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内置钢骨的组合L形钢管混凝土柱轴心受压力学性能研究

作　者: 宋鑫
导　师: 杜国锋
学　校: 长江大学
专　业: 防灾减灾工程与防护工程
关键词: 钢管混凝土钢骨混凝土组合柱异形柱有限元
分类号: TU398.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

异形结构体系在现实生活中已得到使用。它能有效的避免了梁柱出现棱角,满足了视觉美观需求,方便了生活设施的布置,提高了空间的使用率,以其自身特点深受人们的青睐。目前,异形结构体系中异形截面柱主要有钢筋混凝土异形截面柱,钢管混凝土异形截面柱,钢骨混凝土异形截面柱。本文在总结上述几种异形截面柱优缺点的基础上,提出了一种新的异形截面重载柱结构形式即内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土柱。通过试验分析和数值模拟相结合的方法对这种组合柱的轴压力学性能进行了较深入的研究,为研究其偏压力学性能,受弯力学性能等其它力学性能提供基础,为编制相应规范提供依据。考虑配箍率、配骨率等参数的影响,设计制作12个内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土短柱及3个未置钢骨的组合L形截面钢管混凝土短柱两类试件；通过轴心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-纵向应变曲线和极限承载力,分析各参数对试件轴心受压力学性能的影响,并对比两类组合柱轴压性能的差异。参考国内外相关规范的计算条文,提出内置钢骨的组合L形钢管混凝土柱轴心受压强度承载力计算公式。试验结果表明,在整个加载过程中,内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土短柱的矩形钢管和U钢管部分均匀受力,变形协调,能很好地协同工作,没有出现连接焊缝开裂现象;试件为局部屈曲型破坏,内置的钢骨能够有效的避免混凝土剪切破坏的产生；典型的内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土短柱荷载-平均纵向应变包括四个部分弹性工作阶段,弹塑性工作阶段,强化阶段以及平稳下降阶段；随着配骨指标和配箍指标的增加,试件极限承载力也逐渐增大,极限承载力增加的速率没有随配骨指标和配箍指标的增加而增大。内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土短柱的轴压极限承载力明显大于未内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土短柱。在总结钢管混凝土柱,钢骨混凝土以及钢骨-钢管混凝土短柱轴压承载力公式的基础上提出的轴心受压强度承载力计算公式与实测值吻合较好。试验标明,内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土柱承载力高、受力性能好,适于高层建筑应用；配箍率和配骨率增大可以明显提高试件极限承载力；所提出的承载力计算公式可供工程设计参考。为了研究该组合柱的轴压稳定性能,以内置钢骨的L形截面钢管混凝土中长柱为研究对象,考虑配箍率,配骨率,长细比等参数的影响,设计制作了17根内置钢骨的L形截面钢管混凝土柱试件,研究的长细比λ范围从14.7-50.3,配箍指标θ范围从1.0-1.7,配骨指标p范围从0.46～0.83；通过轴心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-平均纵向应变曲线(N-ε1),荷载-扰度曲线(N-δ),转角以及极限抗压承载力,分析各参数对试件轴心受压力学性能的影响。在试验研究的基础上,参考国内外相关规范的计算条文,提出内置钢骨的L形截面钢管混凝土柱轴心受压稳定性承载力的实用计算公式。试验结果标明,在本文所研究的长细比范围内,在试件达到极限承载力之前,所有试件均没有出现明显的挠度和变形,均呈现局部曲屈型破坏；典型的荷载-平均纵向应变曲线仍然分为四个工作阶段,但是随着长细比的不同,第四阶段(平稳下降阶段)有所缩短；极限承载力随配骨率和配箍率增大而提高,各试件承载力在达到峰值以后,承载力基本没有出现BC阶段的快速下降段,而是基本保持水平稳定,并且在较大的纵向变形过程中均能保持稳定,没有出现剧烈下降的现象。随着长细比增加,极限承载力在减小,但是后期承载力没有急剧下降,仍有较好的延性。在本文所研究的长细比范围内,试件的转角很小；达到极限承载力之前试件挠度较小,达到极限承载力以后挠度有所增长。试件挠度方向并不是单一方向增大的,而是随承载力增长到一定值以后方向增长。本文所提出的稳定承载力计算公式计算得的稳定承载力值Npcal与试验测得的值Nuexp之比,平均值为1.05,方差为0.043,比较结果表明,按本文所提公式计算值与试验值吻合良好,且偏于安全。采用大型有限元软件ANSYS10.0对试验构件进行了数值模拟,在模型建立过程中考虑了钢管与混凝土之间的接触作用,分析了试件截面应力云图,破坏形态,荷载-位移曲线并与试验结果进行了对比分析,结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合较好。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-11
第1章绪论  11-21
  1.1 选题背景及意义  11-13
  1.2 异形结构的研究现状  13-17
  1.3 钢骨-钢管混凝土柱研究现状  17-20
  1.4 本文主要研究内容  20-21
第2章内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土短柱轴压力学性能研究  21-36
  2.1 前言  21
  2.2 试验概况  21-24
  2.3 试验现象及破坏形态  24-26
  2.4 试件荷载—平均纵向应变分析  26-27
  2.5 轴压力学性能影响因素分析  27-31
  2.6 组合柱轴压极限承载力计算  31-36
第3章内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土长柱轴心受压力学性能研究  36-50
  3.1 前言  36
  3.2 试验概况  36-40
  3.3 试验现象及破坏形态  40-41
  3.4 荷载-平均纵向应变率曲线分析  41-43
  3.5 荷载-挠度曲线分析  43-45
  3.6 参数分析  45-47
  3.7 试件扭转分析  47-48
  3.8 组合柱轴压稳定承载力计算  48-50
第4章内置钢骨的组合L形截面钢管混凝土柱轴心受压有限元分析  50-62
  4.1 前言  50
  4.2 材料的本构模型  50-53
  4.3 有限元模型建立  53-58
  4.4 有限元结果与试验结果对比分析  58-62
第5章结论与展望  62-65
  5.1 结论  62-63
  5.2 展望  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-70
个人简介  70-71

内置钢骨的组合L形钢管混凝土柱轴心受压力学性能研究

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