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西安建筑科技大学硕士论文钢管混凝土双肢柱改进型单腹板肩梁承载能力试验研究开题报告目 录第一章 绪论11.1 前言11.2 钢管混凝土柱肩梁的构造特点及工程应用21.3 钢管混凝土柱结构的研究现状51.3.1 国内研究现状51.3.2 国外研究现状61.4 本文研究的目的、内容、方法及意义71.4.1 研究目的71.4.2 研究内容81.4.3 研究方法91.4.4 研究意义9第二章 模型设计加工与试验方案的确定102.1 肩梁的原型调查102.2 试验模型的设计112.3 基础梁的设计与制作142.4 试验方案142.4.1 试验加载设备142.4.2 试验方案的确定162.4.3 试验观测设计17第三章 DJL-1，2、DJL-3，4试验结果及分析213.1 材性试验213.1.1 概述213.1.2 取材位置及尺寸213.1.3 试验结果223.1.4 材性试验总结223.1.5 灌浆料材性试验结果233.2 DJL-1试验过程和试验现象233.2.1 DJL-1试验现象小结243.2.2 DJL-1试验照片253.2.3 DJL-2与DJL-1的比较263.2.4 DJL-2试验照片263.3 DJL-1、DJL-2试验结果分析273.3.1 DJL-1，2荷载位移曲线分析273.3.2 屈服荷载和屈服位移的确定273.3.3 应变分析293.3.4 应变曲线343.3.5 破坏模式393.4 DJL-3试验过程和试验现象413.4.1 试验现象小结423.4.2 DJL-3试验照片433.4.3 DJL-4与DJL-3的试验结果比较433.4.4 DJL-4试验照片443.4.5 试验现象总结453.5 DJL-3、DJL-4试验结果分析453.5.1 DJL-3，4荷载位移曲线分析453.5.2 屈服荷载和屈服位移的确定453.5.3 应变分析453.5.4 应变曲线473.5.5 破坏模式52第四章 肩梁设计方法的比较554.1 DJL-1，2试验与设计方法的比较分析554.1.1 不考虑上、下翼缘作用，仅考虑肩梁腹板554.1.2 考虑肩梁上、下翼缘作用574.1.3 部分考虑翼缘作用584.2 DJL-3，4试验与设计方法的比较分析594.2.1 不考虑上、下翼缘作用，仅考虑肩梁腹板604.2.2 考虑上、下翼缘作用604.2.3 部分考虑翼缘作用614.3 小结62第五章 有限元分析与验证645.1 ANSYS有限元分析概述645.2 ANSYS有限元模型建立及分析过程645.2.1 钢材的本构关系及单元选择645.2.2 混凝土材料的本构关系及在ANSYS中单元的选择655.2.3 ANSYS模型的建立665.2.4 ANSYS有限元模型边界条件确定和荷载的施加675.3 ANSYS有限元分析结果685.3.1 荷载位移曲线685.3.2 DJL-1，2与DJL-3，4肩梁腹板的(Von mises)等效应力695.3.3 DJL-1，2与DJL-3，4肩梁腹板受压区的主压应变725.3.3 DJL-1，2与DJL-3，4腹板控制点的主压应变曲线735.4 本章小结74第六章 结论和建议756.1 本文结论756.1.1 荷载位移曲线及屈服荷载756.1.2 应变发展规律756.1.3 破坏模式766.1.4 与现行肩梁设计方法的对比766.2 设计建议766.3 后续工作77参考文献78致 谢81附录 硕士研究生学习阶段发表论文8261.选题依据1.1选题目的和意义钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用，充分发挥两种材料的优点，即不仅使混凝土的塑性和韧性性能大为改善，而且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而使钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便、较好的耐火性能和良好的灾后可修复性以及经济指标先进等优点，被广泛应用于单层和多层工业厂房、锅炉和高炉构件、地铁工程柱、各种支架、送变电构架和屋架上弦压杆等。近几年有关钢管混凝土方面的设计规程也相继颁布实行，其中包括国家建材局1990年颁布的钢管混凝土结构设计与施工规程（JCJ01-89）；中国工程建设标准协会于1991年颁布的钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS28-90）；能源部电力规划设计管理局于1992年颁布的火力发电厂主厂房钢-混凝土组合结构设计暂行规定（DLGJ 99-91）等。这些设计规程的颁布和实施对钢管混凝土在我国的推广应用起到了很好的推动作用12。1.2国内外研究现状在工业厂房中钢管混凝土柱一般为格构式柱，多为双肢柱，在一些重型工业厂房中，也有三肢柱或四肢柱，它们的肩梁具有不同的形式。图1.1为四肢柱肩梁的形式，图1.2为三肢柱肩梁的形式。肩梁按腹板数目可分为单腹板肩梁和双腹板肩梁。肩梁是连接上下柱的节点构件。上柱通常采用焊接H型截面，为便于与肩梁连接，一般将上柱翼缘开槽插入肩梁腹板，以保证受剪为主的肩梁腹板连续，而肩梁的上翼缘采用分块拼接的形式。下柱为钢管混凝土双肢柱或多肢柱时，肩梁与下柱通常有两种连接方式：一种是下柱主肢钢管开槽插入肩梁腹板，钢管直接伸至肩梁上翼缘下表面，并将混凝土也浇注至肩梁上翼缘处，这种构造可以有效传递吊车梁竖向荷载，有利于肩梁腹板的侧向稳定，增大肩梁节点刚度；另一种是下柱主肢只伸至肩梁下翼缘的下表面，而为了减小肩梁受压的局部变形，一般在肩梁的集中力作用处设置通长的竖向加劲板，以增大节点的刚度。在国内大型和重型工业钢结构厂房中，钢管混凝土组合柱得到了较广泛的应用，但钢管混凝土柱的形式和肩梁的构造有较大差异。宝钢三期工程主要采用了双肢钢管混凝土柱，1972年建成的本溪钢铁公司二炼钢轧辊钢锭模车间采用了四肢柱；1980年建成的太原钢铁公司第一轧钢厂第二小型厂的下柱采用双肢柱；1982年建成的吉林种籽处理车间采用了三肢柱；1980年建成的武昌造船厂船体结构车间采用了四肢柱。在宝钢三期的1580热轧、1420/1550冷轧及二炼钢连铸等工程中，首次大量采用了双肢钢管混凝土柱作为厂房柱，初步统计该类型的柱子约有1000多根。双肢钢管混凝土柱的形式为：下柱采用钢管混凝土柱作为主肢，中间用圆钢管作为斜腹杆连接，肩梁采用单腹板的形式，与下柱的连接采用上述的第一种方式，肩梁构造如图1.3所示，而吊车梁与肩梁的连接采用锚栓连接，锚栓埋置于下柱钢管混凝土中。宝钢“十五”规划项目中的1800冷轧项目厂房也大量采用了钢管混凝土双肢柱，肩梁形式为单腹板，但肩梁与下柱的连接采用了上述的第二种方式，肩梁构造如图1.4所示，吊车梁与肩梁采用螺栓连接。1.3结构选型及方案1998年，于安林教授、童根树教授对钢管混凝土双肢柱单腹板肩梁构造节点进行了试验研究和理论分析，主要结论为：上下翼缘与腹板共同参与工作，现行不考虑上下翼板的分析方法太偏安全，但正应力分布沿宽度方向不均匀，因此有必要寻找一个合适的设计方法。同时对钢管混凝土四肢柱人字形缀杆双腹板肩梁（见图1.1)和四肢柱单斜缀杆双腹板肩梁（见图1.7）的受力性能进行了研究，人字形缀杆的肩梁试件比单斜缀杆的肩梁试件承载力要高20%左右，但由于人字形缀杆轴力的反作用可能导致肩梁腹板过早发生挤压应力屈曲；最后对钢管混凝土柱肩梁的性能进行了总结，并提出了相应的建议69。杭州市城建设计院的金天德教授和浙江大学土木系的饶芝英高工也进行了钢管混凝土柱肩梁的弹性有限元应力分析。为研究不同构造形式对肩梁应力状态的影响，补充分析了两种不同构造下的应力分布：1）中间承载加劲肋向下延伸至下翼缘，并与下翼缘焊接，这一模型记为A；2）肩梁腹板不插入钢管，而是直接与钢管焊接，中间承载加劲肋通高，这个模型记为B。结论如下：腹板是否插入钢管对腹板的工作影响不大，但对节点区钢管的应力状态有相当影响，插入钢管的构造可改善钢管的应力分布，并减轻钢管与腹板的内侧角焊缝的负担10。参考文献1 韩林海. 我国钢管混凝土结构研究与应用的部分新进展J. 工业建筑，1995，25(1)：2-6.2 韩林海. 钢管混凝土结构的特点及发展J 工业建筑，1998，28(10)：1-5.3 董超，张继宏. 宝钢宽厚板轧机工程主厂房钢结构设计J 工业建筑，2007，37增刊：679-681.4 尹子峰，杨冶. 钢管混凝土结构在冶金重型工业厂房的应用J 钢结构，2002，2（17）：28-30.5 吴建林，姚永. 钢管混凝土组合柱在重钢结构工业厂房中的应用J 建筑钢结构进展，2003，5（3）：11-15.6 于安林，童根树. 钢管混凝土双肢柱单腹板肩梁的试验研究和理论分析J 工业建筑，1998，28（4）：24-26.7 沈祖炎，郑沂. 多肢柱肩梁刚度的分析J. 建筑结构，1999(7)：49-52.8 刘志才，兑关锁. 带肩梁多肢柱稳定分析J. 南京理工大学学报，2001，25(1)：40-43.9 J. Ding, Y.C. Wang,Realistic modelling of thermal and structural behaviour of unprotected concrete filled tubular columns in fireJJournal of Constructional Steel Research, 2008,64(10):1086-110210 Akihiko Kawano,Chiaki Matsui Cyclic Local Buckling and Fracture of Concrete Filled Tubular MembersD2. 研究方案2.1.设计的主要内容钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用，充分发挥两种材料的优点，即不仅使混凝土的塑性和韧性性能大为改善，而且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而使钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便、较好的耐火性能和良好的灾后可修复性以及经济指标先进等优点，被广泛应用于单层和多层工业厂房、锅炉和高炉构件、地铁工程柱、各种支架、送变电构架和屋架上弦压杆等。近几年有关钢管混凝土方面的设计规程也相继颁布实行，其中包括国家建材局1990年颁布的钢管混凝土结构设计与施工规程（JCJ01-89）；中国工程建设标准协会于1991年颁布的钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS28-90）；能源部电力规划设计管理局于1992年颁布的火力发电厂主厂房钢-混凝土组合结构设计暂行规定（DLGJ 99-91）等。这些设计规程的颁布和实施对钢管混凝土在我国的推广应用起到了很好的推动作用12。2.2设计目标在工业厂房中钢管混凝土柱一般为格构式柱，多为双肢柱，在一些重型工业厂房中，也有三肢柱或四肢柱，它们的肩梁具有不同的形式。图1.1为四肢柱肩梁的形式，图1.2为三肢柱肩梁的形式。肩梁按腹板数目可分为单腹板肩梁和双腹板肩梁。肩梁是连接上下柱的节点构件。上柱通常采用焊接H型截面，为便于与肩梁连接，一般将上柱翼缘开槽插入肩梁腹板，以保证受剪为主的肩梁腹板连续，而肩梁的上翼缘采用分块拼接的形式。下柱为钢管混凝土双肢柱或多肢柱时，肩梁与下柱通常有两种连接方式：一种是下柱主肢钢管开槽插入肩梁腹板，钢管直接伸至肩梁上翼缘下表面，并将混凝土也浇注至肩梁上翼缘处，这种构造可以有效传递吊车梁竖向荷载，有利于肩梁腹板的侧向稳定，增大肩梁节点刚度；另一种是下柱主肢只伸至肩梁下翼缘的下表面，而为了减小肩梁受压的局部变形，一般在肩梁的集中力作用处设置通长的竖向加劲板，以增大节点的刚度。在国内大型和重型工业钢结构厂房中，钢管混凝土组合柱得到了较广泛的应用，但钢管混凝土柱的形式和肩梁的构造有较大差异。宝钢三期工程主要采用了双肢钢管混凝土柱，1972年建成的本溪钢铁公司二炼钢轧辊钢锭模车间采用了四肢柱；1980年建成的太原钢铁公司第一轧钢厂第二小型厂的下柱采用双肢柱；1982年建成的吉林种籽处理车间采用了三肢柱；1980年建成的武昌造船厂船体结构车间采用了四肢柱。在宝钢三期的1580热轧、1420/1550冷轧及二炼钢连铸等工程中，首次大量采用了双肢钢管混凝土柱作为厂房柱，初步统计该类型的柱子约有1000多根。双肢钢管混凝土柱的形式为：下柱采用钢管混凝土柱作为主肢，中间用圆钢管作为斜腹杆连接，肩梁采用单腹板的形式，与下柱的连接采用上述的第一种方式，肩梁构造如图1.3所示，而吊车梁与肩梁的连接采用锚栓连接，锚栓埋置于下柱钢管混凝土中。宝钢“十五”规划项目中的1800冷轧项目厂房也大量采用了钢管混凝土双肢柱，肩梁形式为单腹板，但肩梁与下柱的连接采用了上述的第二种方式，肩梁构造如图1.4所示，吊车梁与肩梁采用螺栓连接。3. 实施方案和预期成果3.1实施方案钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用，充分发挥两种材料的优点，即不仅使混凝土的塑性和韧性性能大为改善，而且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而使钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便、较好的耐火性能和良好的灾后可修复性以及经济指标先进等优点，被广泛应用于单层和多层工业厂房、锅炉和高炉构件、地铁工程柱、各种支架、送变电构架和屋架上弦压杆等。近几年有关钢管混凝土方面的设计规程也相继颁布实行，其中包括国家建材局1990年颁布的钢管混凝土结构设计与施工规程（JCJ01-89）；中国工程建设标准协会于1991年颁布的钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS28-90）；能源部电力规划设计管理局于1992年颁布的火力发电厂主厂房钢-混凝土组合结构设计暂行规定（DLGJ 99-91）等。这些设计规程的颁布和实施对钢管混凝土在我国的推广应用起到了很好的推动作用12。3.2预期成果