复式钢管混凝土柱在轴压和水平荷载作用下的力学性能研究

摘要

近年来，复式钢管混凝土柱因其除继承了普通钢管混凝土承载力高，塑性、韧性好的优点外，还具有更好的耐火安全性，优越的抗震性能，且能有效避免厚壁钢管的使用，在国内外逐渐兴起，无论是在桥梁结构中的桥墩，海洋平台的支承还是在高层建筑中的大直径柱中，都有所采用，是发展前景较好的一种新型结构形式。国内外已有学者对此类构件的受力性能和承载力开展了相关的研究工作，取得了一定的成果，但是缺乏深入、细致的研究和受力机理的理论解释，更缺少对此类构件在水平荷载作用下力学性能的深入研究。本文运用统一强度理论对内圆外圆和内圆外方实复式钢管混凝土柱的轴心受压力学性能进行了理论分析，给出了较为合理的受力和破坏机理的理论解释，得到了该两种截面形式的实复式钢管混凝土柱轴压极限承载力的统一解。并以大型通用有限元软件ANSYS为平台，对在单调水平荷载作用下的内圆外方实复式钢管混凝土柱进行了弹塑性分析，得到了其荷载-位移曲线，分析和考察了轴压比、内钢管屈服强度、外钢管屈服强度和混凝土强度等因素对曲线的影响规律，并在单调加载的基础上，对其施加低周反复水平荷载，进一步考察了其滞回性能。所得到的结论如下： 1.运用统一强度理论对内圆外圆和内圆外方实复式钢管混凝土柱的轴心受压力学性能进行了理论分析，得出了其轴压极限承载力的统一解，将理论计算结果与试验结果相比较，吻合较好。表明运用统一强度理论，考虑内、外钢管对内层混凝土的双重约束作用以及钢管因环向受拉导致纵向应力降低的影响来分析实复式钢管混凝土柱的轴心受力和破坏机理是合理的。同时证明，通过引入混凝土强度折减系数和等效约束折减系数将内圆外方实复式钢管混凝土柱，按照面积相等的原则等效为内圆外圆实复式钢管混凝土柱，进而得出其轴压极限承载力的方法是可行的。所得到的轴压极限承载力的统一解，具有广泛的适用性，既适用于拉压相同的低强度钢材，也适用于拉压不同的高强度钢材；中间主应力对极限承载力有较大影响，极限承载力随着强度参数6的增大而增大。 2.钢管，尤其是内钢管对于实复式钢管混凝土柱轴压极限承载力的增益作用，主要体现在其对混凝土的套箍作用，并非体现在其自身的强度贡献；对于内钢管屈服强度低于外钢管的实复式钢管混凝土柱，其轴压极限承载力与具有相同含钢率的普通钢管混凝土柱相比提高并不明显，而对于内钢管屈服强度高于外钢管的实复式钢管混凝土柱，相对具有相同含钢率的普通钢管混凝土柱优越性能明显，不但提高了极限承载力还可以有效避免使用厚壁钢管导致的加工制作上的困难。 3.内圆外方实复式钢管混凝土柱在单调水平荷载作用下的荷载-位移曲线图形稳定性较好，在加载后期基本保持水平或出现微弱下降段，表现出了良好的塑性和延性，表明内圆外方实复式钢管混凝土柱具有良好的抗震性能。其应力基本呈反对称分布，且由柱两端向中间逐渐减小。构件的水平承载力在加载后期出现下降，主要是由于随着水平位移的增加，混凝土裂缝不断开展，自身模量降低，进而导致构件整体刚度退化引起的。构件的破坏源自于柱底部核心混凝土的压碎和钢管的屈服。 4.轴压比、内钢管屈服强度、外钢管屈服强度和混凝土强度等都是影响其极限承载力和延性的因素。改变这些参数，不但会影响荷载-位移曲线的数值，还会改变曲线的形状。 5.构件在低周反复水平荷载作用下的滞回曲线图形饱满，没有出现明显的捏缩现象，进一步表明内圆外方实复式钢管混凝土柱具有良好的耗能能力和塑性变形性能。构件的骨架曲线与单调加载时的荷载-位移曲线相似。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1钢管混凝土的特点和发展

1.1.1钢管混凝土的特点

1.1.2钢管混凝土的发展

1.2复式钢管混凝土的特点及研究现状

1.2.1复式钢管混凝土的特点

1.2.2复式钢管混凝土的研究现状

1.3问题的提出和本文研究的主要内容

1.3.1问题的提出

1.3.2本文研究的主要内容

第二章统一强度理论

2.1统一强度理论

2.1.1统一强度理论的力学模型

2.1.2统一强度理论的表达式

2.2统一强度理论的意义

2.3本章小结

第三章基于统一强度理论的复式钢管混凝土轴压承载力研究

3.1复式钢管混凝土柱的受力和破坏机理

3.2内圆外圆实复式钢管混凝土柱的轴压承载力

3.2.1基本假定

3.2.2钢管的承载力

3.2.3混凝土的承载力

3.2.4内圆外圆实复式钢管混凝土柱轴压承载力统一解

3.2.5计算公式的验证

3.3内圆外方实复式钢管混凝土柱的轴压承载力

3.3.1基本假定

3.3.2混凝土强度折减系数Yu

3.3.3外钢管厚边比ν的影响及等效约束折减系数ξ的引入

3.3.4钢管的承载力

3.3.5混凝土的承载力

3.3.6内圆外方实复式钢管混凝土柱轴压承载力统一解

3.3.7计算公式的验证

3.4本章小结

第四章复式钢管混凝土柱在水平荷载作用下力学性能的有限元分析

4.1有限单元法

4.1.1有限单元法简介

4.1.2有限元法分析问题的基本步骤

4.2.ANSYS软件简介

4.3非线性分析与ANSYS程序的结合

4.3.1几何非线性

4.3.2材料非线性

4.4复式钢管混凝土柱在单调水平荷载作用下的力学性能分析

4.4.1材料的应力-应变关系和破坏准则

4.4.2基本假定

4.4.3计算模型的设计原理及基本数据

4.4.4单元类型的选取

4.4.5模型的建立

4.4.6边界约束及加载制度

4.4.7有限元分析

4.5复式钢管混凝土柱在低周反复水平荷载作用下的力学性能分析

4.5.1循环加载下材料的应力-应变关系

4.5.2加载制度

4.5.3滞回曲线

4.5.4骨架曲线

4.5.5刚度退化

4.6本章小结

结论与展望

1结论

2后续研究方向与建议

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及获奖情况

致谢