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1、论文题目：_钢管混凝土叠合柱的力学特性和有限元模拟学 院：_ 交通学院_ _ _ _ 专业年级：_ 土木工程2006级_ 学 号：_ 061329013_ _ 姓名：_ _汪洋_ _ _ 指导教师、职称：_廖飞宇讲师_ _ 2010年 5 月 / Behhaviour of concrete filled steel tube reinfcred concrete columns and finite element simulationCollege： Transportation College Specialty and Grade：Civil Engineering2006Number
2、：061329013 Name： Wang Yang Advisor： lecturer. Liao Fei-yu Submitted time: May,2010目 录摘要1Abstract11引言22钢管混凝土叠合柱力学特性32.1钢管混凝土叠合柱优点22.1.1承载能力高，使用性能好32.1.2延性好，抗震性能强32.1.3抗剪能力强32.1.3耐火性能好33钢管混凝土叠合柱研究现状文献综述44钢管混凝土叠合柱有限元建模的材料本构模型54.1 钢管和钢筋的应力应变关系模型 54.2混凝土的应力-应变关系模型 54.2.1钢管混凝土54.2.1素混凝土64.4 计算建模所需材料参数的计算
3、75 钢管混凝土叠合柱有限元分析95.1算例 95.2建立有限元模型 95.2.1创建部件 95.2.2创建材料参数 115.2.3创建并指派截面 115.2.4组装配件 115.2.5设置分析步与相互作用 125.2.6创建荷载，约束并划分网格 125.2.7新建工作并提交运行 135.3 模拟结果分析136 结束语15参考文献16致 18钢管混凝土叠合柱的力学特性和有限元模拟摘要：钢管混凝土叠合柱是一种抗震性能优良的工程结构，近年来在高层结构抗震中倍受青睐。本文通过搜集资料，对钢管混凝土叠合柱的力学特性进行总结，并对给定的试件用Abaqus6.5有限元软件进行非线性有限元分析，计算出其跨中
4、位移荷载曲线，将模拟计算数据与实验数据进行对比分析。经过对比发现，用Abaqus6.5进行计算模拟的数据与实验所得的数据吻合良好。关键词：钢管混凝土叠合柱 有限元 非线性 分析Abstract：In recent years,laminated columns structure was appreciated in Civil Engineering for its characteristic of earthquake-resistance.In this thesis,a great deal of information was looked up to generalize the
5、 mechanics characteristic of Laminated columns and the specimen is analyzed by nolinear Finite Element Analysis with Abaqus6.5.Calculating the in cross-border displacement-loading curve about the specimen and comparative the simulate date with the experiment date.According to the simulate result,the
6、 simulate date comform for the experiment date goodly. Keywords: Laminated columns; Finite element method; Nonlinear; Analysis1 引言1-82008年在我国汶川发生的地震是中国一九四九年以来破坏性最强、波与围最大的一次地震，不仅给当地居民的生命财产造成了巨大的损失，还给我国的经济发展带来了巨大的影响。这就给建筑结构的抗震性能提出了更高的要求。对于钢管混凝土叠合柱的研究对推动建筑的研究的发展具有重大的意义。钢管混凝土叠合柱在工程应用方面也取得了一些成就，1996年的和泰大
7、厦和卓越-皇岗世纪中心项目中的一号.二号.四号塔楼都是采用了钢管混凝土叠合柱。钢管混凝土叠合柱是一种新的结构形式，已经开始用于一些工程实例。钢管混凝土叠合柱由核心钢管混凝土柱与外包混凝土组成。核心钢管混凝土结构承受初始荷载，待结构主体施工完毕或施工到某一高度后再在柱外围叠浇高强混凝土，形成叠合构件。核心钢管混凝土中的高强混凝土处于三向受压状态，提高核心混凝土的极限承载力，同时提高钢管的压屈荷载。外包混凝土的初始压力小，降低的柱的轴压比，从而提高柱的延性，增强其抗震性能，与此同时，减小了柱的截面尺寸，提高了结构的使用性能。钢管混凝土叠合柱的理论研究很大程度上归功于有限元分析理论的发展。有限元方法
8、已经发展并应用到几乎所有的工程领域，在钢管混凝土柱与型钢混凝土柱的计算与模拟方面，有限元发挥了巨大的作用。本文在基于有限元分析理论的基础之上，用ABAQUS有限元软件对所给的钢管混凝土叠合柱试件进行了理论模拟计算。并将模拟结果与实验数据进行对比，吻合良好。2 钢管混凝土叠合柱的力学特性钢管混凝土叠合柱是由钢管混凝土和外包混凝土构成，有时候因构造上的需要会在外包混凝泥土配置纵筋与箍筋（如图1所示）。分析钢管混凝土叠合柱的力学特性是建立在与钢管混凝土，型钢混凝土，普通钢筋混凝土构件的对比的基础之上的。钢管混凝土叠合柱是一种由钢管混凝土与外包混凝土所组成的组合结构，它的力学性能并不是构件部组成部分的
9、简单叠加，而是各个部分协调工作状态下，性能的相互强化，所以它兼有钢管混凝土与普通钢筋混凝土的优点的同时，又表现出一些新的特性9。外包混凝土核心钢管核心混凝土外包混凝土核心钢管核心混凝土图1 钢管混凝土叠合柱的截面图2.1 钢管混凝土叠合柱的优点2.1.1 承载力高，使用性能好高强混凝土虽具有强度高的优点，但是与低等级的混凝土相比缺乏足够的延性性能。如图3所示，强度等级越高的混凝土，当达到极限承载力的时候强度下降的越明显，表现出一定的脆性，不利于抗震，强度越低承载力下降越平缓10。围压力核心混凝土图2 不同强度等级混凝土应力应变曲线13 图3 核心混凝土受力示意图钢管的约束作用克服了高强混凝土的
10、脆性，同时，钢管的围压力使管混凝土的轴心抗压强度大幅度提高，充分发挥了高强混凝土受压能力高的优势，而且钢管和钢管外都有混凝土，钢管壁不会发生屈曲，无需考虑钢管的失稳破坏。在一样的承载能力的构件之间对比，钢管混凝土叠合柱的截面尺寸要小于普通钢筋混凝土柱，从而减小柱的截面尺寸，增大建筑的使用空间11。2.1.2 延性好，抗震性能强对于钢管混凝土叠合柱，作用在截面上的轴力设计值按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土；轴力设计值减去浇筑管外混凝土时钢管混凝土已经承受的轴力后，按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土。分配轴压力时，钢管混凝土的轴向刚度随其轴心受压承载力的提高而提高。结果，钢筋
11、混凝土分担的轴压力比按管外、管混凝土面积比分担的轴压力小得多。由于钢筋混凝土部分承担的轴压力小、轴压比低，通过配置适量的纵筋和箍筋，能提高整个构建的延性，增强构建在地震荷载作用下的耗能作用。同时在轴压力和往复水平力作用下，由于钢管混凝土的存在，延长了叠合柱从屈服到破坏的过程，提高了柱端塑性铰的转动能力，使叠合柱具有良好的延性和耗能能力12。2.1.3 抗剪能力强与普通钢筋混凝土结构相比，钢管混凝土叠合柱受剪承载力由箍筋、外围混凝土和核心小钢管混凝土柱与钢翅片提供。截面中部的钢管混凝土提高了柱的抗剪承载力，容易实现强剪弱弯。同时钢管混凝土的存在，可简化核芯区构造，方便施工13。2.1.4 耐火性
12、能好钢管混凝土叠合柱具有良好的耐火性。钢材的性能受温度的影响十分明显。在150以，钢材的强度，弹性模量和塑性均与常温相近，变化不大。但在以后，强度和弹性模量均开始下降，塑性显著上升，时，强度几乎为零14。对于钢管混凝土叠合柱来说，外包混凝土的存在大大延缓的构件外围环境热量向核心钢管传递的速度，从而延长了核心钢管承载能力失效的时间，为消防救火赢得宝贵的时间。同时钢管混凝土叠合柱免去了钢管外层的防火涂层，降低的构件的防火成本。火灾过后可以通过剥去烧伤外包混凝土，并填上新混凝土的方法来对其进行修复15。3钢管混凝土叠合柱研究现状文献综述文献2分析水平荷载作用下叠合柱的轴力在混凝土和钢骨之间的分配关系与有关参数对其分配关系的影响，讨论了组合构件轴压比的概念，在此基础上通过理论推导和数值计算两种途径给出了钢骨高强混凝土叠合柱名义轴压比限值的计算公式，该
