圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受力性能與設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、本文對(duì)常溫和高溫(火災(zāi))下圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行深入的理論分析和試驗(yàn)研究，提出了常溫和高溫下混凝土多軸強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系，探討了常溫和高溫下圓鋼管混凝土軸壓短柱的受力機(jī)理，開展了常溫下鋼管混凝土偏壓柱受力性能理論分析，進(jìn)行了常溫下鋼管混凝土試件受力性能試驗(yàn)研究，建立了常溫和高溫(火災(zāi))下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析方法，進(jìn)行了火災(zāi)下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析。主要研究內(nèi)容如下： (1)建立常溫和高溫下混凝土多軸強(qiáng)度準(zhǔn)則，

2、提出常溫和高溫下單軸拉壓滯回應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和軸對(duì)稱三軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。 基于兩個(gè)基本假定，提出損傷泊松比的概念，應(yīng)用損傷力學(xué)理論和最小耗能原理，建立混凝土在多軸應(yīng)力狀態(tài)下強(qiáng)度準(zhǔn)則的一般形式并揭示混凝土的破壞機(jī)理，初步確定損傷泊松比的表達(dá)式；對(duì)各種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的單軸力學(xué)性能試驗(yàn)研究資料進(jìn)行分析，建立反映不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土各種力學(xué)性能指標(biāo)的統(tǒng)一表達(dá)式和單軸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€統(tǒng)一計(jì)算方法、損傷演變方程、損傷本構(gòu)模型和滯回應(yīng)力-應(yīng)

3、變關(guān)系；在Ottosen混凝土三軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了混凝土軸對(duì)稱三軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其中峰值應(yīng)力點(diǎn)泊松比的取值反映了損傷泊松比的思想。 (2)建立常溫和高溫下鋼管混凝土軸壓彈塑性全過程分析理論，揭示鋼管混凝土軸壓套箍約束作用機(jī)理。 利用混凝土軸對(duì)稱三軸受壓應(yīng)力．應(yīng)變關(guān)系，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，采用鋼管混凝土同心圓柱體力學(xué)模型，建立常溫和高溫下鋼管混凝土彈塑性全過程分析理論，編制非線性計(jì)算程序；通過對(duì)常溫下的鋼

4、管混凝土軸壓受力機(jī)理分析，指出鋼管在縱向初應(yīng)力作用下將降低鋼管對(duì)混凝土的套箍約束作用，鋼管套箍混凝土將套箍約束作用發(fā)揮至最大，但軸壓剛度較小。 (3)建立常溫下鋼管混凝土軸壓、純彎和偏壓柱承載力和變形實(shí)用計(jì)算公式；提出常溫下鋼管混凝土組合截面軸力-應(yīng)變關(guān)系和軸力-彎矩-曲率關(guān)系實(shí)用計(jì)算方法(合稱鋼管混凝土組合截面實(shí)用計(jì)算方法)。 基于鋼管混凝土彈塑性全過程分析理論，確立鋼管混凝土拉壓數(shù)值本構(gòu)關(guān)系，建立組合抗壓剛度和軸壓極

5、限承載力實(shí)用計(jì)算公式，提出軸力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)用計(jì)算方法；基于平截面假設(shè)，利用分層法對(duì)鋼管混凝土偏壓構(gòu)件截面軸力-彎矩-曲率關(guān)系進(jìn)行全過程分析，建立組合抗彎剛度、抗彎承載力和軸力-彎矩相關(guān)方程等實(shí)用計(jì)算公式，提出軸力-彎矩-曲率關(guān)系實(shí)用計(jì)算方法; 利用基于部分正弦曲線的模型柱法對(duì)鋼管混凝土軸壓中長柱和偏壓柱(包括等端彎矩和不等端彎矩)進(jìn)行全過程分析，建立鋼管混凝土偏壓柱承載力實(shí)用計(jì)算公式。 (4)進(jìn)行67個(gè)常溫下鋼管混凝土試件受力性

6、能的試驗(yàn)研究，探討其受力性能并驗(yàn)證本文計(jì)算理論和方法的正確性。 試驗(yàn)包括45根鋼管混凝土軸壓短柱試件、4個(gè)鋼管混凝土純彎試件和8個(gè)鋼管混凝土偏壓柱試件；探討了各種試件的承載力、荷載-變形曲線和荷載-橫向變形系數(shù)曲線的變化規(guī)律；結(jié)合其他學(xué)者試驗(yàn)結(jié)果，共918個(gè)鋼管混凝土試件，驗(yàn)證了彈塑性全過程分析理論、分層法和模型柱法及各實(shí)用計(jì)算公式和實(shí)用計(jì)算方法的正確性。 (5)建立常溫和高溫(火災(zāi))下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元計(jì)算理論

7、，編制非線性有限元程序NACFSTLF。 提出適合于高溫下鋼管混凝土柱非線性分析的鋼管和混凝土縱向熱-力耦合本構(gòu)模型計(jì)算方法；基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，推導(dǎo)了火災(zāi)下U.L.列式虛功增量方程，通過調(diào)整截面形心應(yīng)變和曲率，使梁端內(nèi)外力平衡，完善了火災(zāi)下分層梁材料非線性分析理論：編制NACFSTLF程序，并用常溫和高溫下鋼管混凝土構(gòu)件、結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土構(gòu)件等大量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；本程序反映了火災(zāi)下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的

8、約束套箍作用和溫度．荷載歷史，具有計(jì)算功能強(qiáng)和效率高的優(yōu)點(diǎn)。 (6)采用NACFSTLF有限元程序，進(jìn)行了火災(zāi)下足尺鋼管混凝土單柱、鋼筋混凝土矩形梁和鋼管混凝土柱．鋼筋混凝土T梁框架結(jié)構(gòu)抗火性能的數(shù)值仿真分析。 探討了火災(zāi)下鋼管混凝土單柱初始缺陷、軸壓比、混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、含鋼率和鋼管外徑對(duì)抗火性能的影響，考察了三面受火鋼筋混凝土簡支梁的抗火性能，分析了鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土T梁框架結(jié)構(gòu)在各樓層火災(zāi)下的抗火性能。分