树形钢管混凝土柱足尺静力试验及受力性能研究

摘要

树形钢管混凝土柱具有造型美观、能明显减小结构跨度、减小构件截面尺寸、承载力高等优势，在大跨、大空间结构中具有广泛应用前景。本文为推动其应用，以某景观桥项目的树形钢管混凝土柱为研究对象，开展了树形柱足尺轴压、悬臂偏压试验研究，利用有限元软件ABAQUS对其受力性能进行了补充分析，并对其“树干”的花瓣形钢管混凝土柱的轴压性能进行了研究，主要的研究内容和结论如下：　　为树形柱足尺轴压、悬臂偏压试验设计和制作了大型反力加载系统。树形柱足尺轴压试验施加的最大荷载为设计轴压荷载的3.015倍，树形柱仍保持弹性。树形柱足尺悬臂偏压试验施加的最大荷载为5578.7kN，对应树形柱柱底最大弯矩为5578.7kN·m。悬臂树形柱试件在偏压荷载下破坏模式为一级分枝根部产生塑性铰。　　有限元分析表明，树形柱轴压工况下破坏模式为角部二级分枝和一二级分枝节点破坏；悬臂偏压工况下破坏模式为一级分枝根部产生塑性铰。一二级分枝节点产生的局部塑性变形降低了树形柱的轴压、偏压承载能力；角部二级分枝是树形柱的薄弱环节，增加角部二级分枝刚度对提升树形柱承载力的效果明显。分析了钢材强度、混凝土填充范围以及侧向力作用等参数对树形柱受力性能的影响，混凝土填充至角部二级分枝时能明显提高其承载力。　　对花瓣形钢管混凝土短柱轴压性能进行了有限元研究，研究了有无十字肋、十字肋厚度、混凝土强度、钢材强度、截面对称系数等参数对其轴压性能的影响；分析了十字肋开孔对花瓣柱轴压性能的影响，并提出了关于十字肋面积开孔率的轴压承载力降低系数计算公式；分析了钢管壁与十字肋厚度的匹配关系。将本文的花瓣形钢管混凝土柱计算结果和简单叠加承载力计算公式、规范公式计算值进行了对比，提出了适合于花瓣形钢管混凝土短柱的轴压承载力计算公式，并根据本文计算结果，提出了花瓣形钢管混凝土柱的名义径厚比取值设计建议。

目录

1 绪 论

1.1 仿生结构

1.1.1 仿生学概述

1.1.2 仿生结构概述

1.1.3 仿生结构的分类及应用

1.2 树状结构

1.2.1 树状结构的特点

1.2.2 树状结构的应用

1.2.3 树状结构的研究现状

1.3 本文主要工作

2 树形钢管混凝土柱足尺试验设计

2.1 引言

2.2.1 试件设计

2.2.2 材料力学性能

2.3 足尺试验反力系统设计

2.3.1 反力架及其锚固设计

2.3.2 千斤顶滑动反力底座设计

2.3.3 加载钢箱梁设计

2.3.4 轴压支座设计

2.3.5 偏压支座设计

2.4 试件加工与安装

2.5 测量方案与加载制度

2.5.1 测量方案

2.5.2 加载制度

3 树形钢管混凝土柱足尺试验结果与分析

3.1 引言

3.2.1 试验过程及现象

3.2.2 荷载-位移曲线

3.2.3 应变分析

3.3 树形柱足尺偏压试验结果与分析

3.3.1 试验现象及破坏模式

3.3.2 荷载-位移曲线

3.3.3 应变分析

3.4 本章小结

4 树形柱有限元研究

4.1 引言

4.2.1 材料本构

4.2.2 单元类型及网格划分

4.2.3 部件之间的连接和接触关系

4.2.4 边界条件与荷载施加

4.3 树形柱有限元模型的验证

4.3.1 格构式空心钢管树形柱模型验证

4.3.2 钢管混凝土树形柱模型验证-轴压荷载

4.3.3 钢管混凝土树形柱模型验证-偏压荷载

4.4 空心钢管树形柱受力性能研究

4.4.1 空心钢管树形柱的模型建立

4.4.2 空心钢管树形柱的荷载-位移曲线和屈服机制

4.4.3 一二级分枝节点壁厚分析

4.4.4 直焊节点连接盖板的作用及构造分析

4.5 树形钢管混凝土柱轴压受力性能研究

4.5.1 轴压荷载下破坏模式

4.5.2 参数的确定

4.5.3 参数分析

4.5.4 树形柱轴压受力机理分析

4.6 树形钢管混凝土柱悬臂偏压受力性能研究

4.6.1 参数的确定

4.6.2 参数分析

4.7 施工工况及侧向荷载下树形柱受力性能研究

4.7.1 施工工况

4.7.2 侧向荷载

4.8 设计与构造建议

4.9 本章小结

5 花瓣形钢管混凝土柱轴压性能有限元研究

5.1 引言

5.2 花瓣形钢管混凝土截面组成定义

5.3.1 材料本构关系

5.3.2 单元类型及网格划分

5.3.3 单元之间的连接和接触关系

5.3.4 边界条件与荷载施加

5.4 有限元模型的验证

5.5 参数分析

5.5.1 有无十字肋板

5.5.2 十字肋厚度

5.5.3 混凝土强度

5.5.4 钢材屈服强度

5.5.5 截面对称系数

5.6.1 十字肋开孔

5.6.2 钢管与十字肋壁厚匹配关系

5.7 花瓣形钢管混凝土短柱轴压承载力设计方法

5.7.1 简单叠加承载力

5.7.2 与规范公式进行对比

5.7.3 花瓣形钢管混凝土短柱轴压承载力修正公式

5.7.4 设计考虑与建议

5.8 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附 录

A 作者在攻读硕士学位期间的主要奖励

B 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

C 学位论文数据集

致谢