芯钢管连接的方钢管混凝土中节点低周反复荷载有限元分析

摘要

本文设计了两个方钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁框架中节点模型试件，该种节点在节点区中断了柱的外钢管，设置芯钢管保持节点上下柱的连续性，钢筋混凝土梁中的钢筋在节点通过，梁柱节点区的混凝土同时浇筑，成为整体。本文在前期静力荷载作用下圆钢管柱节点实验研究和理论分析的基础上，开展该种型式的方钢管柱节点在水平地震作用下受力性能的研究。 本文选取框架结构中的中节点，以试验模型为基础，利用ANSYS大型有限元分析软件建立有限元节点模型，选取该模型单元的形式、设置实常数、定义材料属性，并根据节点模型的性能确定有限元分析的各个参数。创建整体建模实体、确定了网格划分、设定了求解的约束条件。 本文首次将这种节点用于承受水平地震作用的方钢管混凝土柱节点，应用有限元软件ANSYS，对低周反复荷载作用下的节点模型进行破坏全过程分析，分析表明，节点模型的破坏发生在与节点临近的梁端，形成梁铰破坏机构。证明带有芯钢管的梁通柱断式节点在地震荷载作用下的可行性，且该种节点用于方钢管柱节点与圆钢管柱节点有基本相同的优势。 分析结果显示，节点核心区内芯钢管及环箍对节点强度的补充，使得节点还具有较高的强度储备，该节点具有较好的强度和延性。由滞回性能分析可知，该类节点的滞回曲线呈纺锤形，具有较好的耗能性能。 本文将有限元分析结果与模型的拟静力试验结果进行了对比，得出ANSYS分析结果与试验结果基本相符，证明本文建立的有限元节点模型基本能够反映出节点的真实受力情况。在此基础上，利用数值分析，探讨影响节点性能的相关因素，研究了芯钢管强度、核心区混凝土强度以及外钢管强度，对节点模型应力、滞回性能以及骨架曲线的影响以及材料强度对节点受力性能的影响。ANSYS分析结果表明，芯钢管强度和外钢管强度对节点的耗能能力有一定的影响，对节点的承载力影响不大。核心区混凝土的强度对节点的耗能能力和承载力都有一定的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2研究背景

1.2.1钢管混凝土结构的发展与应用

1.2.2方钢管混凝土节点的研究现状

1.2.3方钢管混凝土节点形式

1.3问题的提出和本文的目的和内容

1.3.1本文研究问题的提出

1.3.2本文研究的目的和内容

第二章有限元分析理论基础

2.1概述

2.2有限元法的分析步骤

2.2.1离散化连续体

2.2.2选择单元位移函数

2.2.3单元分析

2.2.4整体分析

2.2.5计算单元内的应力与应变

2.3非线性方程组的求解方法

2.3.1增量法(逐步法)

2.3.2迭代法(总荷载法)

2.3.3混合法(增量迭代法)

2.4收敛判断准则

2.5 ANSYS有限元分析

2.5.1概述

2.5.2建立ANSYS模型需考虑的因素

2.5.3 ANSYS有限元求解的基本步骤

2.6本章小结

第三章 ANSYS有限元模型建立

3.1节点设计

3.2有限元节点模型的相关理论基础

3.2.1混凝土单元理论基础

3.2.2钢管单元理论基础

3.2.3钢筋单元理论基础

3.3单元实常数设置

3.4材料本构关系

3.4.1混凝土本构关系

3.4.2钢管本构关系

3.4.3钢筋本构关系

3.5其他材料参数设置

3.5.1混凝土的弹性模量、泊松比

3.5.2混凝土的破坏准则

3.5.3混凝土材料的屈服准则

3.5.4钢管材料属性定义

3.5.5钢筋材料属性定义

3.6有限元节点模型的建立

3.6.1几何模型建立

3.6.2网格的划分

3.7约束加载与求解设置

3.7.1约束条件

3.7.2加载设置

3.7.3求解设置

3.8计算结果后处理

3.9本章小结

第四章 节点非线性有限元分析与试验对比

4.1轴压比问题

4.2有限元计算结果

4.2.1单调加载时受力分析

4.2.2往复加载时受力分析

4.3有限元结果分析与试验结果对比

4.3.1单调荷载下有限元结果与试验结果对比

4.3.2往复荷载下有限元结果与试验结果对比

4.4本章小结

第五章 芯钢管混凝土节点受力性能分析

5.1芯钢管强度

5.1.1低周往复荷载作用下应力分析

5.1.2低周往复荷载作用下滞回性能分析

5.1.3低周往复荷载作用下骨架曲线分析

5.2核心环箍混凝土强度

5.2.1低周往复荷载作用下应力分析

5.2.2往复荷载下滞回曲性能分析

5.2.3往复荷载下骨架曲线分析

5.3外钢管强度

5.3.1低周往复荷载作用下应力分析

5.3.2低周往复荷载作用下滞回性能分析

5.3.3低周往复荷载作用下骨架曲线分析

5.4耗能系数

5.5延性系数

5.6本章小结

本文结论及待研究的问题

本文结论

待研究的问题

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研项目

致谢