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1、薄壁钢管混凝土柱轴心受压性能研究 南昌大学硕士学位论文薄壁钢管混凝土柱轴心受压性能的研究姓名:付小超申请学位级别:硕士专业:结构工程指导教师:熊进刚20081213摘 要摘 要本文对薄壁钢管混凝土柱轴心受压性能进行了研究,是在前人试验研究的基础上,采用进行模拟研究的。具体内容如下:、探讨了在模拟钢管混凝十柱时遇到的一些主要、题,如单元类型的确定、材料本构关系的选取、网格划分密度、加强收敛的方法等,并确定了本文所采用的方法。、以薄壁圆形、方形钢管混凝土短柱为主要研究对象,研究了不同参数对其轴压性能的影响。结果表明试件的含钢率、约束效应系数、截面形状和核心混凝土强度对薄壁钢管混凝土短柱轴压性能有不
2、同程度的影响。、引用前人的试验,并自行设计了部分构件,通过有限元模拟计算,找出约束效应系数亭与核心混凝土承载力提高系数,.之间的关系曲线,运用数值分析的方法对曲线进行拟合,给出了薄壁钢管混凝土短柱轴心受压承载力的计算公式,并与国内外规程给出的计算公式进行对比,确定本文推导公式的准确性和适用性。并进一步探讨了影响薄媛钢管混凝土柱极限承载力的主要因素,如宽径厚比限值;材料强度的匹配关系;“尺寸效应的影响,得出了一些有意义的结论以供工程参考。、本文对薄壁钢管混凝土长柱进行了初步的研究,介绍了理想和有初始缺陷长柱的计算方法,并研究了长细比、材料强度变化等因素对长柱屈曲破坏的影响。关键词:薄壁钢管混凝土
3、柱;有限元;环箍;承载力;局部屈曲;荷载一位移曲线;极限承载力, . , ,.,. . ., , ,.孝包 . , ?, .?. . .,:?; ; ;?; 学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名手写:矧、迄签字日期:肋罗年亿月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用
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5、给建筑物带来非常大的弯矩、水平剪力和倾覆力矩,这就要求建筑结构必须在强度、刚度和延性三方面都能满足设计要求。在钢筋混凝土结构中,为了满足强度和刚度的要求,构件的截面尺寸往往很大,这使得建筑物的有效使用血积减小,而且由于自重增大,不但使基础工程造价增加,而且地震作用引起的地震反应也增大。这样的结果,不论是没计者还是丌发商都不愿意看到。钢结构相对而言虽然强度高,自重较轻,延性好,抗震性能优越,施工速度快,但是它的耐火性能较差,而且造价高,亦未如设计者和丌发商的理想。就建筑材料而言,混凝土与钢材至今为止仍是无可代替的,目自两者共同发展的方向主要是提高强度。例如混凝土,现时我国己有应用的工程实践。但是
6、,混凝土的强度越高,它的脆性也就越大。尤其在地震区,高强混凝士延性差的问题显得尤为突出,这就大大限制了它的推广与应用。钢一混凝土组合结构的出现正好解决了这些问题。它的优点在于能充分发挥钢材和混凝土这两种材料的各自优势,互相取长补短,使结构达到最好的各自性能。钢管混凝土结构,就是一种介于钢结构和钢筋混凝土结构之问的钢一混凝土组合结构,具有许多其它结构形式所不能比拟的优点。 .钢管混凝土的概念,钢管混凝土. ,简称,是指将混凝土如普通、高强、轻骨料混凝土灌入钢管而形成的一种组合材料,最早是在十九世纪八十年代被设计应用做桥墩,以后随着科学技术的发展使它的应用范围得到了很快的推广。一方面由于钢管临界承
7、载力极不稳定,在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土,混凝土的存在可以避免或延缓簿壁钢管过早地发生局部屈曲;另一方面,钢管约束了混凝土,在轴心受压荷载作用下,混凝土三向受压,延缓了其纵向开裂。因此,通过两种材料组合相弥补了彼此的弱点,充分发挥彼此第一章绪论的长处,从而使钢管混凝土具有很商的承载力,其极限承载力高于组成钢管混凝上的钢管和核心混凝土承载力之和,真正实现了“”,并且使混凝土柱的塑性和韧性性能大为改善。钢管混凝土按截断形式的不同般可以分为:圆形、方形、矩形和八边形截面。其中圆形截面受力性能比较优越,矩形截面便于梁柱节点的连接,因此这两种截面钢管混凝七应用较为广泛。八边形截面较之圆形截面形式的
8、承载力相差不大。.钢管混凝土的优点?承载力高由于薄壁乍管临界承载力极不稳定,而在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后,钢管约束了混凝土,在轴心受压倚载作用下,混凝土三向受压,从而使核心混凝上具有更高的抗压强度和变形性能,延缓了受压时的纵向丌裂;同时,钢管的套箍作用大大提高了混凝十的力学性能,使混凝土特别是高性能混凝土的脆性弱点得到了克服。另一方面,?混凝土填于钢管之内,增强了钢管管壁的稳定性,混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈曲,两种材料相互弥补了彼此的弱点,却可以充分发挥彼此的长处,从而使钢管混凝土具有很高的承载力,大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和。塑性和韧
9、性好混凝土脆性较大,对于高强度混凝土更是如此,其工作的可靠性因此而大为降低。如果将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土,核心混凝土在钢管的约束下,不但在使用阶段改善了它的弹卜性质,而且在破坏时具有很大的塑性变形。试验表明,钢管混凝土柱破坏时可以压缩到原长的/,完全没有脆性破坏的特征。处于钢管中的混凝土已经由脆性破坏转变为塑性破坏,使整个构件呈现出弹性工作塑性破坏的特征。此外,这种结构在承受冲击荷载和振动荷载时,也具有很好的韧性。施工方酊钢管混凝土在本质上属于套箍混凝土,钢管本身就是耐侧压的模板,在浇灌混凝土时,可省去模扳的施工,采用钢管混凝土无需绑扎钢筋、支模和拆模等工序,施工简便,并可采用泵送混凝
10、土、高位抛落免振捣混凝土和免振白密第一章绪论实混凝土等施工工艺,从而大大加速钢管耀凝土构件的施工进度。同时钢管本身又兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用,制作钢管远比制作钢筋骨架省工,而且便于浇灌混凝土;另外钢管本身又是劲性承重骨架,在施工阶段可起劲性钢骨架的作用,其焊接工作量远比一般型钢骨架少。还有,空钢管构件的自重小,可以大大减少运输和吊装等费用。耐火、耐腐蚀性能好由于组成铡管混凝土的钢管和其核心混凝上之间具有相互贡献、协同互补、共同工作的特点,这种结构具有较好的耐火性能。此外,在钢管中浇筑混凝土使钢管的外露面积减小,受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多,抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。经济效果好大
11、量工程实践表明:采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土承压构件约节约混凝土%,构件的横截面积可减少一半,从而使建筑空间得到加大,减轻结构%左右,钢材用量略高,或约相等。和钢结构相比,可节约钢材%左右,并节省大量的焊接工作。另外,钢管混凝土本身的施工特点符合现代施工技术工业化的要求,可大量节约人工费用,降低工程造价。.钢管混凝土的发展与应用概况,钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土基础上演变和发展起来的。最早应用钢管混凝土的工程之一是年英国的铁路桥桥墩,目的是防止锈蚀并承受压力。之后,钢管混凝土又做为单层工业厂房的结构柱。年美国人在圆形钢管中填充混凝七作为房屋建筑的承重柱称为柱并获得专
12、利。前苏联在五六十年代对钢管混凝土结构进行了大量研究,并在一些土建工程,如工业厂房和拱桥结构进行了应用。其电力建设部年出版了劲性钢筋混凝土设计规范,年又出版了劲性钢筋馄凝土结构设计指南。英国、美国和德国等,主要研究圆形和矩形钢管混凝土结构,核心混凝土为素混凝土或在核心混凝土中配置钢筋或型钢。年美国颁发的公路桥涵设计规范,年颁发的房屋钢结构设计、制造和安装规范均纳入了组合梁设计部分。年美国钢结构学会颁布了钢与混凝土组合楗设计规范。在英国标准规范,和桥梁法规/等中都纳入了组合柱、组合梁的设计部分。欧洲钢结构协会年出第?章绪论版了组合结构舰程及其说明,年欧洲经济共同体建筑与土木工程部制定了统一标准;
13、范钢与混凝二组合结构。德国年制定了桥梁组合梁标准,年制定房屋建筑组合梁标准。日本建筑学会年颁发了型钢混凝上结构计算标准,到年已修订过三次。近些年来,美国、澳大利亚和本等国的学者,开始研究在钢管中填充高强混凝土形成的钢管高强混凝土构彳,:的工作性能,并在一些二【:程结构中推广应用。例如【纪初,美囡有些译层捌多层厂房巾采用了圆形钢管混凝土柱作为承重柱。到世纪年代木期,自订苏联采用集束的小直径钢管混凝土作为拱肋,建造了横跨涅瓦河米的下承式公路拱桥。与此同时,前苏联开展了钢管混凝上基本力学性能的试验研究。年代前后,美国进行了大量的钢管混凝土试验研究和理论分析工作,得出一些计算公式并把钢管混凝。生作为组
14、合构件而单独分列,包括轴压和受弯构件的设计和计算,在年利用钢管混凝土结构修建了旧金山一座层的办公楼,并在其它一些工程中加以应用。到了年代,由于泵送顶升混凝土技术的现解决了现场浇灌混凝土的问题,施工快、造价低,使钢管混凝土结构重又受到很多国家的注意和重视。在澳大利亚,有很多工程实例比如 和等,层数均在层以上。特别是年阪神地震后,钢管混凝土结构更显示出其优良的时震性能,进一步掀起对铡管混凝上结构进行深一层研究的热潮。我国最早丌展俐管混凝土基本卵论研究的是中国科学院哈尔滨土木建筑研究所。此后,国内的哈尔滨建筑大学、中国科学研究院、苏州混凝土与水泥制品研究院、北京地下铁道工程局及电力工业部电力研究所等
15、单位都先后对基本构件的设计方法、节点构造和施工技术等丌展了比较系统的研究,取得了可喜的成果。这些成果已在圆形钢管混凝土柱的研究中领先于国际水平,并大致形成三个理论体系,集中反映在蒋家奋和汤关柞编写的三向应力混凝土、蔡绍怀编著的钢管混凝土结构的计算与应用和钟善桐编著的钢管混凝土结构这三本书中。年中国钢结构阱会组建了钢一混凝土组合结构协会,并且每两年组织一次年会,年会学术交流活跃,研究内容深入。目前国内关于钢管混凝七结构设计还没有国家标准,但一些行业制定了相关设计规程,主要有以下三利,:钢管混凝土结构技术规程.,中国工程建设标准化协会编制的钢管混凝土设计及施工舰秤:,电力行业编制的钢混凝土组合结构
16、设计舰程/.。年还将“钢管混凝土结第一章绪论构技术”列入科技成果重点推广项目,为进一步在实际工程中推广应用钢管混凝土创造了条件。我国最早对钢管混凝土结构的运用,是在年成功地将铡管混凝土柱用于北京地铁站工程。由于钢管混凝土结构具有一系列优越的力学性能,年代我国进一步推应用这种结构,相继应用在一些大型工程中,到了年代,钢管混凝土结构在我国的研究已经逐步得到完善,计算理沦和设计方法取得了很大进展,在构件性能和理论研究方面也取得了很大的成就。近年来,随着我囡国民经济的迅速发展,钢管混凝土结构作为一种新的结构形式,在我国的高层建筑工程、地铁车站工程、工业厂房工程和大跨度桥梁工程等建设中得到了卓有成效的应
17、用,取得了令人瞩目的成就。饿如年月建成的四川力.县长江大桥跨度达到了米,这在桥梁史上也足少见的,据桥梁工程师们预测,采用钢管混凝土拱桥结构,单孔直径有望达到至米,高米。采用钢管混凝土柱建成的高层建筑也近二十座之多,其中最高的深圳赛格广场大厦地下四层,地上七十层,高度为.,建筑面积达到了,是迄今为止全部采用钢管混凝土柱世界最高建筑;地:层的深圳地王大厦,其结构为型钢混凝土结构,四周框架柱为方钢管混凝土构件;结构总层数为层、地上高度.米的广州新中国大厦,上部结构部分柱为带约束拉杆异形方形钢管混凝土组合构件,核心筒地下室五层部分采用带约束拉杆异形形、形钢管混凝土构件:当今世界上最高的建筑,年建成的台
18、北国际金融中心,占地面积平方米,地下层,地上层,总建筑面积平方米,地上建筑高度为米,层塔楼应用了井字形巨型结构体系,中低层的柱子采用了矩形钢管混凝土结构;江西华龙国际人厦位于江西南昌市最繁华的老福山商贸区,该建筑用地总面积为平方米,地下层为设备房和停车场,地上层,总建筑面积为平方米,建筑总高度为米,为江西省第一座高层钢管混凝土柱钢梁框架、混凝土核心筒混合结构建筑。铡管混凝土正发展成为强风、强震地区超高层建筑的一种主导结构类型。钢管混凝土结构技术自身也在上述工程实践中得到了新的发展。.本文研究问题的提出及研究意义以往国、内外研究人员对钢管混凝土构件的力学性能已开展了深入系统的第章绪论研究,但主要
19、研究的对象是钢管管擘较厚的情况含钢率一般在.的范罔内,并取得了一系列的研究成果,目前的设计方法以及颁饥的规程也主要适用于这类构件。为进一步提高钢管混凝土的工作性能和经济性,近年来研究者们还不断研究如何从材料和截面形式着手,进一步提高钢管混凝土的力学性能,提出了一系列新型钢管混凝士结构形式,如:薄壁钢管混凝土柱、钢管高性能混凝土柱、冷弯型钢钢管混凝土柱、空心钢管混凝土柱、带纵向加劲肋的钢管混凝土柱、。中空夹层钢管混凝土柱和复式钢管洮凝土等新型的钢管混凝土柱本文研究的对象是薄壁钢管混凝土柱,这罩所指的薄壁钢管混凝土柱是指其横截斫径厚比/对于圆钢管混凝土或宽厚比/对于方钢管混凝土大于对应受压构件中空
20、钢管局部稳定限值.倍的情况。对于薄壁空心钢管来说,其承载力是极不稳定的,因为它对局部缺陷非常敏感,容易屈曲失稳。试验证明,其实际轴压力往往只有理沦计算值的/,当有残余应力存在时,影响则更大。而在钢管中灌注混凝土形成钢管混凝土构件后,钢管约束了混凝土,延缓了混凝土受压时的纵向丌裂,而混凝土却大大延缓了薄壁钢管的局部失稳,最终使其极限承载力得到提高。相对于厚壁钢管混凝土,采用薄壁钢管混凝土的主要优点是:钢管薄壁化,减小了钢材的用量目,薄壁钢管混凝土实验室研究的径厚比/达到了以上【,含钢率约为%,与钢筋混凝土柱的含钢率接近,达到降低工程造价的目的;钢管壁薄,还可减小焊接的工作量,可以在现场焊接,减小
21、了运输过程中不必要的钢管变形,焊接残余应力也相对地减小了,有利于钢管受力。此类结构形式在小高层及以下,包括多层、低层建筑工程中推广使用有着广阔的自仃景和积极的意义,对薄壁钢管魏皂凝土柱进行研究具有重要的工程实际价值.国、内外研究现状目前困、内外规范中尚无有关专门针对薄壁钢管混凝土柱设计及施工的规定。囤、内外研究人员对薄壁钢管混凝土柱的研究主要是试验研究,并发表了一些研究成果,现总结如下。.国外研究现状到目自仃为止,固外对薄壁钢管混凝土研究较多,主要集中在澳大利亚、美第一章绪论国、只本、新加坡等国。?和进行了圆钢管混凝士轴压和偏压构件力学性能的实验研究,采用了圆柱体强度分别为和的两种混凝土,构件
22、截面径厚比/为.。其中轴压试件个,偏压试件个。研究结果表明,对于轴压试件,采用混凝土的试件,钢管对其核心混凝土有约束效果;而采用混凝土的试件,只有在/小于时爿产生对其核心混凝上的约束作用。荷载偏心率对钢管和核心混凝土之问的相互作用也有较大影响,且只有当荷载偏心率较小时钢管对其核心混凝土力有约束作用。和还进行了圆钢管中充填混凝土圆柱体强度达的钢管混凝土轴压和偏压构件力学性能的实验研究,构件截面的径厚/为.。其中轴压构件个,偏压构件个。结果表明,对于采用超高强混凝土的圆钢管混凝构件,只有在/较小时,钢管才对其核心混凝土有约束作用。和进行了个圆形空钢管和钢管混凝土轴压和偏压短试什的实验研究,以考察在
23、薄壁圆钢管中充填混凝土时对钢管力学性能的影响规律。试件的/在.到之间变化。在进行圆钢管混凝土短柱的实验时,台:混凝土浇灌以前先在钢管内表面涂上油脂,以期使钢管和核心混凝土没有粘结。另外,核心混凝土表面比钢管上表面稍低,以保证外荷载只作用在钢管上。研究结果表明:在薄壁圆钢管中充填混凝土与否对空钢管的极限承载力影响不大。和进行了个方形空钢管和钢管混凝土轴压短试件的实验研究,以考察在薄壁方钢管中填充混凝土时对钢管力学性能的影向规律。试件的/在.之问变化。对于方钢管混凝土试件,在混凝土浇灌以前先在钢管内表面涂上油脂,以期使钢管和核心混凝土没有粘结。另外,核心混凝土表面比钢管上表面稍低,以保证外荷载只作
24、用在钢管上。结果表明,在薄壁方钏管中充填混凝土与否对空钢管的极限承载力影响较大。等进行了个圆钢管混凝土轴心受压短试件的实验研究。试件的钢管选用了三种:无缝管/,直缝管/和螺旋焊接管/。进行了三种加载方式的实验:荷载同时作用在钢管和核心混凝土上;荷载仅作用在核心混凝土上;荷载仅作用在钢管上。且浇灌混凝土之在铡管内表面涂油脂,以使钢管和核心混凝土之间没有粘结。研究表明:在加荷初期,加载方式的轴压刚度最大,方式最小,方式居中。但在加载后期,加载方式的承载力随变形增长较慢,而方式的则增长较快,方式居中。构件的极限第一章绪论承载力以方式最大,方式最小。对方钢管混凝上轴心受压时钢管的局部屈曲问题进行了研究
25、。该文报道了个试件的实验结果,实验的基本参数为/在之间变化。研究结果表明,山于在受力过程中钢管和核心混凝土之间的相互作用,钢管混凝土构件中铡管局部屈曲大大滞后于空钢管构件。进行了个方钢管混凝土试件在轴压、纯弯曲和偏压荷载作用下力学性能的实验研究。试件采用了圆柱体强度为的混凝上和屈服强度为的钢材。该次实验考察的主要参数为/,。研究结果表明,即使在/的情况下,方钢管混凝七构件仍然具有良好的延性和后期承载能力。同时,该文也提出了一种可考虑钢材残余应力和钢管局部屈曲影响的数值计算模型,但该模型的计算结果与实验结果相比总体偏于保守。等报道了个钢管混凝土压弯构件的力学性能研究,其中圆钢管混凝土截面尺寸变化
26、范围为,截面径厚比从.变化到,方钢管混凝上截面尺寸变化范圈为,截面宽厚比从.变化到.,钢材屈服强度在之间变化,同时该文也提出了一种计算钢管混凝土荷载一变形关系曲线数值模型,数值计算结果与实验结果吻合较好。此外,和.在年分别对有内部压力和无内部压力的轴压钢管的屈曲性能进行了分析研究。同年,.对实心和空心超薄壁钢管混凝土柱进行对比研究和应用。年,希腊的.等人研究了内填轻质材料的薄钢管在轴下的屈曲性能。日本的.在年研究了核心混凝上在各种截?形状钢管约束下的应力与应变关系。.国内研究现状近年来,国内学者对薄壁钢管混凝士构件进行了一些的研究,主要是以试验研究为主。哈尔滨工业大学以张耀春为首的课题小组于年
27、进行了薄壁钢管混凝土短柱的试验研剜。在试验中,共选用圆柱、方形柱、八边形柱三种截面类型,同时采用不同的截面尺寸及钢材和混凝士强度。钢管壁厚选用和.,管径圆形截面及边长方形、八边形截面分别采用,和,试件高度为;混凝上强度等级采用。试验结果表明,圆柱的受力性能最好,八边形柱次之,方形柱的受力性能最差。这主要是由于第一章绪八圆形钢管对混凝土的约束能力强于其他丽种类型。薄壁圆形钢管混凝士短柱随荷载逐渐增大,柱中部首先突起,钢管达到屈服强度,进而出现褶皱,发生较大塑性变形,此时钢管与混凝土均达到极限强度,最后破坏现象为斜向剪切破坏。由于管壁较薄,方形钢管易于发生局部屈曲而提前使构件发生较大变形丧失承载力
28、,因此其对混凝土的约束作用较小,强度较低。八边形钢管混凝土的承载力及变形介于圆形和方形构件之间。川于实际工程中的结构构件应同时具有较高的强度和较好的延性,比较之下,薄壁钢管混凝土组合柱,宜优先选用圆形及八边形截面。福州大学韩林海,尧国剖】等对管内配有加劲肋的钢管混凝土柱轴压力学性能进行了研究,同时还进行了个内部未配有加劲肋的钢管混凝土柱对比实验,考察的主要参数是截面形式方形和圆形、截面径宽厚比从到和加劲肋的布置方式等。研究结果表明,规程的计算结果与实验值相比偏于安全,特别是截面径宽厚比较小时更是如此;在钢管内配置加劲肋可大为改善方钢管混凝土的延性性能。东北农业大学的王秋萍引,对薄擘圆俐管混凝土
29、短柱做了一些试验研究。通过试验研究表明,由于有内填混凝土的支撑作用,薄壁钢管混凝土轴压短柱中钢管壁的局部屈曲和屈曲后性能有很大的提高,特别是薄壁圃钢管对缺陷的敏感性大大降低,即使径厚比很大如左右的薄壁圆钢管混凝土短柱,在达极限承载力之前管壁也很少发生局部屈曲现象。薄壁钢管与普通钢管对核心混凝土的约束作用的差异,或不同宽厚比的薄壁钢管对不同强度的核心混凝土的约束作用,以及这些因素对薄壁钢管混凝土短柱的极限抗压承载力的影响都有待于去探讨。,南昌大学的熊进刚,占美森也对薄壁钢管混凝土短柱进行了试验研列。通过试验研究表明,圆形截面形式的钢管比方形截面形式的钢管对核心混凝土有着好得多的约束作用,其实际承
30、载力较名义承载力有着显著的提高:带环筘的薄壁钢管混凝土柱试件,坏箍能在一定程度上限制钢管壁的横向变形,延缓钢管的局部屈曲,混凝土受到的约束作用继续提高,直至环箍、日铡管鼓起或是环箍也屈服,对混凝土的约束作用降低,达到极限荷载;其它如径厚比、长细比、材料强度等因素对轴压承载力也有一定有影响。这些研究成果定能对实际工程提供理论支持,并对以后的进一步研究提供积极的参考价值。第一章绪论.本文具体研究内容本文将重点研究薄壁网形、方侈钢管混凝土柱轴心受压的性能。运用计算机模拟计算,分析薄壁钢管混凝土柱的受力机理和性能;提出适合于薄壁钢管混凝土短柱轴心受压的计算方法,以供工程参考。最后对长柱屈曲进行初步分析
31、,并短杞进行对比。具体的研究内容如下:、对模拟时出现的一些主要问题进行讨论,如单元的选取、混凝土本构关系的选择、网格划分、边界约束、加强收敛的方法等,为下面模拟计算做好准备。、建立前人试验的有限元模型,比较计算所得的极限荷载与试验所得极限荷载,并对一全程曲线进行对比,以验证所建模型的正确性;然后考察材料强度、径厚比、长细比以及环箍间距等因素对构件受力性能的影响。、在以上基础上,引用前人的试验构件并自行设计部分构件,采用模拟计算,通过对计算结果进行回归,最终推导出薄壁钢管混凝土承载力的计算公式,并与各国规范所给的公式进行对比,寻找它们之问的差别,使自己的公式能够更贴切于实际应用。并对本文构件的数
32、据进行合理分析、对比,探讨了一些影响薄壁钢管混凝土杠极限承载力的主要冈素,如合理径厚比/或宽厚比/的限值、钢管与混凝土两者材料强度的匹配关系、“尺寸效应”的影响,得出一些有意义的结论,以供工程参考。、对薄壁钢管混凝土长柱的屈曲进行初步分析,主要考察了初始偏心、初始挠度、长细比、材料强度变化等对长柱极限承载力的影响,并与短柱进行一定的对比分析。.本文研究的方法与思路本文研究主要方法是:在参考谛人试验研究的基础上,应用大型通用有限元软件进行模拟分析研究,并结合一定的理论分析,对薄壁钢管混凝土柱轴心受压性能进行研究。基本思硌是:建立前人试验构件的有限元模型进行模拟计算,并与试验结果进行对比,以确保所
33、建立有限元模型的准确性和可行性;再在以上的基础上建立大尺寸、高强度材料模型,避,:试验研究带来了“尺寸效应的影响,使第一章绪论分析结果更接近于实际,让计算机达到真正“仿真”目的。通过对所选分析构件的数据采用数值分析的方法,进行公式?归,得出薄壁钢管混凝土短柱轴心受压承载计算公式,并与国内外规程进行比较,以验证公式的实用性和准确性。第二章有限元分析方法及若干问题讨论第二章有限元分析方法及若干问题讨论本章提要:本章首先介坌“彳.限元分析中的几何、材料仆线性等重要概念,为分析打好理论基础;接着针对本课题特点对单元类型、本构关系的选取做进一步探讨;对中一些主要参数的设置,亟要概念的深入理解,加强收敛的
34、方法,建模中的方法技巧等符十问题进行了讨论,得出一些有意义的结论。目时为止困际上较大型的面向:程的有限元通用程序达到几百种,其中著名的有、等。它们多采用语言编写,规模达几万条甚至几十万条语句,其功能越来越完善,不仪包含多种条件下的有限元分析程序而且带有功能强大的前处理和后处理程序。以为代表的工程数值模拟软件即有限元分析软件,不断吸取计算方法和计算机技术的最新进展,将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为解决现代工程学、题必不可少的有力工具。软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大璎通用有限元分析软件,可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、
35、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究】。由于软件通用性强,其具体运用也就显得复杂,对使用者的有限元、力学、计算机程序等方面的知识要求较高,所以有必要对其涉吸到的一些重要概念和棚关问题进行介绍和讨沦。.非线性问题在对钢管混凝土结构进行弹塑性分析时,由于其延性较好,即使发生很大变形也有很好的承载能力。因此在作极限分析时,我们必须考虑大变形对结构几何尺寸的影响,这就是我们通常所说的几何非线性问题。同样,由于钢管混凝土这种材料本身的复杂性,其应力一应变关系不可能用一条简单的直线表达清楚,往往是十分复杂的曲线,这就给我们分析研究钢管混凝土时,在定义材料方面增加了
36、难度,此也即为我们通常所说的材料非线性题。下面就对这两第二章有限元分析.方法及若干问题讨沦种非线性分别进行介绍。.几何非线性随着位移增长,一个有限单元与移动的坐标,可以以多种方式改变结构的刚度。一般来说这类问题总是非线性的,需要进行迭代获得一个有效的解。几何非线性主要包括以下几个概念。、大应变效应一个结构的总刚度依赖于它的组成部件单元的方向和单刚。当一个单元的结点经历位移后,那个单元对总体结构刚度的贡献可以以两种方式改变。首先,如果这个单元的形状改变,它的单元刚度将改变。见图?;其次,如果这个单元的取向改变,它的局部刚度转化到全局部件的变换也将改变见图.。量大应变能影响局部单元刚度大转动童譬影
37、响单元冈度对息体圃度的贡献图一人应变效应、单元的形状应该认识到在大应变分析的任何迭代中低劣的单元形状也就足大的纵横比、过度的顶角以及具有负面积的已扭曲单元将是有害的。因此,必须和注意单元的原始形状一样注意单元已扭曲的形状。如果已扭曲的网格足不能接受的,可以人工改变开始网格在容限内以产生合理的最终结果参看图.。笫二章彳限元分析方法及若干问题讨论变形前的单元变形后的大应变单元不好的边长比修改后酌变形箭单元 变形后的大应变单元较好的边长比图人应变时低劣单元形状的发展、应力刚化结构的面外刚度可能严重地受那个结构面内应力状态的影响。面内应力和横向刚度之问的联系通称为应力刚化。在薄的高应力的结构中如缆索或
38、薄膜中足最明显的。一个鼓面,当它绷紧时不会产生垂向刚度,这是应力刚化结构的一个普通的例子。尽管应力刚化理沦假定单元的转动和应变是小的,在某些结构系统中如在图.中,刚化应力仅可以通过进行大挠度分析得到。在其它系统中如图.中,刚化应力可采用小挠度或线性理论得到。尽管应力刚度矩阵是使用线性理论得到的,但由于应力应力刚度矩阵在每次迭代之间足变化的这个事实,因而它是非线性的。图应力硬化梁从以上可以看出,当考虑几何非线性时,会使求解变得比较复杂。当大变形必须考虑时,我们必须认真控制求解选项,这样才能得到较好的收敛解,否第:二章有限元分析方法及若干题寸论则,求解将难以收敛或解失真。.材料非线性非线性的应力一
39、应变关系是结构非线性的常见原因,许多因素可以影响材料的应力一应变性质,包括加载历史如在弹一塑性响应状况下、环境状况如温度、加载的时问总量如在蠕变响应状况下。材料非线性分析包括弹塑性分析、超弹分析、蠕变分析等。本文主要涉及到弹塑性分析,在进行弹塑性分析时,我们必须了解一些概念:、路径相关性路径相关性是指对一种给定的边界条件,可能有多个正确的解内部的应力一应变分布存在,为了得到正确的结果,我们必须按照系统真正经历的加载过程加载。、率相关性塑性应变的大小可能是加载速度快慢的函数,如果塑性应变的大小与时问无关,这种塑性叫作率无关性塑性,相反,与应变率有关的性叫作率相关的塑性。大多的材料都有某种程度的率
40、相关性,但在大多数静力分析所经历的应变率范围,两者的应力一应变曲线差别不大,所以在一般的分析中,我们认为是与率无关的。、屈服准则对单向受拉试件,我们可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来决定是否有塑性变形发生,然而对于一般的应力状态,是否到达屈服点并不是明显的。屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量表示。因此,知道了应力状态和屈服准则,程序就能确定是否有塑性应变产生。、流动准则一般来说,流动方程是塑性应变在垂直于屈服面的方向发展的屈服准则中推导出来的,这种流动准则叫作相关流动准则。如果不用其它的流动准则从其它不同的函数推导出来,则叫作不相关的流动准则。由于钢管是
41、理想的塑性材料。塑性力学证明:理想塑性材料的塑流方向与其屈服曲面屈服条件的法线方向一致,亦即服从正交流动法则。、强化准则第二章有限元分析方法及若干问题讨论对于塑性材料,强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。一般来说,屈服面的变化是以订应变历史的函数。在程序中,使用了两种强化准则:随动强化和等向强化。而对于像混凝土这样的脆性材料,一般是没有明显的屈服点的,我们通常用破坏准则来描述其塑性应变的发展情况。比较适合混凝土的破坏准则有:准则、准则和.准则等。考虑到钢管混凝土的混凝土由卡钢管的套箍作用而使其受压状念下的塑性性能有很大的改善,本文将对核心混凝土同时使用?五参数破坏准则和.
42、屈服准则,这样做既考虑了受压混凝土由于套箍作用的塑性改善服从.屈服准则又考虑了混凝土受拉部分的脆性服从.五参数破坏准则,从以后的分析结果与试验结果的比较看,其模拟精度较好,且使问题的求解简化了很多,因此比较实用。.模拟的若干问题讨论目前,对钢管混凝土的研究方法主要是以试验研究为主,研究者们积累了丰富的试验经验,但对于数值模拟方面问题的讨论及经验的总结却较少。在此作者就将个人在模拟计算中遇到的一些主要问题进行讨论,希望对以后的数值模拟研究有所参考和帮助。.单元的选取采用模拟钢管混凝土柱轴心受压,一般有以下三种方法:.钢管选用单元,混凝土采用单元;.钢管选用单元,混凝土采用单元;.选用单元,分别定
43、义两种材料属性以两个文件的形式赋值。以上三种方法中,从收敛的角度来讲,第一种最容易收敛,因为都是实体单元,单元的刚度矩阵比较类似,钢管和混凝土只是材料的属性不同。本文也是选用这种方法。第二钟方法壳单元与实体单元的单元刚度矩阵之问存在一定差距,毕竟单元的节点数不同,收敛较难。第三种方法只能定义一种单元属性,与钢管混凝土实际材料属性不吻合,相差较大。第一二章彳限元分析方法及若下问题讨论.混凝土本构关系的选择正确选择混凝土的本构关系,对于模拟计算的结果至关重要。它选择的好坏直接关系到计算过程中的收敛速度,计算结果与试验结果的吻合。混凝土的本构关系可以分为线弹性、非线性弹性、弹塑性及其它力学理论等四类
44、,其中研究最多的是非线性弹性和弹塑性本构关系,比较被大家接受的就有十几种之多。我国混凝土规范选用了的本构关系式,而在有限元中分析中常选用表达式,此式既简便适用又与试验结果吻合的较好。众所周知,薄壁钢管混凝土由于钢管肇比较薄,它对核心混凝土的约束不如普通厚壁钢管的约束强,核心混凝土的约束应该是介于素混凝土与厚壁强约束混凝土之间的一个状态。图.、分别是三根同一直径、同一混凝土强度等级的钢管混凝土柱的一占关系曲线图,其中为混凝斗:本构关系选用表达式【的素混凝土柱,为选用表达式的钢管混凝土柱,为选用韩林海本构关系的钢管混凝土柱。从图中我们可以清楚地看到素混凝土没有钢管混凝土的极限承载力高,后期延性也不
45、好;而采用韩的本构关系钢管混凝土一占曲线却得不到下降段,是典型的厚壁强约束钢管混凝土的一占曲线,与薄壁钢管混凝土的力学性能以及试验现象均不符。可见本文选用的本构关系是可行的,韩的本构关系适合于普通厚壁钢管混凝土。选用本构犬系素混凝士柱,第一二章有限元分析方法及若干问题讨论选川木构关系钢管混凝七梓,选川韩本构关系钢管混凝十柱,图选川不同本构关系的混凝十柱?曲线图.方形与圆形轴压强度转换我国普通混凝土力学性能试验方法规定以 的棱柱体试件来确定混凝土轴心抗压强度标准值厶.。,而国外常采用混凝土圆柱第二二章有限元分析方法及若干、题寸论体试件来确定混凝土轴心抗压强度.。这两者之间的关系可按下式一确定【矧。?.乙女在研究方形钢管混凝土与圆形钢管混凝土时,许多研究者对六。的取值一般是取棱柱体试件的强度,忽略了方形与圆形之问还存在着以卜的一个转换关系,这样计算会导致计算结果偏大,这是许多研究者犯的一个通病,应引起注意。由于试验研究都是小尺寸试件,但对于工程实际中的大尺寸构件,方形与圆形之间强度差别影响不大,可直接取棱柱体的标准值。.混凝土破坏准则与屈服准则混凝土破坏准则从单参数到五参数模型达数十个模型,或借用古典强度理论或基于试验结果等,各个破坏准则的表达方式和繁简程度各异,适用范罔和计算精度差别也比较大,给使