圆钢管约束型钢混凝土柱-H钢梁外加强环式T型节点抗震性能有限元分析

摘要

圆钢管约束型钢混凝土柱不同于传统的钢管混凝土柱，其外包钢管在节点区断开，钢管不直接承担外部荷载，钢管与混凝土之间主要存在横向作用，使得混凝土处于三向受压应力状态，提高了混凝土的强度进而提高了构件的承载力。但目前，国内外关于此方面的研究尤其是梁柱节点性能研究还比较缺乏。本文基于课题组已有的研究成果，采用有限元软件建立了一个圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点及传统对照节点的有限元模型，对两类节点的抗震性能进行了研究；在此基础上，对新型节点进行了变参数分析；最后，基于有限元分析结果进行了节点恢复力模型研究。本文主要的研究成果如下：
　　（1）对ABAQUS软件在圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点数值模拟中的关键问题进行了研究，包括材料本构的确定、有限单元的选取、网格划分原则、相互作用和接触问题以及荷载边界条件等。选取圆钢管约束型钢混凝土短柱及圆钢管混凝土柱-钢梁外环板式端节点的试验结果，进行了ABAQUS建模分析，从荷载-纵向应变、滞回曲线、破坏模式与试验结果进行对比分析，验证了有限元建模的可靠性，有限元模型为后文钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点的变参数分析创造了条件。
　　（2）基于有限元模型验证的基础上，设计两类节点（J-1节点和D-1节点），对新型的圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点（J-1节点）及传统的钢管约束型钢混凝土节点（D-1节点）进行了数值模拟，包括两类节点的破坏模式、滞回性能及耗能特性等进行了对比分析，指出新型节点较传统的节点在承载力、滞回性能及地震耗能等方面更有优势。
　　（3）为了更好地研究新型节点的抗震性能，在数值分析的基础上进行了变参数化分析，分析参数包括轴压比、混凝土强度、环板的尺寸、节点区域钢管厚度等。研究成果如下：
　　1）轴压比对节点的滞回曲线影响不明显，轴压比较小时，滞回曲线相对比较饱满，随着轴压比的增大，滞回曲线的稳定性会变差，强度和刚度退化的速度会加快，节点的初始刚度和极限承载力也会降低。
　　2）混凝土强度等级的增大对节点抗弯承载力的影响有限，其仅对初始刚度有略微增大的趋势，但为了保证混凝土与钢管之间良好的粘结性能，混凝土强度建议不小于C40。
　　3）随着环板宽度的增加，节点的抗弯承载力和初始刚度都有相应的增大，但整体增长的幅度不是特别明显，且节点抗弯承载力的变化趋势较初始刚度的变化明显。总的来说，环板宽度越大，其对节点的约束会越牢固，会使得节点的变形减小，但其对节点抗震性能的贡献是有限的。
　　4）随着节点域钢管厚度的变化，节点的初始刚度及极限承载力均发生了变化，而承载力的变化较初始刚度的表现更明显。另外，随着钢管厚度的增大，这种增长效应会逐渐淡化而趋于统一。
　　（4）基于数值模拟结果并结合现有恢复力模型的研究成果，提出圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁节点的恢复力模型，该模型为考虑刚度退化的三折线型模型。同时给出了骨架曲线各阶段的刚度表达式、正反向卸载刚度退化规律以及具体的加卸载滞回规则。研究成果为后续更深入的研究提供了理论支撑。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的与内容

第二章 ABAQUS有限元模型验证

2.1 ABAQUS软件概述[41]

2.2 有限元模型

2.3 有限元模型的验证

2.4 本章小结

第三章 圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁T型节点抗震性能分析

3.1 引言

3.2 节点有限元分析

3.4 节点参数分析

3.5 本章小结

第四章 圆钢管约束型钢混凝土柱-钢梁T型节点恢复力模型研究

4.1 引言

4.2 关于恢复力模型研究

4.3 本文采用的恢复力模型

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要研究结论

5.2 未来研究计划

参考文献

攻读学位期间参与科研及获奖情况

致谢