（工程力学专业论文）钢骨钢管混凝土受压构件力学特性数值分析研究.pdf

i j - g 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 本课题研究背景”2 1 2 1 钢骨混凝土结构的研究现状及应用2 1 2 2 钢管混凝土结构的研究现状及应用6 1 2 3 钢管混凝土组合柱的研究现状及应用9 1 2 4 钢骨钢管混凝土组合柱的提出1 1 1 3 选题的依据及本文的主要研究工作1 2 1 3 1 选题依据一1 2 1 3 2 本文的主要研究工作1 2 第二章有限元方法基本理论和a n s y s 计算程序简介1 3 2 1 有限元法介绍13 2 1 1 概j 苤13 2 1 2 有限元的常用术语1 3 2 1 3 有限元法分析问题的基本步骤1 5 2 2 大型有限元程序a n s y s 介绍17 2 2 1a n s y s 程序的特点1 7 2 2 2 a n s y s 程序中分析问题的基本过程1 8 2 2 3a n s y s 程序中的非线性问题2 0 2 2 4a n s y s 程序中非线性方程组的求解方法2 4 2 3 小结2 6 东北大学硕士学位论文目录 第三章钢骨一钢管混凝土组合柱有限元模型的建立2 5 3 1 概述2 8 3 2 单元类型的选取和各材料的模拟2 9 3 2 1 单元类型的选取2 9 3 2 2 混凝土材料的模拟3 0 3 2 3 箍筋、钢骨、钢管和盖板的模拟3 9 3 3 单元相关参数的确定4 1 3 3 1 混凝土单元的相关参数4 1 3 3 2 箍筋、钢骨、钢管和盖板单元的相关参数4 1 3 4 模型的建立4 2 3 5 小结4 6 第四章钢骨一钢管混凝土组合柱轴心受压力学性能的数值 仿真分析4 7 4 1 试验概述4 7 4 2 钢骨一钢管混凝土组合柱正截面承载力的理论计算4 9 4 2 1 钢管混凝土轴心受压承载力的计算公式4 9 4 2 2 钢骨一钢管混凝土组合柱轴心受压承载力计算公式5 1 4 2 3 叠加法计算钢骨一钢管混凝土组合柱轴压承载力的算例5 2 4 3 钢骨一钢管混凝土组合柱的数值仿真分析5 3 4 3 1 极限承载力分析”5 3 4 3 2 荷载与位移关系分析5 4 4 3 3 荷载与应变关系分析”5 5 4 3 4 应力分析”6 0 4 4 钢骨一钢管混凝土组合柱几何参数对其承载力的影响6 7 4 4 1 箍筋间距对组合柱轴心受压承载力的影响6 8 4 4 2 钢管直径对组合柱轴心受压承载力的影响6 9 4 5 小结6 9 第五章钢骨一钢管混凝土组合柱偏心受压力学性能的数值 蒂 j 东北大学硕士学位论文目录 仿真分析7 l 5 1 试验概述7 1 5 2 钢骨一钢管混凝土组合柱正截面承载力的理论计算7 2 5 2 1s r c 构件正截面承载力设计方法7 3 5 2 2 钢骨一钢管混凝土组合柱正截面承载力计算方法7 3 5 3 钢骨一钢管混凝土组合柱的数值仿真分析7 9 5 3 1 极限承载力分析”7 9 5 3 2 荷载与位移关系分析8 0 5 3 3 荷载与应变关系分析”81 5 3 4 应力分析8 5 5 4 钢骨一钢管混凝土组合柱几何参数对其承载力的影响9 3 5 4 1 箍筋间距对组合柱偏心受压承载力的影响9 3 5 4 2 钢管直径对组合柱偏心受压承载力的影响“9 4 5 5 小结9 4 第六章轴压和偏压力学性能的比较以及组合柱工作机理的 分析9 5 6 1 轴心受压和偏心受压力学性能的比较9 5 6 1 1 极限承载力的比较”9 5 6 1 2 荷载一位移曲线比较9 6 6 1 3 应力分布比较9 6 6 2 钢骨一钢管混凝土组合短柱的工作机理浅析9 8 第七章结论与展望1 0 1 7 1 结论1 0 1 7 2 展望10 1 参考文献1 0 2 致谢”1 0 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀了匕 钢一混凝土组合结构是土木工程结构中继钢结构和钢筋混凝土结构之后兴 起的一种新型结构。主要包括外包混凝土组合结构，又称钢骨混凝土结构或劲性 混凝土结构和内灌混凝土组合结构，即钢管混凝土结构。 由于钢一混凝土组合结构具有抗震性能好、施工方便及充分发挥材料性能等 特点，目前在欧美、日本等国家得到了广泛应用。据统计，在1 9 8 1 年至1 9 8 5 年间，日本建造的1 0 1 5 层的高层建筑中，采用钢骨混凝土结构的建筑物幢数约 占总幢数的9 0 ，在1 6 层以上的超高层建筑中，则占5 0 左右。八十年代以来 我国也开展了这方面的研究和应用，并且取得了可喜的成果。 在钢骨混凝土柱中，钢骨被包裹在混凝土中，提高了柱子的抗剪能力，混凝 土则增加了钢骨的刚度和抗局部以及整体的屈曲能力，同时也提高了钢材的耐久 性和柱子的耐火性能。钢骨混凝土组合柱的缺点是混凝土浇注需要模板，同时需 配置箍筋以防止混凝土的剥落，对于钢管混凝土柱则无需模板和箍筋。钢管内混 凝土的存在避免了钢管向内凹曲，钢管亦对混凝土提供有效的横向约束，这种连 续的约束提高了混凝土的延性，尤其是对于高强混凝土，但钢管混凝土柱的耐腐 蚀和耐火性能相对于钢骨混凝上差。 基于以上对钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱的研究，从提高柱子的承载力、延 性、耐腐蚀和耐火性能、减小柱截面尺寸以及使内外混凝土更好的共同工作等角 度出发，东北大学徐亚丰提出了一种重载柱设计的新模式，即钢骨一钢管混凝土 组合柱【1 , 4 2 - 4 6 。这种组合柱是在空腹式钢骨混凝土柱和钢管混凝土组合柱( 或核 心柱) 的基础上演变和发展起来的一种新型结构形式。该结构中，钢骨和钢管分 别对混凝土提供约束作用，从而使其极限承载能力得到大幅度提高，延性和塑性 性能得到较大的改善。 本文通过a n s y s 软件，着重研究了钢骨一钢管混凝土组合短柱在轴心受压 和偏心受压情况下的力学性能。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 本课题研究背景 1 2 1 钢骨混凝土结构的研究现状及应用 1 2 1 1 钢骨混凝土结构简介【l 2 】 钢骨混凝土结构( s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e 简称s r c ) 是指在钢筋混凝土内 部配置钢骨的结构。这种结构在各国有不同的名称，在英国、美国等西方国家将 这种结构叫做混凝土包钢结构( s t e e le n c a s e dc o n c r e t e ) ；在日本则称为钢骨混凝 土；在前苏联则被称作劲性钢筋混凝土。后两个名称我国也沿用过【3 】。建设部2 0 0 1 年1 0 月2 3 日发布的型钢混凝土组合结构技术规程( j g j1 3 8 2 0 0 1 ) 则将改种 结构称作型钢混凝土组合结构【4 】。 钢骨混凝土结构中所配置的钢骨形式有多种，主要有格构式钢骨、h 型钢骨、 十字型钢骨、圆钢管等。 钢骨可分为实腹式( 图1 1 ( a ) ) 和空腹式( 图1 1 ( b ) ) 。 ( a ) 实腹式( b ) 空腹式 图1 1 型钢混凝土柱截面形式 f i g 1 1s e c t i o nf o r m o fs r cc o l u m n 实腹式可由型钢或钢板焊成；空腹式则由缀板、缀条连接角钢、槽钢组成。 实腹式钢骨混凝土柱比较普遍的是在柱中设置十字型钢的方式，这种结构形式虽 然能提高结构的延性和承载力，但是由于钢骨混凝土柱大多处于偏心受压状态， 因此在实腹式的钢骨混凝土中有一部分钢骨未能屈服，材料强度得不到充分发 挥；空腹式钢骨混凝土柱的钢骨一般由大角钢( 可以焊接而成) 经过水平和斜向 缀板焊接而成整体，当钢骨设置于混凝土外边缘或靠近外边缘时，即成为外包钢 骨混凝土柱，此时柱中也可不设置钢筋。空腹式钢骨比较节约钢材，但制作费用 较高，抗震性能相对于实腹式钢骨较差。 1 2 1 2 钢骨混凝土结构特点【1 】 钢骨混凝土结构中，钢骨和混凝土共同作用，可以充分发挥两种材料的优点。 与钢结构相比，钢骨混凝土具有如下优点： 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 良好的耐久性和耐火性：钢骨外包裹的混凝土具有抵抗有害介质侵蚀， 防止钢材锈蚀等作用；同时，钢骨外混凝土的保护层厚度，也决定结构构件的耐 火性能比钢结构要好。 ( 2 ) 节约钢材：由于以混凝土和钢骨共同承担荷载，使钢骨混凝土成为节 约钢材的一个重要手段。 ( 3 ) 受力性能好：普通的钢结构构件常具有受压失稳的弱点，而钢骨混凝 土结构构件内的钢骨因周围混凝土的约束，钢骨受压失稳的弱点得到了克服。 钢骨混凝土结构与钢筋混凝土结构相比，优越性体现在以下几方面： ( 1 ) 截面小，承载力高：随着建筑物高度和跨度的增加，柱的轴向压力设 计值越来越大，为了满足轴压比限值的要求，钢筋混凝土柱的截面尺寸必然很大， 形成“胖柱”。采用钢骨混凝土柱后，由于钢骨的配置，可以提高柱的承载力， 进而减少柱截面大小。 ( 2 ) 抗震性能好：钢骨混凝土柱的延性明显比钢筋混凝土柱的延性好。由 于钢骨混凝土柱在达到最大承载力后，钢骨的强化使得承载力下降平缓，从而提 高混凝土的变形能力。 ( 3 ) 改善混凝土性能：在大跨、高耸、重载结构中，高强混凝土由于耐性 好、强度高、变形小而广泛采用。采用钢骨混凝土柱，特别是圆钢管作为钢骨的 混凝土柱，由于钢管对内芯混凝土的约束作用，可以显著提高混凝土延性和承载 力，使得高强混凝土的优点能充分发挥。 ( 4 ) 施工方便：钢骨混凝土柱中的钢骨，能够承担一部分的施工荷载，可 作为施工时的支架结构，加快施工速度。 1 2 1 3 钢骨混凝土的理论发展i l j 钢骨混凝土的研究始于2 0 世纪初的欧美，至今已有近1 0 0 年的历史。1 9 0 4 年在英国，设计人员为了满足钢结构的防火要求，在钢材表面包裹一层混凝土， 形成包钢结构( s t e e le n c a s e dc o n c r e t e ) ，是s r c 柱的雏形1 5 j ，包钢结构的计算参 照钢结构设计。1 9 0 8 年b u r r 完成了空腹式钢骨混凝土柱的试验，发现型钢在外 包了混凝土后强度和刚度大大提高，取得了许多成果【6 - 9 。 b u r r 后的三十多年中，欧美学者的研究工作形成了早期的钢骨混凝土柱设计 方法，称为c a s e s t r u t 法( 4 4 9 - 1 9 5 9 ) ，但这种设计方法较为保守。从1 9 6 0 年 起，英国开始改进组合柱设计方法的研究，做了一系列试验，以此为基础形成了 英国规范b 5 5 4 0 0 p a r t 5 ( 1 9 7 9 ) 。1 9 8 1 年德国制定了d i n1 8 8 0 6 的第一部分， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 形成了s r c 柱设计草案，1 9 8 4 年形成了正式版本。1 9 8 5 年英、德、法、荷兰四 国共同制定了欧洲组合结构设计规范e u r oc o d e s ，此规范假定型钢与混凝土完全 交互作用，构成截面仅有一个对称轴，将型钢和混凝土均按照矩形应力块理论考 虑，采用极限强度设计方法进行设计。 1 9 7 9 年美国由s s l c 提出了基于纯型钢的允许应力设计方法；1 9 8 9 年的美 国混凝土规范a c i 3 1 8 中将型钢视为等值的钢筋，然后再以钢筋混凝土结构的设 计方法进行s r c 构件的设计；1 9 9 3 年， 极限强度的设计方法来设计s r c 结构， 钢结构设计规范a i s c l r f d 则采用了 将钢筋混凝土部分转换为等值型钢，按 照钢结构的设计方法进行设计；1 9 9 4 年n e h r p ( n a t i o n a le a r t h q u a k eh a z a r d s r e d u c t i o np r o g r a m ) 建筑业抗震设计规范的建议草案中设置了专章讨论组合结构 的设计，综合了a c i 与a i s c l r f d 设计方法，并增加了组合结构的设计内型1 0 】。 日本是一个多震的国家，客观条件促使其在建筑中采用抗震性能较好的钢骨 混凝土结构形式，对于钢骨混凝土结构的应用与研究也最多【l 卜1 6 】。早在1 9 0 5 年， 白石直野设计的和田东京仓库的柱就采用了钢骨混凝土柱。1 9 2 1 年东京建成了 高3 0 m 的日本兴业银行，就是日本典型的全钢骨混凝土结构，在1 9 2 3 年的东京 大地震中表现出良好的抗震性能。从此，钢骨混凝土结构被大量采用，1 9 5 1 年 开始对s r c 结构进行系统研究，1 9 5 8 年制定了钢骨混凝土结构设计标准， 经过1 9 6 3 年、1 9 7 5 年和1 9 8 1 年的三次修订，1 9 8 7 年日本建筑学会出版了s r c 结构设计规范第三版，形成了较为完整的设计理论和方法。日本标准以“强度叠 加法 作为理论基础，没有考虑钢骨与混凝土之间的相互作用，设计偏于保守。 前苏联由于高层建筑的发展，也对钢骨混凝土结构进行了较为广泛的研究。 1 9 4 9 年建筑科学技术研究所编制了多层房屋劲性钢筋混凝土暂行设计技术条 件( b t y 0 3 - 4 9 ) ，1 9 5 1 年苏联电力工业部出版了劲性钢筋混凝土设计规范， 一 1 9 7 8 年制定并颁布了劲性钢筋混凝土结构设计指南1 1 7 1 。 我国对于钢骨混凝土结构的应用开始于2 0 世纪5 0 年代初期【1 4 , 1 5 , 1 8 】，刚开始 由前苏联设计我国施工的钢骨混凝土结构，后来陆续出现我国设计人员按照前苏 联规范自行设计的钢骨混凝土结构。6 0 ，7 0 年代钢骨混凝土结构在我国应用较 少。8 0 年代以后，随着我国高层建筑的发展，钢骨混凝土结构越来越受到工程 界人士的重视。冶金部建筑研究总院率先进行了钢骨混凝土轴压短柱、偏压短柱、 偏压长柱和钢骨混凝土梁的试验研究。随后，西南交通大学进行了钢骨混凝土柱 与基础锚固试验和钢骨混凝土框架的拟动力试验。西安建筑科技大学进行了钢骨 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 混凝土梁的振动台试验和梁柱节点的试验研究。除此之外，中国建筑科学研究院、 清华大学、同济大学、东南大学等单位先后对各种形式的钢骨混凝土构件进行了 试验研究。在这些研究成果的基础上，1 9 9 8 年冶金部建筑设计研究院主编并颁 发了行业标准钢骨混凝土结构设计规程( y b 9 0 8 2 9 7 ) 1 9 】。2 0 0 1 年，中华人 民共和国建设部又颁布了行业标准型钢混凝土组合结构技术规程( j g j 1 3 8 2 0 0 1 ) ，并于2 0 0 2 年1 月1 日实施【4 j 。 1 2 1 4 钢骨混凝土结构的工程应用【堆o j 由于钢骨混凝土良好的力学性能，以及经济及建筑事业的发展，钢骨混凝土 结构已经日趋广泛地在世界范围内采用。尤其是对于一些多地震国家，对钢骨混 凝土结构情有独钟。 近几十年来，日本是对钢骨混凝土结构应用较多地国家。日本经历了关东大 地震、十胜冲大地震和宫城县冲大地震，诸多钢骨混凝土建筑经受住了考验，钢 骨混凝土结构充分展示了它优良的抗震性能。2 0 世纪3 0 年代至6 0 年代，日本 的钢骨混凝土以空腹式配钢为主，7 0 年代以来以实腹式配钢为主要形式。据统 计，1 9 8 1 年至1 9 8 5 年日本建造的多高层建筑中，六层以上的建筑，钢骨混凝土 结构房屋数量占总数的4 5 2 ，建筑面积占总面积的6 2 8 ；1 0 1 5 层的高层 建筑中，钢骨混凝土结构的数量为9 0 ；即使以钢结构为主体的高层建筑，其 底部几层也多采用钢骨混凝土结构。 在美国，钢骨混凝土结构应用的代表性工程有：达拉斯第一国际大厦，7 2 层高，钢骨混凝土框架结构；休斯顿第一城市大楼，4 9 层，2 0 7 m 高；休斯顿得 克斯商业中心大厦，7 9 层，3 0 5 m 高，均采用钢骨混凝土外框架一钢骨混凝土内 筒结构；休斯顿海湾大楼，5 2 层，2 2 1 m 高，采用钢骨混凝土柱一钢梁框架结构。 在其它地区得代表性工程有：香港中银大厦，7 2 层，3 6 3 m 高，下部为钢骨混凝 土结构，上部为钢结构；悉尼恺特斯中心，1 9 8 m 高，采用钢筋混凝土内筒，钢 骨混凝土刚性悬挂内部楼层，钢骨混凝土外柱结构；新加坡财政部大楼，5 5 层， 2 4 2 m 高，钢骨混凝土核心筒结构。前苏联在二战后的恢复建设时期大量地在工 业厂房及桥梁设计中采用钢骨混凝土结构，并相应出版了“设计指南 。 我国从5 0 年代开始应用钢骨混凝土结构，主要在工业厂房方面。8 0 年代后 较多地应用在高层和超高层建筑以及大跨结构中：北京的国际贸易中心大厦、北 京香格里拉饭店、北京长富宫饭店、上海的金茂大厦、瑞金大厦、深圳的鸿昌大 厦、国家大剧院、在建的上海环球金融中心等部分或者全部采用了钢骨混凝土结 东北大学硕士学位论文第一章绪论 构。图1 2 为h 形钢骨混凝土柱在国家大剧院中的应用【6 2 1 。随着我国社会与经济 的发展，钢骨混凝土在我国的应用将越来越广泛。 梁主筋上铁 涵堑 3 5 幽3 ， 小牛腿尺寸 拉结板 小牛腿焊接 坡口焊 矿捕板 图1 2 国家大剧院梁柱节点示意图( h 型钢) f i g 1 2s k e t c hm a po f b e a m - c o l u m n j o i n to f t h es t a t et h e a t e r ( hs e c t i o n ) 1 2 2 钢管混凝土结构的研究现状及应用 1 2 2 1 钢管混凝土结构简介口1 】 钢管混凝土即在钢管内填充混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的组 合结构。管内一般只填充素混凝土，不再配钢筋，只有在承受的压力过大或压力 过小而弯矩却很大的情况下，才会在管内配置纵向钢筋和箍筋。钢管混凝土根据 截面形式的不同，可分为方形钢管混凝土、圆形钢管混凝土和多边形钢管混凝土 ( 如图1 3 ) ，其中矩形钢管混凝土和圆形钢管混凝土应用较为广泛。 ， ( a ) 方形( b ) 圆形 ( c ) 多边形 图1 3 钢管混凝土柱的截面形式 f i g 1 3s e c t i o nf o r mo fs t e e lc o r gc o n c r e t ec o l u m n 6 吲 东北大学硕士学位论文第一章绪论 钢管混凝土是在钢骨混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构及钢管结构的基础上 演变和发展起来的一种新结构。它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相 互制约作用，即钢管对混凝土变形的约束，使混凝土处于复杂应力状态之下，从 而使混凝土强度、塑性以及韧性性能大为改观。同时，由于混凝土的变形，使钢 管亦处于复杂应力状态。通过二者的组合，充分发挥两种材料的优点，使其受力 性能优于两种材料性能的简单叠加。 。 1 2 2 2 钢管混凝土结构的特点【2 0 】 钢管混凝土结构由于其受力性能及结构特点使其具有以下的优点： ( 1 ) 受力合理，能充分发挥混凝土与钢材的特长，从而使构件的承载能力 大大提高。对混凝土来说，由于钢管的约束，改变了受力性能，变单向受压为三 向受压，使混凝土抗压强度大大提高。对钢管来说，管内填充的混凝土大大提高 了钢管的侧向刚度，保证了钢管的局部稳定。 ( 2 ) 具有良好的塑性和抗震性能。钢管对核心混凝土的套箍作用，能有效 的克服高强混凝土的脆性。此外，这种结构具有良好的抗疲劳、耐冲压的性能。 ( 3 ) 施工简单，缩短工期。钢管本身就是模板，因此比钢筋混凝土构件省 去了模板。钢管本身既是纵筋又是箍筋，这样便省去了模板的制作安装工作。钢 管的制作比钢筋骨架的制作安装也简单，并且钢管本身在施工阶段即可作为承重 骨架，可以节省脚手架。 ( 4 ) 获得了很好的经济效果。与钢结构相比，节约了大量钢材。根据多项 工程统计，钢管混凝土大约能节省钢材5 0 ；与钢筋混凝土结构相比，大约可 减少混凝土量的一半，而用钢量大致相当。这样随之带来的优越性是构件自身大 大减轻、构件断面大大减小，减小了结构占地面积，节省了大量木材，降低了费 用。 1 2 2 3 钢管混凝土结构的理论发展【1 , 2 1 , 2 2 】 钢管混凝土结构的出现和应用已有百年历史。最早的钢管混凝土工程是 1 8 7 9 年英国的赛文铁路桥的钢管桥墩，当时在钢管内灌筑混凝土主要是为了防 止锈蚀。1 8 9 7 年美国人j o h nl a l l y 在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱 且获得专利。钢管混凝土由于具有一系列优越的力学性能，引起了广大科研工作 者们的注意，纷纷开展了对其工作性能和承载力的研究，早期从事这方面的研究 工作者包括有前苏联和欧美国家。 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 世纪3 0 年代末期，前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1 0 1 m 跨度的下乘式公路拱桥。与此同时，前苏联开展了钢管混凝 土基本力学性能的试验研究，a a g v o z d e v 教授提出了钢管套箍混凝土的工作机 理，并成功地用极限平衡法求解了钢管混凝土轴压短柱额极限承载能力，为现代 钢管混凝土结构的设计计算理论奠定了坚实的基础。在此之前，工程应用中并不 ， 考虑钢管对核心混凝土的约束作用。 6 0 年代前后，美国等工业发达国家开展了大量的钢管混凝土试验研究和理 论分析工作，取得了很大进展，并在一些工程中加以应用，但由于需要人工在现 场向管内浇灌混凝土，劳动强度大、造价高，影响了在工程应用中的竞争力，阻 碍了它的发展。直到8 0 年代，由于泵送顶升混凝土技术的出现解决了现场浇灌 混凝土的问题，使钢管混凝土结构重新又得到很多国家的注意和重视，世界各国 的科技人员广泛开展了系统的研究，并陆续建成了一些工程，研究范围扩展到钢 管混凝土构件的防火性能和整个结构体系的研究。随后，英国、德国、美国、日 本和我国都先后制定了有关设计规范或设计规程，从而使这种结构步入了发展时 期。 我国从6 0 年代开始研究钢管混凝土结构，主要为内填型素钢管混凝土结构。 由于钢管混凝土结构具有一系列优越的力学性能，7 0 年代我国进一步推广和应 用这种结构，相继应用在一些大型工程中，到了8 0 年代，钢管混凝土结构在我 国的研究已经逐步得到了完善，计算理论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。建设部于1 9 9 0 年正式颁布了国家推荐 性标准钢管混凝土结构设计与施工规程( c e c s2 8 ：9 0 ) 瞄】，且在研究成果 的基础上于1 9 9 3 年形成并创立了“钢管混凝土统一理论”，提出把钢管和内填混 凝土视为整体，视为一种新材料，按照统一体来研究和分析其组合性能，进而提 - 出了统一的设计方法。1 9 9 5 年将“钢管混凝土结构技术列入科技成果重点推 广项目，1 9 9 9 年又颁布了高强混凝土结构技术规程( c e c s1 0 4 ：9 9 ) 2 4 】， 将钢管混凝土的混凝土强度等级从c 6 0 扩展到c 8 0 ，为钢管高强混凝土结构的推 广应用提供了技术后盾。 1 2 2 4 钢管混凝土结构的工程应用【2 0 j 由于钢管混凝土结构具有一系列的优点，因此被广泛采用于多高层建筑、桥 梁结构、地铁车站及各种重型、大跨的工业厂房以及高耸塔架等建筑物。 钢管混凝土结构在国外应用已有近百年历史，2 0 世纪初，美国就在一些单 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 层和多层房屋中采用钢管混凝土柱。钢管混凝土结构用于工程的代表性工程有： 前苏联1 9 3 9 年建成的h c e t b 河铁路拱桥；英国1 9 6 4 年建成的a l m o n d s b u r y 四层 立交桥；美国1 9 8 9 年在西雅图建成的太平洋第一中心大厦、双联广场大厦；我 国的泉州市邮电局大厦、厦门信源大厦、惠州嘉骏大厦、深圳赛格广场大厦、北 京华北电管局微波塔、重庆万州长江大桥、重庆奉节巫山长江大桥等。 1 2 3 钢管混凝土组合柱的研究现状及应用 1 2 3 1 钢管混凝土组合柱的提出 虽然钢管混凝土结构的力学性能优越，但是在实际应用中也存在着一些问 题，比如： ( 1 ) 节点处理比较困难，由于我国高层建筑仍大多采用钢筋混凝土肋梁楼 板，因此造成钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点构造复杂。 ( 2 ) 钢管混凝土柱用于高层建筑时，由于荷载较大，设计时多为直径较大 的钢管，所以用钢量大，且需要严格保证焊接质量。 ( 3 ) 钢管表面需做进一步防火、防锈措旌，从而提高了造价。 基于此，人们提出了以钢管混凝土为核心的组合柱，通常称为钢管混凝土组 合柱或核心柱【2 5 4 1 1 。当先浇筑钢管内混凝土，在其承担一定荷载后，再浇筑钢管 外侧混凝土即成为叠合柱，否则称其为钢管混凝土组合柱。钢管混凝土组合柱的 形式在桥梁工程和建筑工程中均有应用。其中万县长江大桥4 2 0 m 的主肋拱就是 由钢管混凝土桁架体系组成的，钢管之间通过角钢或钢筋焊接成整体。在建筑工 程中通常在柱中只有一个钢管，图1 4 为聂建国教授研究的钢管混凝土组合柱。 图1 4 钢管混凝土组合柱截面 f i g 1 4s e c t i o no fc o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b ec o m p o s i t ec o l u m n 1 2 3 2 钢管混凝土组合柱的研究现状及应用 在钢管混凝土组合柱中，钢管内的混凝土常为高强混凝土，其强度等级等于 或高于钢管外的混凝土强度等级。在钢管混凝土组合柱中，钢管表面不仅不需做 q 东北大学硕士学位论文第一章绪论 防火、防锈、防腐处理，还大大提高了钢材的耐火性能和耐久性，同时钢管内外 都具有支撑，局部稳定性也得到了加强。由于钢管对核心区的混凝土提供了约束 作用产生了套筒效应，所以，可以明显地提高柱地承载力、提高建筑物的整体抗 震性能，其耗能能力明显高于一般钢筋混凝土柱 2 5 - 4 1 】。与传统的钢管混凝土和钢 骨配筋混凝土相比，这种柱子内部钢管较细，易于穿过框架节点，使节点区梁柱 配筋构造处理非常简单，且用钢量小，材料易于采购，施工简便。 对钢管混凝土组合柱的研究，国外研究鲜见报道【4 0 】，国内研究颇为活跃， 主要有大连理工大学的赵国藩院士、华南理工大学的蔡健教授、清华大学的聂建 国教授、东南大学的程文滚教授、浙江大学的楼文娟教授以及美国南加州大学i 、 湖南大学的y a hx i a o ( 肖岩) 等。辽宁省建筑设计研究院的林立岩设计大师等人 研究的主要是采用叠合法施工的钢管混凝土组合柱，通常称为钢管混凝土叠合柱 2 5 - 2 8 1 o 钢管混凝土组合柱已应用于许多工程之中，在具体工程中往往应用于高层建 筑的底部几层高轴压比的柱中，其受力状态主要为小偏心受压。如：广州市叠翠 台商住楼、南京新世界大厦、南京交通职工培训中心、南京新华大厦、沈阳和泰 大厦等。尤其在辽宁省，其建筑面积达到6 0 余万平方米。 崖斗旦) _ 鹎 上 ! 塑 ， 图1 5 广州市叠翠台商住楼组合柱截面 f i g 1 5c o m p o s i t ec o l u m ns e c t i o n o fc u id i e t a im e r c h a n d i s eb u i l d i n gi ng u a n g z h o uc i t y 广州市叠翠台商住楼在设计时经过钢管混凝土柱、钢筋混凝土柱、钢骨混凝土柱 和钢管混凝土组合柱的比较，最终确定采用钢管混凝土组合柱的形式，见图1 5 。 负2 - - 一4 层柱截面为10 0 0x1 0 0 0 m m ，q 3 4 5 钢管，直径7 0 0 m m ，壁厚2 2 r a m ，柱截面 面积比普通钢筋混凝土柱减少约4 0 2 9 1 。在辽宁物产大厦的几种设计方案中， 经过比较最后确定将底部高轴压比的1 0 根柱设计为钢管混凝土核心柱，从而在 不增加工程造价的情况下，增加了8 个车位，其直接经济效益是明显的【3 2 。3 扪。 1 0 才h下l引i_斗引十1引，|l上 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 - 3 钢管混凝土组合柱的 足1 4 2 1 许多专家对钢管混凝土组合柱业已进行了深入地研究，并取得了许多研究成 剁2 5 。4 。但是，尚存在不足之处： ( 1 ) 研究结论：“钢管混凝土组合柱的核心钢管混凝土与外侧钢筋混凝土能 够共同工作直至破坏1 3 3 】 值得商榷。 很遗憾，利用该结论已经进行了许多工程应用。根据沈阳建筑大学土木工程 学院所做的“c f r p 钢管混凝土组合柱 试验的研究来看：在轴心受压的情况下， 包裹两层c f r p 的钢管外侧的钢筋混凝土柱与内部的钢管混凝土核心柱在加载 后期不能很好地共同工作。具体表现为钢管外侧混凝土首先达到极限承载力，退 出工作，而核心钢管混凝土柱尚未达到极限承载力，仍能继续承担荷载【3 5 1 。 对于该问题，聂建国( 2 0 0 5 年) 提出了界限体积配箍率的概念：“当体积配 箍率大于界限体积配箍率时，内外部分能够共同工作直至破坏，否则外侧先于内 侧部分破坏【3 7 】。该理论的提出确实解决了钢管混凝土组合柱研究和应用中的一 大难题，但是在某些工程应用中，其界限体积配箍率过大，很难实现。 ( 2 ) 由于钢管混凝土组合柱的钢管位于柱的里面，因此，在大偏心受力状 态下，盲目地使用钢管混凝土组合柱将会造成材料地浪费。 1 2 4 钢骨一钢管混凝土组合柱的提出 针对以上钢管混凝土组合柱的不足，为了加强外部混凝土的约束，使内外部 分混凝土能很好的共同工作，徐亚丰提出了一种新型的组合柱形式，即钢骨一钢 管混凝土组合柱，如图1 6 所示1 4 2 - 4 6 。 町 、 札炉n 町 l 存4 。如- 4 移r 1 4町 l | 凝土 凝土 图1 6 钢骨一钢管混凝土组合柱截面示意图 f i g 1 6s e c t i o ns k e t c hm a p o fc i r c u l a rs t e e lt u b ec o m p o s i t ec o l u m nf i l l e dw i t hs r c 该柱的外围根据需要可以设置钢筋，也可不设，在混凝土柱的中心部位设置 钢管，在钢管的外侧四角设置角钢，角钢通过箍筋连接成整体，最后浇筑混凝土， 从而形成钢骨一钢管混凝土组合柱。当角钢有混凝土包裹一定厚度时，还能起到 东北大学硕士学位论文第一章绪论 防火、防锈蚀的作用。该柱在一定程度上克服了钢骨混凝土和钢管混凝土柱的不 足，发扬t - - 者长处，且可以使钢管内外的混凝土同时达到极限承载力，使二者 能很好的共同工作，弥补了钢管混凝土组合柱存在的不足。 1 3 选题的依据及本文的主要研究工作 1 3 1 选题依据 钢骨一钢管混凝土组合柱作为一种新的结构形式，相关研究工作还不够深 入，其受力性能受很多参数的影响，如混凝土强度、含角钢率、含钢管率、配箍 率等。由于参数变化较多，一一做试验必然要耗费大量的资金、人力和时间，且 实际中试件的数量和参数变化总是有限的，而采用有限元分析软件可以充分考虑 各种参数的变化，进行大量的试验模拟，弥补试验条件的不足。 本课题的目的是借用a n s y s 软件，对钢骨一钢管混凝土组合柱这一新型结 构进行轴压和偏压受力特性的数值仿真分析，主要考虑不同的含钢骨率对其受力 性能的影响，并与试验结果做比较，完成由于试验条件、试件数量等客观因数限 制而无法完成的工作，对钢骨一钢管混凝土组合柱做进一步的补充和深入分析。 无疑，本课题的研究具有广泛的社会价值和经济价值。 1 3 2 本文的主要研究工作 本文是根据试验( 轴心受压下钢骨一钢管混凝土组合短柱承载力研究和钢管 一钢骨混凝土组合柱试验研究) 的结果，以a n s y s 为平台，采用分离式模型对 钢骨一钢管混凝土组合柱的受力性能进行数值仿真分析，主要包括以下几方面内 容： ( 1 ) 钢骨一钢管混凝土组合柱有限元模型的建立 ( 2 ) 钢骨一钢管混凝土组合柱轴心受压力学性能的数值仿真分析 ( 3 ) 钢骨一钢管混凝土组合柱偏心受压力学性能的数值仿真分析 ( 4 ) 轴心受压和偏心受压力学性能的比较以及组合柱工作机理的分析 1 2 东北大学硕士学位论文第二章有限元方法基本理论和a n s y s 计算程序简介 第二章有限元方法基本理论和a n s y s 2 1 有限元法介绍 2 1 1 概述f 5 3 】 计算程序简介 有限元法在2 0 世纪5 0 年代起源于航空工程中的飞机结构中的矩阵分析。结 构矩阵分析认为一个结构可以看作是由有限个力学小单元互相连接组成的集合 体，表征单元力学特性的刚度矩阵可以比喻为建筑物中的砖，装配在一起就能够 提供整个结构的力学特性。如果单元满足问题的收敛要求，那么随着单元尺寸的 缩小，增加求解区域中内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将 收敛于精确解。 有限单元法从2 0 世纪5 0 年代至今，经过几十年的发展，不断开拓新的领域， 其范围已经由杆件结构问题扩展到了弹性力学乃至塑性力学问题，由平面问题扩 展到空间问题，由静力学问题扩展到动力学问题和稳定性问题，由固体力学问题 扩展到流体力学、热力学和电池学等问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、 粘弹性、粘塑性和复合材料等。 有限元法有许多优点： a 概念浅显，容易掌握。可以在不同水平上建立起对该法的理解；可以通过非 常直观的物理概念来理解：也可以建立基于严格的数学分析的理论。 b 适用性强，应用广泛，几乎适用于求解所有的连续介质和场问题。 c 采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速计算机所提供 的方便。 2 1 2 有限元的常用术语 2 1 2 1 单元与节点 如图2 1 所示，对于任何连续体，都可以将其想象成由有限个简单形状的单 元体组成。任意相邻单元只能在节点处相互连接，这些单元的组合被称作实际对 象的离散模型。 1 3 东北大学硕士学位论文第二章有限元方法基本理论和a n s y s 计算程序简介 节点 l 单元 图2 1 单元和节点示意图 f i g 2 1s k e t c hm a po fe l e m e ma n dn o d e 常用单元可以分为自然单元和分割单元：一些工程构件如桁架结构的连杆在 分析时无须再加分割，这类单元叫做自然单元。结构能否看作自然单元取决于所 研究的范围和构件本身的力学性质。将整体结构和连续体分成许多小单元的组 合，这种单元称为分割单元。从理论上讲，单元的分割是任意的，不过在实际计 算中必须根据研究对象的特点，使单元分割既能满足力学分析要求，又能使计算 快速。 节点就是单元与单元之间设置的连接点。节点可分为铰接、固接或其他形式 的连接。节点一般分为主外节点、副主外节点和内节点3 类。有了节点才可以将 实际连续体看成是仅在节点处互相连接的单元集合体组成的离散型结构，从而可 使研究的对象转化成可以使用计算机计算的数学力学模型。 2 1 2 2 节点力和节点载荷 相邻单元之间的相互作用是通过节点来实现的，这种通过节点的相互作用力 就是节点力，也称节点载荷。 作用在节点上的外荷载称为节点载荷。节点载荷分为两部分：一是原来作用 在节点上的外力；二是按静力等效原则将作用在单元上的分布力移置到节点上的 节点载荷。 将单元上的实际载荷向节点移置的目的就是简化各单元上的受力情况，以便 建立单元和系统的平衡方程，也就是建立节点位移和节点载荷之间的关系式。 2 1 2 3 位移函数 连续体被离散后，需要用一些近似函数来描述单元内物理量如位移、应变与 节点物理量间变化关系。用以表示单元内的位移或位移场的近似函数称为位移函 数。一般来说都是选取多项式多为位移函数，原因是多项式的数学运算( 如微分、 积分等) 比较容易，而且在一个单元内适当选取多项式可以得到与真实解较为接 1 4 东北大学硕士学位论文第二章有限元方法基本理论和a n s y s 计算程序简介 近的近似解。选取位移函数有广义坐标法和插值函数法两种。为了保证解答的收 敛性，要求位移函数必须满足以下3 个条件： a 位移函数必须包含单元的刚体位移。当节点位移是由某个刚体位移引起 时，弹性体内不会有应变，因而节点力也为零。 b 位移函数必须包含单元的常应变部分。 c 位移函数在单元内要连续，在相邻单元间的公共边界上满足变形协调。 后者指两相邻单元在变形时既不重叠也不分离。 在有限元法中，满足前面两个条件的单元称为完备单元，满足最后一个条件的单 元称为协调单元。 2 1 3 有限元法分析问题的基本步骤 ( 1 ) 结构的离散化。离散化就是将要分析的结构分割成有限个单元体，并在单 元体的指定点设置节点，使相邻单元参数具有一定的连续性，并构成一个单元的 集合体以代替原来的结构。结构离散化时，划分单元的大小和数目应根据计算精 度的要求和计算机的容量来决定。 ( 2 ) 选择位移插值函数。为了能用节点位移来表示单元体的位移、应变和应力， 在分析连续体问题时，必须对单元中的位移的分布做出一定的假设，即假定位移 是坐标的某种简单的函数。选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通 常采用多项式作为位移函数。 ( 3 ) 分析单元的力学特性。利用几何方程、本构关系和变分原理最终得到单元 刚度矩阵。单元的特性分析是有限元分析的主要步骤之一。无论什么形式或形状 的单元，都能用能量原理来确定其各个单元的刚度矩阵，它们都包括了下面几个 步骤： a 单元的应变和应力的确定 在通过单元位移函数建立了单元内任一点位移分量与单元节点位移分量的 关系后，就可以通过弹性力学的几何方程和物理方程求出单元内的应变和应力用 单元节点位移向量的表达式。 单元内任一点位移、应变和应力与节点位移的关系式为： f = 腑。 ( 2 1 ) 8 = 巧= 删巧。= 召万。 ( 2 2 ) 东北大学硕士学位论文第二章有限元方法基本理论和a n s y s 计算程序简介 仃= d e = d b 6 。( 2 3 ) 式中，：单元内任一点的位移向量；n ：单元位移函数矩阵；6 。：单元节点 位移向量；工：微分算子矩阵；口：单元应变矩阵；d ：弹性矩阵。 b 单元刚度矩阵的推导 用力学能量原理中的虚功原理建立反映单元节点集中力与单元节点位移之 间的关系的刚度方程为单元刚度矩阵，假设单元节点发生了虚位移旷，则外力 的虚功单元节点集中力在节点虚位移上做的功为： 形= 似。) r p ( 2 4 ) p ：单元所受节点集中力向量。 而内力的虚功内应力盯在虚应变8 上做的功为： 彬= 卜。r o d v = i ( b u 夕r d b 6 。d v = ( u 。夕ri b r d b d v 6 ( 2 5 ) 由外力虚功等于内力虚功 形= 形 得 p 。= ( 1 b 。d b a v ) 6 。 ( 2 6 ) 简化为p 。= k 暑占。 ( 2 7 ) 置。称为单元刚度矩阵。 c 荷载的等效置换 荷载的等效置换就是将作用在单元上的外荷载( 包括非节点上的集中荷 载与分布的面力和体力)