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钢骨高强混凝土短柱轴压受力性能研究——十字形和L形截面

作　者: 宋宝峰
导　师: 徐亚丰
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 结构工程
关键词: 钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力延性性能有限元分析
分类号: TU398.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

传统的钢骨混凝土柱一般是矩形(方形)截面柱,在高层和超高层建筑中己经得到了大量应用。如将钢骨混凝土柱与钢筋混凝土异形柱相结合,即在钢筋混凝土异形柱中放入一定量的型钢就成为钢骨混凝土异形柱。钢骨混凝土异形柱与钢筋混凝土异形柱相比,在相同截面的条件下,因其含较多的型钢,可大大提高承载力和延性,它同时具备钢骨混凝土柱和钢筋混凝土异形柱的优点,能有效地扩大异形柱的应用范围。本文设计了一种新型实腹式钢骨混凝土异形柱,为进一步研究这种新型构件的力学性能,通过对3根十字形钢骨混凝土异形柱和1根十字形钢筋混凝土异形柱以及3根L形钢骨混凝土异形柱和1根L形钢筋混凝土异形柱进行轴心荷载下的试验研究。对不同含钢骨率情况下的异形柱构件的破坏机理、承载力及延性进行了对比分析,试验结果表明,随着含钢骨率的增大,构件的承载力及延性也相应增加。试验研究表明,在轴心荷载的作用下,从开始加载到混凝土开裂直至试件达到极限荷载,型钢与混凝土能保持协同工作,通过试验结果比较及理论分析,提出了十字形和L形钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力的计算公式,理论计算值与试验结果吻合较好。计算并比较了钢骨混凝土异形柱及钢筋混凝土异形柱试件的延性系数,并对钢骨混凝土异形柱及钢筋混凝土异形柱试件进行了ANSYS有限元分析,模拟结果与试验结果基本吻合。根据分析得出结论:钢骨混凝土异形柱与普通钢筋混凝土异形柱相比具有更高的承载力和更好的延性,这种新型实腹式钢骨混凝土异形柱可以在工程中推广使用。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 钢筋混凝土异形柱的概念和特点  10-11
  1.2 钢筋混凝土异形柱国内外的研究现状  11-13
  1.3 钢骨混凝土结构的概念和优点  13-14
  1.4 钢骨混凝土结构国内外的研究与应用现状  14-16
  1.5 钢骨混凝土异形柱的研究现状  16-18
    1.5.1 空腹式钢骨混凝土异形柱  16-18
    1.5.2 实腹式钢骨混凝土异形柱  18
  1.6 研究钢骨混凝土异形柱的意义  18-19
  1.7 本文主要内容  19-20
第二章钢骨混凝土异形柱轴心受压的试验研究  20-34
  2.1 试件概况  20-23
    2.1.1 试件设计  20-21
    2.1.2 试件制作  21-23
  2.2 材料力学性能试验检测  23
    2.2.1 钢板/钢筋的力学性能指标  23
    2.2.2 混凝土的力学性能指标  23
  2.3 试验设备与加载制度  23-28
    2.3.1 试验加载装置和位移计的布置  23-24
    2.3.2 加载制度  24
    2.3.3 应变片测点的布置  24-27
    2.3.4 主要测试内容  27
    2.3.5 数据采集流程  27-28
  2.4 十字形异形柱试验全过程分析  28-30
    2.4.1 试验现象简述  28-29
    2.4.2 破坏形态的对比分析  29
    2.4.3 荷载与横向变形的关系分析  29-30
    2.4.4 荷载与纵向变形的关系分析  30
  2.5 L 形异形柱试验全过程分析  30-33
    2.5.1 试验现象简述  30-32
    2.5.2 破坏形态的对比分析  32
    2.5.3 荷载与横向变形的关系分析  32
    2.5.4 荷载与纵向变形的关系分析  32-33
  2.6 对钢骨混凝土异形柱轴心受压性能的影响因素  33
  2.7 小结  33-34
第三章钢骨混凝土异形柱轴心受压的破坏机理  34-48
  3.1 十字形钢骨混凝土异形柱轴心受压的破坏机理  34-42
    3.1.1 截面上不同测点的应力状态的比较  34-38
      3.1.1.1 钢骨翼缘与腹板的应力比较  34
      3.1.1.2 不同位置纵筋的应力比较  34-35
      3.1.1.3 不同位置箍筋的应力比较  35-37
      3.1.1.4 不同位置混凝土的应力比较  37-38
    3.1.2 不同试件间应力状态的比较  38-39
      3.1.2.1 钢骨的应力状态  38
      3.1.2.2 纵筋的应力状态  38-39
      3.1.2.3 箍筋的应力状态  39
      3.1.2.4 混凝土的应力状态  39
    3.1.3 关于型钢与混凝土协同工作的分析  39-42
  3.2 L 形钢骨混凝土异形柱轴心受压的破坏机理  42-47
    3.2.1 截面上不同测点的应力状态的比较  42-45
      3.2.1.1 钢骨翼缘与腹板的应力比较  42
      3.2.1.2 不同位置纵筋的应力比较  42-43
      3.2.1.3 不同位置箍筋的应力比较  43-44
      3.2.1.4 不同位置混凝土的应力比较  44-45
    3.2.2 不同试件间应力状态的比较  45-47
      3.2.2.1 钢骨的应力状态  45
      3.2.2.2 纵筋的应力状态  45-46
      3.2.2.3 箍筋的应力状态  46
      3.2.2.4 混凝土的应力状态  46-47
  3.3 小结  47-48
第四章钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力的计算  48-56
  4.1 不同含钢骨率的钢骨混凝土异形柱承载力的对比分析  48-49
  4.2 钢筋混凝土异形柱轴心受压承载力的计算方法  49-50
  4.3 钢骨混凝土柱承载力的计算方法  50-51
  4.4 钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力计算公式的提出  51-55
    4.4.1 平截面假定的验算  51-52
    4.4.2 十字形钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力计算公式  52-53
    4.4.3 L 形钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力计算公式  53-55
  4.5 理论计算结果与试件实测结果的比较  55
  4.6 小结  55-56
第五章钢骨混凝土异形柱延性性能的研究  56-72
  5.1 延性的概念  56-59
    5.1.1 延性概念  56
    5.1.2 延性度量  56-58
    5.1.3 影响延性的因素  58-59
  5.2 十字形钢骨混凝土异形柱延性性能的研究  59-66
    5.2.1 从试件的受力破坏过程来分析  59
    5.2.2 从试件的荷载—位移曲线来分析  59-60
    5.2.3 从钢骨的荷载—应变曲线来分析  60
    5.2.4 箍筋对异形柱延性影响的研究  60-61
    5.2.5 从延性系数来分析  61-66
      5.2.5.1 几何作图法确定屈服变形Dy  61-62
      5.2.5.2 能量等值法确定屈服变形D  62-66
  5.3 L 形钢骨混凝土异形柱延性性能的研究  66-71
    5.3.1 从试件的受力破坏过程来分析  66-67
    5.3.2 从试件的荷载—位移曲线来分析  67
    5.3.3 从钢骨的荷载—应变曲线来分析  67-68
    5.3.4 箍筋对异形柱延性影响的研究  68
    5.3.5 从延性系数来分析(能量等值法确定屈服变形 D_y)  68-71
  5.4 小结  71-72
第六章应用ANSYS 进行有限元模拟  72-96
  6.1 有限元法基本理论  72-77
    6.1.1 有限元法综述  72-74
    6.1.2 塑性理论  74-76
    6.1.3 数值计算方法  76-77
  6.2 ANSYS 有限元建模基础  77-81
    6.2.1 混凝土与钢筋、型钢之间的组合模式  77-78
    6.2.2 单元类型的选取  78-80
    6.2.3 本构关系的选取  80-81
      6.2.3.1 混凝土的本构关系  80-81
      6.2.3.2 钢筋与型钢的本构关系  81
  6.3 有限元建模（前处理）  81-87
    6.3.1 定义单元类型、实常数和材料属性  82-83
      6.3.1.1 定义单元类型  82
      6.3.1.2 定义实常数  82
      6.3.1.3 定义材料属性  82-83
    6.3.2 建立全部节点  83-84
    6.3.3 建立纵向钢筋和箍筋单元(LINK8)  84-85
    6.3.4 建立型钢单元（SOLID45）  85-86
    6.3.5 建立混凝土单元（SOLID65）  86
    6.3.6 合并压缩  86-87
    6.3.7 荷载及边界条件  87
    6.3.8 求解  87
  6.4 有限元计算结果（后处理）  87-95
    6.4.1 十字形异形柱应力云图分析  87-90
    6.4.2 L 形异形柱应力云图分析  90-92
    6.4.3 十字形异形柱模拟的荷载—位移曲线  92-93
    6.4.4 L 形异形柱模拟的荷载—位移曲线  93-94
    6.4.5 承载力模拟结果与实测结果进行对比  94-95
  6.5 小结  95-96
第七章结论与展望  96-98
  7.1 主要结论  96-97
  7.2 展望  97-98
参考文献  98-101
作者简介  101-102
致谢  102

钢骨高强混凝土短柱轴压受力性能研究——十字形和L形截面

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