（工程力学专业论文）钢管混凝土格构柱力学性能数值计算的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 钢管混凝土格构柱力学性能数值计算的研究 摘要 钢管混凝土格构柱是由钢管混凝土柱肢和缀件组合而成的钢管混凝 土柱状构件。钢管混凝土格构式肋拱桥已成为钢管混凝土拱桥中的一种主 要桥型，这种结构在单层或多层工业厂房以及变电架等结构中广泛应用。 本论文着眼于钢管混凝土格构的整体空间结构用有限元法对其力学 性能进行分析，尤其是其动力性能的分析。本人使用微软f o r t r a ns t a t i o n4 0 编译软件自行编制了钢管混凝土格构柱空间有限元分析程序，并嵌入到用 v b 编制的界面里。整个程序具备前处理、有限元分析本体程序和后处理 的功能。只要输入控制数据就可以自动生成网格，并且可以通a u t o c a d 自动绘出结构图及变形图。利用形成的数据文件，本程序内核能计算任何 形式的平面和空间杆系结构。 本人在深入分析的基础上选择了的钢管混凝土统一理论确定的本构 关系，认为它能充分反映钢管混凝土这种材料的优越性。在静力分析中， 分别用统一理论及叠加原理对不同类型的钢管结构和钢管混凝土格构柱 进行了受力计算；在动力分析中考虑了几何非线性，并采用了收敛性比较 好的w i l s o no 法及三角分解法进行求解。在稳定分析中，探讨了求解最 小特征值的方法。 文中分别对钢管混凝土格构柱依据统一理论及叠加原理下的静力和 动力计算结果进行了分析比较，得出一些有益的结论。 关键词：钢管混凝土格构柱有限元法统一理论叠加原理 东北大学硕士学位论史 a b s t r a c t a n a l y s i so f s t r u c t u r eb e h a v i o ro f c f s tl a t t i c ec o l u m n s b y f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a bs t r a c t c o n c r e t ef i l l e ds t e e l t u b u l a r ( c f s i ) l a t t i c e c o l u m n sa r et h ec o l u m n c o m p o n e n t sb e i n gc o m p o s e db yc f s t l a t t i c ec o l u m n sa n dl a c eb a r s c f s t l a t t i c ea r c hr i ba r c hb r i d g e sh a v eb e e nam a i nb r i d g ep a t t e r no fc f s ta r c h b r i d g e s i t h a sb e e nw i d e l y a p p l i e d t o s i n g l e s t o r yf a c t o r y ，m u l t i s t o r i e d f a c t o r yb u i l d i n g ，t r a n s f o r m e rt o w e r a n do t h e re n g i n e e r i n g t h i sp a p e rp a y sm u c ha t t e n t i o nt oa n a l y s i so ft h es p a c es t r u c t u r eb e h a v i o r o fc f s tl a t t i c ec o l u m n sb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，e s p e c i a l l yt h ea n a l y s i so f d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h ea u t h o rd e v e l o p st h ea n a l y s i sp r o g r a mo fs p a t i a l f i n i t ee l e m e n tt h r o u g ht h es o f t w a r eo fm sf o r t r a ns t a t i o n4 0a n de m b e di n t h ei n t e r f a c eo fb e i n gd e v e l o p e dt h r o u g hv bl a n g u a g e t h ep r o g r a mh a st h e f u n c t i o n so fp r e p r o c e s s ，f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o na n dp o s t - p r o c e s s m e s h e s c o u l db ef o r m e da u t o m a t i c a l l ya f t e rc o n t r o ld a t ah a sb e e ni n p u t t e d t h e s t r u c t u r a ld r a w i n ga n dd e f o r m e dd r a w i n gc o u l db ed r a w na u t o m a t i c a l l yb y s o f t w a r eo fa u t o c a d a l s ot h ep r o g r a mc o u l dc a l c u l a t ea n yp l a n eo rs p a c e r o ds y s t e m t h ea u t h o rc h o i c e sm o d u l u sb e i n gd e f i n e db yc f s tu n i f i e dp r i n c i p l e t h e a u t h o rt h i n k si tc o u l dr e f l e c tt h es u p e r i o r i t y d u r i n gt h es t a t i ca n a l y s i s ，t h i s p a p e rh a sc a r r i e d o u tt h ec a l c u l a t i o no fv a r i o u sc f s t1 a t t i c ec o l u m n sa n d s t e e lt u b es t r u c t u r e sa c c o r d i n gt ou n i f i e dp r i n c i p l ea n ds u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e d u r i n gt h ed y n a m i ca n a l y s i s ，t h ea u t h o r c o n s i d e r sg e o m e t r i cn o n l i n e a ra n d a d o p t st h e w i l s o n 一0m e t h o dw i t hg o o dc o n v e r g e n c e a n d t r i a n g l e s o l u t i o n d u r i n g t h e s t a b i l i t ya n a l y s i s ，t h e a u t h o r d i s c u s s e st h el e a s t c h a r a c t e r i s t i c v a l u em e t h o d t h i sp a p e rh a sc a r r i e do u tt h ea n a l y s i so fs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fc f s tl a t t i c ec o l u m n sa c c o r d i n gt o u n i f i e dp r i n c i p l ea n d s u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e t h r o u g h c o n t r a s t s ，s o m e c o n c l u s i o n sh a v e b e e n a c h i e v e da b o u tt h i sp a p e r k e y w o r d s ：c f s tl a t t i c ec o l u m n s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，u n i f i e dp r i n c i p l e ， s u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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。 本人签名： 日期： j 砬 2 o bj 2 冲 东北大学硕士学位论文 第一章前言 第一章前言 1 1 钢管混凝土及格构柱简介 钢管混凝土就是由混凝土填入薄壁钢管而形成的组合结构材料。其基 本原理是借助钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压 状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。 钢管砼按截面形状可分为方钢管砼、圆钢管砼和多边形钢管砼。它利 用钢管和砼两种材料在受力过程相互之间的组合作用，充分地发挥了这两 种材料的优点，使砼的塑性和韧性大为改善，且可以避免或延缓钢管发生 局部屈曲，使钢管砼燕体具有承载力高、塑性和韧性好、经济效益优良和 施工方便等优点。 钢管混凝土的复合材料特性比较接近于钢材，而塑性和韧性还胜过钢 结构。它特别适合用作轴心受压构件及小偏心受压构件。偏心较大时，可 用二肢、三肢、四肢等多肢组成的格构构件1 3 1 】。 m 睁薯 占) d 图1 1 格构柱形式 f i g 1 1t h et y p eo fl a t t i c ec o l u m n s 东北走学硕士学位论文第一章前言 1 1 1 钢管混凝土概述 钢管砼虽由两种材料组合而成，但对构件而言，它可被视为一种新材 料，即所谓的“组合材料”( 不再区分钢管和砼) 4 0 1 。而且钢管砼构件在 不同荷载组合作用下的性能变化是连续的和统一的；钢管砼构件的性能随 几何参数，如含钢率、长细比和空心率等的改变是连续的和统一的；钢管 砼构件的性能随着物理参数，如钢材和砼的强度等的变化是连续的和统一 的：钢管砼构件的性能随其截面形状，如圆形、多边形、八边形、六边形 和正方形等的改变也是连续的和统一的。上一世纪中期，钢管砼结构在世 界上已开始采用并取得了良好的社会效益和经济效益，而当时我国还处于 缓慢的初级研究阶段。本论文介绍的内容专指圆钢管混凝土结构。 1 1 ，1 1 钢管砼结构的特点 2 0 0 1 年9 月1 1 日【42 1 ，美国纽约世界贸易中心大厦遭恐怖分子驾飞 机冲击，约o 5h 后，大厦整体崩塌毁坏，造成数千人死亡，损失极为惨 重。该大楼为全钢结构，虽有防火涂料保护钢柱，但经受不了这一突发 的意外事故。民航客机载有几十吨航空汽油，闯入建筑物中，立即燃起 熊熊大火，火势席卷数层房屋，温度将超过摄氏千度。 如果是钢筋混凝土柱，在此高温作用下，混凝土保护层也必爆裂脱 落，内部钢筋在高温火的作用下，强度也必很快下降为0 ，同样，整个 结构也可能倒塌。如果是钢管混凝土柱，有防火保护层；与钢柱一样， 首先防火保护层破坏、脱落；钢管温度也会很快升至5 0 0 6 0 0 。c 而失去 承载力，但却保持为固体，保护混凝土。因此，在这种突发事件中，钢 管混凝土柱的破坏程度要低于钢柱和钢筋混凝土柱，耐火时间也较长， 有可能不发生整体崩溃。以上只是宏观现象的推测，有关问题尚需进行 深入分析和论证。总之钢管混凝土在高层建筑中具有7 ”l 如下特点： 1 抗压、抗扭和抗剪性能好，承载力高。钢管混凝土柱的抗扭和抗剪 性能都很好，延性大，强度高。建筑物的一些边柱和角柱，在地震 作用下，将同时承受轴心压力、弯矩、扭矩和剪力作用。对于钢管 东北大学硕士学位论文第一章前言 混凝土柱来说，在复杂应力作用下的承载力很高，且塑性和延性好， 安全而可靠； 2 抗震性能优越，延性好。用于高层建筑中时，控制柱子长细比，可 不限制轴压比。而长细比的控制在高层建筑中通常极易做到。钢管 混凝土耐撞击的能力，比钢结构和钢筋混凝土结构都强： 3 可有效地防止高强混凝土的脆性破坏，能充分利用高强混凝土的承 载力： 4 所用钢板厚度小。取材容易，价格低，不必进口钢材，且制造和安 装都大为方便； 5 耐火性能优于钢结构。钢管混凝土由于管内存在混凝土，可以吸收 热量，因而耐火时间比钢柱要长。钢管混凝土的耐火性能虽不如钢 筋混凝土好，但比钢结构要强。钢管混凝土耐腐蚀性能和钢结构相 似，但腐蚀面积减小一半。所用的防火涂料比钢柱要少，造价也有 所降低。 总之，在高层建筑中，采用钢管混凝土结构可节约材料，降低柱子造 价，减轻柱子自重，减小截面尺寸，增加有效使用空间，减轻基础负担， 还减小了地簇反应，由此取得了降低造价的效果。同时更增加了综合经济 效益。 我们还要了解钢管混凝土构件的材料特点：钢管混凝土组合材料是钢 管内填混凝土，在一般正常工作状态下，两种不同力学性能的材料产生相 互增强的作用力，即紧箍力，来协调工作。钢材在弹性工作阶段，泊松比 ，变化很小，在o 2 5 o 3 之间，可认为是常数，取。= o 2 8 3 ：而混凝 的泊松比。受力过程中是不断变化的，由低应力状态下的0 1 6 7 左右逐渐 增大到0 5 ，当接近破坏阶段时，由于混凝土内部纵向微裂缝的发展，以 将超过o ，5 。对于钢管混凝土而言，在轴力作用下，敝逐渐增大，并且迅 速地超过钢材的泊松比，。当t ，= 儿时，钢管和混凝土的径向变形一致， 相互间没有任何作用力：当t ； 段时，相互间是粘结力。 混凝土在三向压应力作用下，其工作性能发生了质的变化，不但提高了承 载力，还增大了极限压缩应变；在轴心压力作用下，薄壁钢管的承载力是 东北大学硕士学位论文 第一章前言 极不稳定的，实验证明，实际承载力往往是理论计算值的1 3 l5 ，当在管 内浇筑混凝土，并达到一定强度后，钢管保护了混凝土，约束其径向变形， 使它处于三向受力状态，延缓了受压时的纵向开裂，而混凝土又保证了薄 壁钢管的局部稳定，从而提高了钢管混凝土构件的承载力。因此，钢管混 凝土作为一种组合材料具有独特的工作特性：弹性工作而塑性破坏，承载力 高而极限压缩变形大，其应力应变关系接近于钢材的性能【3 1 ，5 4 l 。 图i 2 钢管混凝土受力示意图 f i g 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc f s ts t r u c t u r eb e h a v i o r 同时，核心混凝土在钢管的约束下，改善了其弹性性质，破坏时产生 很大的变形。试验表明，钢管混凝土柱破坏时可以压缩到原长的2 3 ，整 个构件呈现塑性破坏的特征，所以这种构件在承受冲击和振动荷载时，具 有很好的变形能力和变形后的恢复能力，由这种构件组成的结构体系就具 有较好的动力性能，在地震荷载和风荷载作用下，表现良好的稳定性。再 者，钢管混凝土有利于采用高强度材料，近年来高强混凝土的应用越来越 广泛，但是，混凝土强度越高，其脆性破坏越严重，这就限制了高强混凝 土的应用，只有在三向受力状态下，才能防止混凝土的脆性爆裂，而钢管 混凝土就有这样的优点。 1 1 12 钢管混凝土的研究 前苏联在五、六十年代对钢管混凝土结构进行了大量的研究44 1 ，并在 一些土建工程中进行了应用。在欧洲，如英国、德国和法国等国家，主要 研究方钢管混凝土、圆钢管混凝土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。在设计规范方面，美国的 4 东北大学硕士学位论文第一章前言 “a c l 3 18 6 5 ”中列入了轴心受压钢管混凝土柱的计算公式。在美国，以 研究方钢管混凝土和圆钢管混凝土为主，核心混凝土为素混凝土，设计规 程主要有：a c l3 1 9 8 9 ，s s l c ( 1 9 7 9 ) 和l r f d ( 1 9 9 4 ) ；在日本，主要研究方 钢管混凝土、圆钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构，核心混凝土为素混凝 土或配筋混凝土，日本建筑学会在1 9 6 7 年的年会上制定了钢管混凝土 构件设计规范，并在1 9 8 0 年作了修订，目前的设计规程主要有：a i j ( 1 9 8 0 ， 1 9 9 7 ) ；澳大利亚和加拿大等国学者尚对薄壁钢管混凝士结构进行了系统深 入的研究，目前正在编制自己的设计规程。此外，原欧洲经济共同体的 “e u r oc o d e ”、英国的“b s 5 4 0 0 ”和德国的“d i n l8 8 0 6 ”也都列入了 钢一混凝土柱的设计内容。 在我国，钢管混凝土的研究始于1 9 5 9 年。1 9 6 3 年将其成功应用于北 京地铁工程。随后，钢管混凝土的研究和应用都得到了空前的发展。在理 论研究方面，7 0 年代末8 0 年代初，用压溃理论确定轴心受压构件和偏心 受压构件的稳定承载力；8 0 年代，得到了混凝土和钢管在轴心受压时的多 轴应力状态下的本构关系，采用有限元法求解各种荷载条件下的构件性能 曲线。9 0 年代，采用内时理论来描述混凝土在复杂应力状态下的本构关系， 更全面地解决了运用有限元求解钢管混凝土在各种荷载条件下的工作性 能曲线，提出了钢管混凝土的统一设计理论。这些理论集中体现在一批具 有代表性的专著中，例如：钟善桐的钢管混凝土结构、蔡少怀的钢 管混凝土结构和蒋家奋、汤关祚的三向应力混凝土。与此同时，依 据这些理论，各行业制定了一些相应的设计规程：国家建筑材料工业局颁 发了钢管混凝土结构设计与施工规程( j c j 0 1 8 9 ) ；中国工程建设标准 化协会颁发了钢管混凝土结构设计与施工规程( c e c s - - 9 0 ) ：能源部电 力规划局颁发了火力发电厂主厂房钢一混凝土组合结构设计暂行规定 ( d l g j 9 9 - - 9 1 ) ；辽宁省电力设计院1 9 9 2 年制定的送电线路空钢管混凝 土结构设计技术规定( l d g j s 1 1 9 2 ) 。这些专著和设计规范的出现不 但奠定了我国在这一领域的学术地位。而且对我国的组合结构的发展、对 于钢管混凝土在桥梁工程中的应用起了极大的推动作用。 在这一阶段，我国在钢管混凝土结构的理论方面做了系统全面的研 究，逐步地完成了基本构件的特性、动力性能、结构体系、节点性能和构 东北大学硕士学位论文 第一章前言 造以及防火性能等的分析、试验和研究工作，并完成和提出了统一理论和 统一设计公式，使钢管混凝土结构成为一个完整的新学科，为进一步提高 和发展创造了必要的条件。 1 1 1 3 钢管砼结构的应用 钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有百年历史。18 7 9 年英国赛文 ( s e v e r n ) 铁路桥采用了钢管混凝土桥墩，但其当时在钢管内灌混凝仅 仅是为了防锈。钢管混凝土优越的力学性能和施工性能，一开始就受到美 欧各国土木工程界的重视，竟相开发利用 4 h 。 6 0 年代后期，由于现代高强、高性能混凝土技术和泵灌混凝土技术的 迅速发展，给钢管混凝土结构技术的发展增添了新的活力，在欧、美、澳 的一些桥梁工程和高层建筑工程中，钢管高强混凝土技术悄然兴起，收到 良好的效果。 钢管混凝土结构技术在我国开发利用已有近4 0 年的历史。它在我国 的应用和发展历经了两个阶段：6 0 年代至8 0 年代中期为推广应用阶段，第 一个采用钢管混凝土的工程是北京地铁l 号线，在北京站和前门站的站台 中采用了圆钢管混凝柱。由于承载力高，柱截面比钢筋混凝土柱截面小 很多，增加了有效使用空间，取得了良好的经济效果。随后北京地铁2 号 线( 环线) 工程中的全部站台柱均采用了钢管混凝土柱。 8 0 年代后期至今为发展提高阶段。在前一阶段推广应用的基础上，从 8 0 年代中期开始，钢管混凝土结构在我国的应用和研究进入了发展和提高 阶段。采用钢管混凝土的高层建筑已超出3 0 座，采用钢管混凝土的拱桥 则有二、三百座之多，成绩显著，目前还在继续发展中。 最近1 0 年，时逢盛世，国家经济迅猛发展，钢管高强混凝土结构技术 在我国的高层建筑工程和大跨度桥梁工程中得到卓有成效的应用，有国行 推动了上述领域营造技术的发展取得了令人瞩目的成就，而钢管高强混 凝土结构技术自身也在上述工程实践中得到了新的发展。尽管我国已是钢 管砼结构应用最广泛的国家。但从国内来说，其应用还远远不够。究其原 因，主要有： 东北大学硕士学位论文 第一章前言 1 习惯势力对它不了解，又不愿深入了解； 2 当前一些制度也不利于推广新技术新结构，如设计费按造价取，推广 新技术降低了造价不但无奖励，且降低了设计费； 3 强调造价，不考虑综合经济效益等。 综上所述，在我国钢管混凝土结构的应用和发展已经处于领先地位。 由于它的突出优点更适合我国的国情，可以预期，在新千年中必将进一步 成为我国建设事业中不可忽视的一种结构形式。 1 1 2 钢管混凝土格构柱简介 钢管混凝土格构柱是指由钢管混凝土柱肢和缀件组成的结构；其中缀 件可以是钢结构也可以是钢管混凝土结构，广义上讲单肢柱也属于格构 柱，也在本论文研究之列。在露天塔架结构中，圆形杆件的暴露面积最小， 阻风面积也最小。圆钢管混凝土柱的强度，在任意方向都是相等的。这用 于抵抗方向不确定的地震作用，是很有效的，不论文所研究的钢管混凝土 格构柱肢是由圆钢管混凝土柱组成的。 钢管混凝土格构柱是钢管混凝土的应用，它完全体现了钢管混凝土的 特点和优势。钢管混凝土的应用，一定意义上讲就是钢管混凝土柱的应用。 1 1 2 1 钢管混凝土格构柱的应用 由于钢管混凝土格构柱结构本身的特点1 4 3 1 ，该类结构宜用作轴心受压 或偏心较小的受压柱，偏心较大时可改用多根柱肢组成的格构柱。由钢管 混凝土制成的钢管混凝土格构柱在国内外也得到了一定程度的应用。现在 国内各有关部门开始应用和推广这种结构，包括单层和多层工业厂房、锅 炉和高炉构架以及送变电构架等。应用较多的是冶金工业、电力工业、造 船工业及一些机械制造工业。目前，钢管混凝土格构柱在工程中正得到广 泛的应用。 1 单层和多层工业厂房柱 和钢筋混凝土柱及普通柱相比，钢管混凝土组合柱显得特别轻巧，因 而被广泛地用作厂房柱。我国是这类结构应用最多的国家。例如，1 9 7 2 年 东北大学硕士学位论文 第一章前言 建成的本溪钢铁公司第二炼轧钢锭模车间，1 9 8 2 年建成的武昌造船厂船体 结构车间等均采用一厂钢管混凝土结构式柱大连造船厂船体装配车间， 1 9 8 3 年建成，边柱采用钢管混凝士三肢组合柱：1 9 8 5 年竣工的太原钢铁 公司二炼钢铸钢车间，采用钢管混凝土三肢组合柱；1 9 9 0 年建成的沈阳市 沈海热电厂，柱子边跨采用钢管混凝土三肢柱；1 9 8 3 年建成的湖北荆门热 电厂，锅炉构架采用钢管混凝土双肢柱的框架体系。 2 设备构架柱 钢管混凝土结构被作为各种设计构架的柱子用于工程中。例如，1 9 7 8 年建成的首钢二号高炉构架，19 7 9 年建成的首钢四一号高炉构架及19 8 2 年建成的湖北热电厂锅炉构架等。 3 地铁站台柱 地下铁道的站台柱承受的压力很大，采用钢管混凝土柱时，可以获得 很好的经济效果，不但承载力离，而且柱截面也可减小，从而扩大了使用 空间。例如，北京地铁北京站和前门站及环线工程中所有的站台柱都采用 了这种结构。上海地铁和一些地下公共工程中也普遍采用了钢管混凝土 柱。 4 送变电杆塔 跨距大的高压输电杼塔或微波塔，都可采用钢管混凝土构件作立柱， 从而取得了良好的经济效果。例如，1 9 8 0 年松蚊2 2 0 k v 线路中的终端采 图1 32 2 0 k v 瓯江大跨越过江塔 f i g 1 32 2 0 k vo nj i a n gl a r g es p a nt o w e r 用了钢管混凝土柱，1 9 8 6 年在沿葛洲坝水电站输出线路上及繁昌变电所 5 0 0 k v 变电构架柱中都广泛采用了钢管混凝土格构柱。吉林省松蛟线路 2 2 0 k v 终端塔是我国第一个采用钢管混凝土a 型柱的送电塔架如图1 3 所 东北大学硕士学位论文第一章前言 示为全高15 9 米的瓯江大跨越过江塔，全高15 9 米。 5 高层建筑 在高层建筑中采用钢管混凝土柱是十分合理的。因柱子所受荷载大， 且采用泵送顶升混凝土的施工方法时，施工十分便捷而迅速，在美、日、 澳大利亚等国己得到较为广泛的应用。在我国，典型的工程实例有广州好 世界广场，天滓今晚报大厦和深圳赛格广场大厦等。 6 拱桥结构 拱桥结构主要承受轴向压力，当跨度很大时，采用钢管混凝土是十分 合理的。钢管混凝土被用作拱桥梁的承压构件，在施工时空钢管不但具有 模板和钢筋的功能，还具有加工成型后，空钢管骨架刚度大、承载能力高、 重量轻的优点。这些优点与桥梁转体施工工艺结合，可以解决转体重量和 转体结构的强度、刚度这一矛盾。钢管混凝土拱桥的结构形式有板拱、肋 拱、桁拱、箱拱、桁架拱、刚架拱。截面形式有单圆形、哑铃形、多肢桁 式、横哑铃形桁式和箱肋形等。 以上工程实践表明，钢管高强混凝土既是一种高强、高性能结构材料， 也是一种高效施工技术。现代高强、高性能混凝土技术和泵送混凝土技术 的发展，给已有百年历史的钢管混凝土结构技术注入了新的活力。这三种 混凝土技术的结合，将会对新世纪土建工程的技术进步产生深远的影响。 钢管混凝土格构作为钢管混凝土结构的典型代表，正广泛应用于我国的工 业、民用建设项目中。 1 1 2 2 钢管混凝土格构柱的研究 目前在格构柱设计上：有关剪力的规定，是按照我国钢结构设计规 范套用的。由于钢管混凝土为组合结构，故将钢结构设计规范中的应力 表达改为极限承载力表达。仿照钢结构设计规范的作法，格构柱的整 体承载能力随长细比和偏心率的增长而下降的规律，如单肢柱那样，采用 双系数乘积公式表达式。以往国内一些单位，在设计钢管混凝土格构柱时， 基本上借用钢结构设计规范中计算钢格构柱的公式和方法，其根本缺 点是没有反映钢管混凝土柱肢的抗压强度和抗拉强度有重大差异这一特 东北大学硕士学位论文第一章前言 点。因而在某些场合，特别是荷载偏心较大时，会得出偏于不安全的结果。 现在国内外大多的动力分析都是针对钢管混凝土柱来做的，分析其在 循环荷载作用下的弯矩一曲率关系曲线，更主要的是集中于对钢管混凝土 压弯构件在水平荷载作用下，水平力和侧向位移之间的滞回性能的实验研 究。对钢管混凝土格构柱的研究本身很少，对其进行动力分析的程序就更 少，设计中只按钢结构规范对其进行变形计算。但因钢管混凝土格构柱主 要是单层和多层工业厂房、锅炉和高炉构架以及送变电构架等承受动力荷 载的地方，甚至于要考虑地震力的作用。 i 1 2 钢管混凝土动力学研究概况 对于钢管混凝土构件的研究存在各种不同的方法，其区别在于如何估 算钢管和核心混凝土之间相互约束而产生的效应。这种效应的存在构成了 钢管混凝土构件的固有特性，从而导致其力学性能的复杂性。研究者们从 不同的角度对上述问题进行了研究，由于对钢管和混凝土之间约束效应理 解不同，因而估计的准确程度也会有所不同，所获计算方法和计算结果也 就会有所出入。但无论采用哪种办法，都有其合理性的一面，其目的都是 为了寻找钢管混凝土合理的设计方法。 研究钢管混凝土的动力性能，就是研究其在动力荷载作用下的强度、 刚度和延性。国内外的研究者已对钢管混凝土构件在反复荷载作用下的力 学性能进行了大量的理论分析和试验研究，同时也开展了对钢管混凝土结 构动力性能的研究，并提出了用于弹塑性动力反应分析的构件恢复力模 犁。 1 2 1 钢管混凝土动力性能研究的试验类型 结构抗震试验1 48 j 的目的在于验证抗震计算方法、计算理论和所采用的 力学模型的正确性，主要有三种类型拟静力试验、拟动力试验及模拟地震 振动台试验。模拟地震振动台试验能最直接、最真实地反映结构物的振动 性能与破坏状态，但大型振动台的承载力有限，难以进行大尺寸模型或足 尺结构的试验研究，并且振动时间很短，无法进行细致的观测和记录；另 外两种试验在静力试验台上进行，易于操作实施。 东北大学硕士学位论文第一章前言 1 2 2 钢管混凝土动力性能研究中的计算理论和方法 现代结构工程学科由理论、试验和计算三级构成1 4 8 1 ，而理论是用来指 导试验和计算的。对钢管混凝土单个构件的计算理论，般认为主要有两 种：一种是套箍混凝土理论；另一种是钢管混凝土统一理论。 套箍混凝土理论认为：钢管混凝土构件中钢管的作用与套箍混凝土中 螺旋箍筋的作用相同，只起环向约束的作用，而不直接承受纵向力，并在 计算公式中考虑这种约束效应提出一个与材料强度和几何尺寸等参数有 关的混凝土强度提高系数，由于圆钢管可以对核心混凝土提供环向均匀约 束，约束效应明显，而方形或矩形钢管只在角部提供较大约束，约束效果 明显不如圆钢管，故分别乘以不同的强度提高系数，以该理论指导的钢管 混凝土构件的设计公式出现在许多国家的设计规程中。 哈尔滨建筑大学在合理确定钢材和核心混凝土本构关系模型的基础 上，利用数值分析方法对钢管混凝土构件的力学性能进行了全过程分析， 提出了统一理论，他们认为：虽然钢管混凝土是由两种材料组成，但在宏 观上可视其为一种“组合材料”，用整个构件的力学性能指标和形常数来 计算其承载力，计算结果与试验结果吻合良好。 由于钢管混凝土是由钢和混凝土两种材料组成。而两种材料的力学性 能又存在着很大差异，导致计算也变得十分复杂。有限单元法通过合理的 单元划分，可以很好地解决两种材料之间的差异，获得令人满意的计算结 果。 到目前为止，国内外研究者对钢管混凝土结构和构件的动力性能已进 行了大量的理论分析和试验研究，但其中也存在着一定的不足。对钢管混 凝土压弯构件，研究者主要通过试验获得构件水平力与侧移之间的滞回曲 线，经回归分析后，提出计算位移延性系数的经验公式，这些公式并无理 论依据，只适用于试验采用的试件情况，没有普遍意义。对钢管混凝土梁 柱节点所进行的试验很少研究的范围也只限于工程中常用的几种节点形 式，试验结果也只适用于试验采用的节点情况，国外虽- 开发了钢管混凝土 节点的计算程序，但也处于初步探讨阶段，还需完善。哈尔滨建筑大学曾 对一高层钢管混凝土结构模型进行试验，并用有限元程序对其进行了计 算，评价了该体系的抗震性能，但结论能否应用到其它的钢管混凝土结构， 还需进行必要的钢管混凝土结构抗震性能试验，做进一步的研究。 虽然有诸多的不足存在，但对钢管混凝土动力性能的研究己取得了重 东北大学硕士学位论文 第一章前言 大突破，相信随着研究的进一步深入，钢管混凝土的动力性能将最终被人 们掌握。 1 3 本论文的主要内容和工作 鉴于钢管混凝土格构柱研究上的不足之处，本人觉得有必要对其在动 在作用下的变形性能进行非线性分析。数值研究的必要性：现在国内外对 钢管混凝土的研究正逐步深入，但大多数仅限于单肢柱，而对多肢柱的研 究甚少，虽然近年来这种结构正越来越广泛的应用于厂房，输电塔，高层 建筑等结构中但大多数的结构是按钢结构或钢筋混凝土结构的设计规范 来设计的。因而有必要进行更进一步的研究，但钢管混凝土格构柱进行试 验很困难：一是经费问题，进行这种结构的试验需要大量投入人力；二是 缩小的比例模型很难模拟实际情况。 数值实验是通过数值计算来代替某些试验得出一些结论，以供参考； 数值模拟通过数值计算来实现试验过程以达到与实验结果相符，本论文采 用数值模拟来研究这种结构，以期能对这种结构的研究有所贡献，并希望 可以为以后的研究提供可供参考的结论和程序。本论文对钢管混凝土格构 柱从整体上进行了全面的力学性能研究，包括静力、动力、稳定。 2 3 1 编程工具 本论文在编写过程中用到a u t o c a d2 0 0 2 ，f o r t r a np o w e r s t a t i o n4 0 v i s u a lb a s i c6 0 等如下开发工具。 1 3 1 1c a d 图形系统及其与高级语言的接口 a u t o c a d 荣登全球绘图软件的龙头宝座，主要是因为它具有开放的体 系结构。它允许用户和开发者采用高级编程语言对其进行扩充和修改，即 二次开发，能最大限度地满足用户的特殊要求59 1 。a u t o c a d 第一版于1 9 8 2 年1 1 月由a u t o d e s k 公司推出，目前大家广泛使用的是a u t o c a dr 1 4 ， 最新版本是a u t o c a d2 0 0 2 。 东北大学硕士学位论文第一章前言 图2 2a u t o c a d2 0 0 2 界面 f i g 2 2t h ei n t e r f a c eo fa u t o c a d2 0 0 2 所谓数据转换接口，实际上是一种能够实现两个以上系统间信息交换 的程序或方法。数据转换接口的核心内容就是由其中个系统( 文件) 读 出信息，将信息写入另一个系统( 文件) 。图形处理模块是c a d 系统最基 本的模块，是整个c a d 系统显示、编辑和输出设计结果的环境。而高级 语言在数值计算、数值分析方面有着无可比拟的优势。当我们要把已经完 成的图形文件作进一步处理时，如对零件进行体积、重量或优化设计等计 算时，那么，图形系统与高级语言的接口将是问题解决的关键，也就是说， 我们必须把图形系统产生的图形文件转换为一种图形系统和高级语言都 能识别的文件格式。根据是否通过中性文件，我们把这种接口的方法分为 两类：间接型接口，直接型接口。 1 间接型接口 间接型接口实际上由两部分组成：第一部分接口实现图形系统二进 制码图形文件与以a s c i i 码形式存放的国际标准化图形文件( 如i g e s 文件或d x f 文件) 之间的相互转换：第二部分接口实现国际标准化图 形文件与高级语言图形信息的相互转换。 东北大学硕士学位论文第一章前言 2 直接型接口 直接型接口实际上是高级语言对结构复杂的二进制码图形文件进行 的读写操作，该方法要求作者具有很高的文件处理能力，能够正确分 析图形文件的数据结构。由于系统图形文件的数据格式般是保密的， 文件又是以二进制码的形式存放，分析起来非常困难。由于不同的图 形系统存放图形文件的格式不一样，因此接口的可移植性也差。但是 直接型接口较之间接型接口具有转换步骤少，转换时间短，转换实时 性好等优点。由于d x f 文件与i g e s 文件是大多数图形系统所支持的， 而几乎所有的高级语言都能对a s c1 1 码文件进行读写操作，因此，上 述介绍的间接型接口方法具有通用性。 3 生成自动绘图命令文件( t s c r ) 在a u t o c a d 中，还可以利用s c r 文件作为中性文件，由高级语言 编程直接生成s c r 文件，在a u t o c a d 中运行s c r 文件绘制图形。 a u t o c a d 提供的s c r 文件是一种绘图命令集文件，类似操作系统中的 批处理文件。可以执行某一预定任务的命令和参数序列。它也是一种 a s c i i 码文件，在a u t o c a d 中用“s c r i p t ”命令从指定的s c r 文件 中读出命令组，并执行。s c r 文件格式为每一a u t o c a d 命令占一行， 命令与参数用空格隔开，并严格遵循a u t o c a d 命令应答格式。例如用 命令文件画出边长为一个单位的正方形，然后加以擦除工作，可以编 辑生成一名为t e s t s c r 命令文件来完成。 l i n e ，1 0 1 0 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 ，1 0 1 0 ，1 0 ( 画出正方形) e r a s el ( 擦除) 在a u t o c a d 环境中，键入s c r i p t 命令，如： c o m m a n d ：s c r i p t s c r i p tf i l e ( d e f a u l t )( s c r 文件名 ) ：t e s t 此时，t e s t s c r 文件中的命令序列得到执行，绘出图形，可以看出， 在a u t o c a d 中，当需要将计算后的数据生成图形，采用高级语言直接建 立s c r 文件较之建立d x f 文件或i g e s 文件更为简洁易懂。因此本论文 采用f o r t r a n 语言直接建立s c r 文件的方法建模。 1 3 1 2f o r t r a n 语言简介 f o r t r a n ( 5 7 , 5 6 是目前国际上广泛流行的一种高级语言，适用于科学计 算。它是为科学、工程问题中的那些能够用数学公式表达的问题而设计的 东北大学硕士学位论文 第一章前言 语言，主要用于数值计算。这种语言简单易学，因为可以像抄写数学教科 书里的公式一样书写数学公式，它比英文书写的自然语言更接近数学语 言。f o r t r a n 语言是第一个真正推广的高级语言。至今它已有四十多年历史， 但仍历久不衰，始终是数值计算领域所使用的主要语言。f o r t r a n 语言问世 以来根据需要几经发展，先后推出形成了很多版本。 f o r t r a n 9 0 不仅仅是将已有的语言进行标准化，更重要的是发展了 f o r t r a n 语言，吸取了一些其他语言的优点。所以，虽然f o r t r a n 语言历史 悠久，但仍在日新月异地发展。 f o r t r a n 9 0 并没有删去任何f o r t r a n 7 7 的功能，而只是将某些功能看成 是将要摒弃的。在新编的程序中，应尽量避免使用过时的f 7 7 语句或功能。 f o r t r a n 9 0 9 5 是具有强烈现代特色的语言，总结了现代软件的要求与算法 应用的发展，增加了许多现代特征的新概念、新功能、新结构、新形式。 f o r t r a n 9 0 的现代特性表现在： 图2 4 f o r t r a np o w e r s t a t i o n4 0 界面 f i g 2 4t h ei n t e r f a c eo ff o r t r a np o w e r s t a t i o n4 0 加强了程序的可读性、可维护性：淘汰所有转移语句，用新的控制结 构实现选择分叉与重复操作，使程序结构化。同时增加了结构块、模块及 过程的调用灵活形式，使程序易读易维护，新的模块装配取代了f o r t r a n 7 7 的许多旧语句，使程序员更为清晰明确地定义全局数据。增加了新的数据 东北大学硕士学位论文第一章前言 种别说明，使得f o r t r a n 程序在不同计算机编译环境下有更自由的移植性。 发展了现代算法功能：加强了数组的算法功能，引进了多种数组操作 功能与概念，使数组像个变量一样自由操作，使数组的并行化运算成为 可能。增加了适于操作数据结构的派生类型，提高了文字处理功能，胜任 信息管理系统、办公自动化的任务。特别是动态存储功能的引进极大地加 强了它在数值计算领域中应用的威力。 扩大与编程者的友好界面：新的编程形式减少了烦琐与格式束缚，接 近自然语言与公式演算。允许在字符数据中选取不同种别，在字符串中可 使用各国文字( 例如汉字) ，还可任意使用化学、物理、数学的各种专业 字符。本论文使用f o r t r a np o w e r s t a t i o n4 0 版本编制了计算部分程序。 1 3 1 3v i s u a lb a s i c6 0 简介 v b 6 0 全称为v i s u a lb a s i c6 0 t 6 0 j ，是微软公司推出的可视化编程工具 m s d n 之一，是目前世界上使用最广泛的程序开发工具。 如果一个对编 程一无所知，而又迫切希望掌握一种快捷实用的编程语言的初学者，那选 择v b6 0 没错的。 它的快捷的开发速度，简单易学的语法，体贴便利的 开发环境，不愧为一款优秀的编程工具，是初学者的首选。v b 的语法的 和q b a s i c 语言是基本相同的，也就是说它的语法容易被初学者所接受。 图2 5v b 界面 f i g 2 5t h ei n t e r f a c eo fv b 的。另外v b 提供的是可视化的开发环境，我们可以像搭积木一样构建出 东北大学硕士学位论文 第一章前言 程序的界面。而且v b 提供了丰富的控件组，省去了我们自己写代码实现 这些效果的麻烦，这样我们就能把更多的精力放在程序功能的实现上，所 以v b 学起来简单，用起来方便。 1 3 2 研究任务 1 通过调研和查阅文献了解钢管混凝土结构数值计算方法的现状与发 展； 2研究分析钢管混凝土结构静力学问题； 3 研究分析钢管混凝土结构动力学问题； 4 对稳定问题进行探讨： 5 开发相关程序及设计用户界面： 6 分析计算结果。 1 3 3 研究方法 1 以有限元为工具进行理论分析： 2 依据由哈尔滨工业大学提出的并在国内外得到广泛认可的“统一理论” 建模。采用空间梁、杆单元： 3 按时间步长进行逐步积分，来分析结构在动载作用下的线性，几何非 线性反应。 1 3 4 研究模型及研究步骤 本论文以空间梁单元的有限元分析为基础，并紧紧结合钢管混凝土的 受力特点，利用钢管混凝土的本构关系，计算钢管混凝土格构柱在动载作 用下的反应，并编制计算程序。本研究仅对圆形截面的钢管混凝土格构柱 进行静力分析以及动力分析。 1 建立合理的力学模型，进行合理的假定。对钢管混凝土这种特殊材料的 本构关系建立合理的模型； 2 编制进行动静力分析的程序； 3 验证程序并利用所编的程序对钢管混凝土格构柱进行动静力分析，得出 分析结果，并进行总结，