椭圆钢管混凝土受扭、受剪和局压性能与设计方法研究

摘要

椭圆钢管混凝土是由椭圆钢管和核心混凝土组成的新型钢管混凝土构件，具有承载力高、塑性性能好和施工快捷等优点。此外，椭圆钢管混凝土沿长轴方向可以减小流体阻力，通过调节长短轴比可适应不同的受力情况，应用在建筑中还具备独特的美学效果，备受研究学者和建筑设计人员的青睐，现已逐步应用于机场航站楼、火车站和桥墩等工程实例中。然而，目前对于椭圆钢管混凝土的研究仅限于轴压、压弯和受弯性能上，对受扭、受剪和局压性能的研究寥寥无几。因此，为系统研究椭圆钢管混凝土的各项力学性能，有必要对椭圆钢管混凝土在受扭、受剪和局压状态下的力学性能和设计方法进行研究。
　　本文通过数值分析方法研究了两种椭圆形截面的钢管混凝土:尖椭圆钢管混凝土和平椭圆钢管混凝土。本文研究的具体工作如下:
　　(1)通过ABAQUS分别对两种椭圆形截面的钢管混凝土构件建立了在纯扭作用下的数值分析模型。考虑了几何特征、材料非线性和钢管-混凝土接触关系，对构件的受扭性能开展了诸多参数分析，研究参数包括钢材强度、混凝土强度、截面含钢率、截面面积和长短轴比，揭示了构件在纯扭状态下的破坏模态和受力机理。
　　(2)利用ABAQUS分别沿长轴和短轴方向建立了两种椭圆形截面的钢管混凝土受剪构件有限元分析模型。分析了构件在受剪状态下的破坏模式和受力机理。系统地开展了构件受剪性能的参数分析，分别在长轴和短轴方向上研究了剪跨比、钢材强度、混凝土强度、截面含钢率、长短轴比和截面面积等参数对椭圆钢管混凝土构件抗剪承载力的影响规律。
　　(3)通过ABAQUS分别对两种椭圆形截面的钢管混凝土短柱建立了在局压作用下的数值分析模型。对短柱的局压性能进行了系统的参数分析，研究了局压面积比、钢材和混凝土强度、含钢率、长短轴比和截面面积等对局压短柱荷载(N)-变形(⊿）曲线和局压承载力的影响，揭示了在局压作用下椭圆钢管混凝土短柱的破坏模式和受力机理。
　　(4)基于统一理论与叠加原理，结合本文所做的参数分析和受力机理研究，对椭圆钢混凝土的设计方法做出了深入探讨。针对椭圆钢管混凝土在受扭、受剪以及局压作用，提出了尖椭圆钢管混凝土和平椭圆钢管混凝土的简化计算公式，为建立椭圆钢管混凝土构件设计方法提供了参考依据。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 圆形、矩(方)形钢管混凝土研究现状

1．2．1 受扭扭构件

1．2．2 受剪构件

1．2．3 局压构件

1．3 椭圆形钢管混凝土的研究现状

1．3．1 国外研究

1．3．2 国内研究

1．4 研究方法

1．5 研究主要内容

第二章 椭圆钢管混凝土构件的受扭性能分析

2．1 概述

2．2 椭圆钢管混凝土纯扭构件的数值分析模型

2．2．1 材料模型

2．2．2 有限元分析模型

2．3 试验验证

2．4 尖椭圆钢管混凝土受扭构件参数分析

2．4．1 钢材强度

2．4．2 混凝土强度

2．4．3 含钢率

2．4．4 长短轴比

2．4．5 截面面积

2．5 平椭圆钢管混凝土受扭构件参数分析

2．5．1 钢材强度

2．5．2 混凝土强度

2．5．3 含钢率

2．5．4 长短轴比

2．5．5 截面面积

2．6 尖椭圆钢管混凝土受扭构件受力机理分析

2．6．1 破坏模态

2．6．2 钢管和核心混凝土之间相互作用力

2．6．3 截面剪应力

2．6．4 受扭全过程分析

2．7 平椭圆钢管混凝土受扭构件受力机理分析

2．7．1 破坏模态

2．7．2 钢管和核心混凝土之间相互作用力

2．7．3 截面剪应力

2．7．4 受扭全过程分析

2．8 本章小结

2．8．1 尖椭圆钢管混凝土受扭构件小结

2．8．2 平椭圆钢管混凝土受扭构件小结

第三章 椭圆钢管混凝土构件的受剪性能分析

3．1 概述

3．2 椭圆钢管混凝土受剪构件数值分析模型

3．2．1 材料模型

3．2．2 有限元分析模型

3．3 试验验证

3．4 尖椭圆钢管混凝土受剪构件的受力机理

3．4．1 尖椭圆钢管混凝土受剪构件破坏模式

3．4．2 尖椭圆钢管混凝土构件受剪全过程分析

3．5 平椭圆钢管混凝土受剪构件的受力机理

3．5．1 平椭圆钢管混凝土受剪构件破坏模式

3．5．2 平椭圆钢管混凝土构件受剪全过程分析

3．6 尖椭圆钢管混凝土受剪构件参数分析

3．6．1 剪跨比

3．6．2 钢材强度

3．6．3 混凝土强度

3．6．4 含钢率

3．6．5 长短轴比

3．6．6 截面面积

3．6 平椭圆钢管混凝土受剪构件的参数分析

3．6．1 剪跨比

3．6．2 钢材强度

3．6．3 混凝土强度

3．6．4 含钢率

3．6．5 长短轴比

3．6．6 截面面积

3．7 本章小结

3．7．1 尖椭圆钢管混凝土受剪构件小结

3．7．2 平椭圆钢管混凝土受剪构件小结

第四章 椭圆钢管混凝土短柱的局压性能分析

4．1 概述

4．2 椭圆钢管混凝土局压短柱数值分析模型

4．2．1 材料模型

4．2．2 有限元模型

4．3 试验验证

4．4 尖椭圆钢管混凝土局压短柱的参数分析

4．4．1 局压面积

4．4．2 钢材强度

4．4．3 混凝土强度

4．4．4 含钢率

4．4．5 长短轴比

4．4．6 截面面积

4．4．7 垫块形状

4．5 平圆钢管混凝凝土局压短柱的参数分析

4．5．1 局压面积

4．5．2 钢材强度

4．5．3 混凝土强度

4．5．4 含钢率

4．5．5 长短轴比

4．5．6 截面面积

4．5．7 垫块形状

4．6 尖椭圆钢管混凝土局压短柱的受力机理

4．6．1 尖椭圆钢管混凝土局压短柱破坏模式

4．6．2 钢管应力

4．6．3 混凝土截面纵向应力

4．6．4 椭圆钢管与核心混凝土的相互作用力

4．6．5 尖椭圆钢管混凝土局压全过程分析

4．7 平椭圆钢管混凝土局压短柱的受力机理

4．7．1 平椭圆钢管混凝土局压短柱破坏模式

4．7．2 钢管应力

4．7．3 混凝土截面纵向应力

4．7．4 椭圆钢管与核心混凝土的相互作用力

4．7．3 平椭圆钢管混凝土局压全过程分析

4．8 本章小结

4．8．1 尖椭圆钢管混凝土局压短柱小结

4．8．2 平椭圆钢管混凝土局压短柱小结

第五章 椭圆钢管混凝土的设计方法研究

5．1 概述

5．2 尖椭圆钢管混凝土构件抗扭承载力计算方法

5．3 尖椭圆钢管混凝土构件抗剪承载力计算方法

5．4 尖椭圆钢管混凝土短柱局压承载力计算方法

5．4．1 局压承载力折减系数定义

5．4．2 参数分析

5．4．3 简化计算公式

5．5 平椭圆钢管混凝土构件抗扭承载力计算方法

5．6 平椭圆钢管混凝土构件抗剪承载力计算方法

5．7 平椭圆钢管混凝土短柱局压承载力计算方法

5．7．1 局压承载力折减系数定义

5．7．2 参数分析

5．7．3 简化计算公式

5．8 本章小结

5．8．1 尖椭圆钢管混凝土设计方法小结

5．8．2 平椭圆钢管混凝土设计方法小结

第六章 结论及建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况