柱截面空心率为主要参数，在梁柱节点施加风荷载，研究了不同层高及不同柱截面空心率对框架结构最大楼层位移及楼层最大层间位移角的影响。动力地震响应分析使用时程分析法，输入了2种分别经过多遇地震及罕遇地震峰值调幅后的不同类型地震波，研究了不同柱截面尺寸的框架结构在不同地震波作用下的动力特性。
　　 (5)在总结全文分析结果的基础上，对实际工程结构设计中圆空心夹层钢管混凝土柱截面空心率的选取及轴压比的控制提出了具体的建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 发展概况及研究现状

1．2．1 钢管混凝土柱的的特点及发展概况

1．2．2 钢管混凝土柱的研究现状

1．2．3 空心夹层钢管混凝土柱的研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 工作机理及材料本构关系

2．1 受力特点及破坏机理

2．2 材料本构模型和破坏准则

2．2．1 钢材本构模型

2．2．2 钢材破坏准则

2．2．3 混凝土本构模型

2．2．4 混凝土破坏准则

2．3 本章小结

第3章 轴压作用下柱力学性能分析

3．1 算例的设计

3．1．1 材料的选取

3．1．2 算例设计

3．2 有限元模型的建立

3．2．1 建模的基本步骤

3．2．2 单元选取和网格的划分

3．2．3 接触问题

3．2．4 边界条件及加载方式

3．2．5 求解器的选择

3．2．6 有限元模型的验证

3．3 有限元分析结果

3．3．1 轴压力学性能分析

3．3．2 圆空心夹层钢管混凝土柱应力分布

3．4 本章小结

第4章 水平荷载作用下下柱力学性能分析

4．1 算例的设计

4．1．1 材料的选取

4．1．2 算例设计

4．2 有限元模型的建立

4．3 有限元分析结果

4．3．1 第一组算例分析

4．3．2 第二组算例分析

4．3．3 第三组算例分析

4．4 本章小结

第5章 框架结构静力侧移及动力响应分析

5．1 框架结构静力侧移分析

5．1．1 模型的设计

5．1．2 有限元模型的建立

5．1．3 计算结果分析

5．2 框架结构动力地震响应分析

5．2．1 结构地震响应分析方法

5．2．2 动力有限元的基本理论

5．2．3 计算模型的确立

5．2．4 结构自振特性

5．2．5 地震波的选择

5．2．6 地震响应结果分析

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢