椭圆钢管与椭圆钢管混凝土柱的力学性能与设计方法

发布时间：2018-03-27 13:00

本文选题：椭圆钢管柱　切入点：椭圆钢管混凝土柱　出处：《浙江大学》2015年博士论文

【摘要】：近年来,椭圆钢管作为钢管结构家族的新成员,以其灵动轻盈的建筑外形和独特卓越的力学性能,受到越来越多建筑师和结构工程师的青睐。为了深入了解和掌握椭圆截面构件的力学性能,进一步推广该类截面构件的工程应用,本文通过理论分析、试验研究以及数值模拟等手段,围绕空心椭圆钢管和椭圆钢管混凝土柱的受力性能和设计方法进行了较为系统的研究。全文的研究内容和主要成果如下：第2章基于能量法推导了轴压作用下椭圆截面柱壳弹性屈曲临界应力和临界半波长的理论解,推导中引入带有衰减系数的位移函数并利用里兹法求解轴压椭圆柱壳的能量方程。由本文理论解退化得到的圆柱壳在轴压作用下的弹性屈曲临界应力和屈曲半波长均与其经典解吻合很好,与有限元分析结果的比较进一步验证了理论解的准确性。利用该理论解对椭圆截面柱壳的轴压屈曲性能进行参数分析。第3章基于能量法推导了外压作用下椭圆截面柱壳弹性屈曲临界荷载的理论解,推导中引入带有衰减系数的位移函数并利用里兹法求解外压椭圆柱壳的能量方程。由本文理论解退化得到的圆柱壳在外压作用下的弹性屈曲临界荷载与其经典解吻合很好,与有限元分析结果的比较进一步验证了理论解的准确性。利用该理论解对椭圆截面柱壳的外压屈曲性能进行参数分析。第4章基于闭口截面薄壁构件约束扭转的乌曼斯基理论,推导了椭圆截面柱壳在扭矩作用下翘曲位移及正应力、剪应力的解析解,分别给出了基于数值积分的精确解以及显式表达的近似解。与有限元结果比较表明,本文精确解与近似解均具有良好的精度。文中还基于等代筒体法,将椭圆截面柱壳的扭转近似解应用于扭转作用下椭圆形平面框筒结构的简化分析。第5章对8个具有不同椭圆截面比的冷弯椭圆钢管短柱进行了轴压试验,并利用ABAQUS软件对试验试件进行有限元模拟。有限元分析中引入冷弯钢管残余应力解析解以及以一阶弹性屈曲模态分布的初始几何缺陷,与试验结果的比较表明,本文有限元模型可较为准确地模拟冷弯椭圆钢管在轴压荷载作用下的力学响应。第6章给出了32个椭圆截面碳纤维约束混凝土柱的轴压试验结果,试验中考虑了不同的碳纤维厚度和椭圆截面比对椭圆截面碳纤维约束混凝土应力—应变关系的影响。建立了基于修正损伤塑性模型的有限元分析模型,可考虑椭圆形截面引起的不均匀约束效应,从而准确模拟椭圆截面碳纤维约束混凝土的应力—应变关系。采用该有限元模型进行参数分析,结合参数分析结果和试验数据,通过引入碳纤维体积比得到了椭圆截面碳纤维约束混凝土的应力—应变设计模型。第7章对14个具有不同椭圆截面比和混凝土强度的椭圆钢管混凝土短柱进行了轴压试验,初步认识了椭圆钢管混凝土轴压短柱的力学性能和破坏形态。通过整理和分析试验结果,得到椭圆截面比和混凝土强度对椭圆钢管混凝土柱轴压性能的影响。第8章利用ABAQUS软件对椭圆钢管混凝土轴压短柱进行有限元模拟,分析中采用基于修正损伤塑性模型的混凝土材料本构,其中屈服准则、硬化法则和损伤因子等参数均与椭圆钢管所提供的不均匀约束应力相关,不均匀约束应力的影响则通过引入有效约束应力来考虑。通过与试验结果的比较验证了该有限元模型的有效性。第9章在确定椭圆钢管约束混凝土约束应力、极限状态以及应力—应变关系的基础上,给出了椭圆钢管混凝土轴压短柱的设计模型,可方便地求得椭圆钢管混凝土轴压短柱的荷载—位移曲线。利用该设计模型,通过截面分析得到椭圆钢管混凝土短柱在轴压、受弯以及偏压荷载下的正截面承载力。利用截面分析程序以及基于受压区混凝土的等效矩形应力分布,提出了椭圆钢管混凝土短柱的承载力设计公式。第10章提出了基于截面分析与数值积分方法的椭圆钢管混凝土长柱理论模型,利用该模型对影响椭圆钢管混凝土柱临界长细比的因素进行了系统的参数分析,提出了一个较为准确且偏于保守的临界长细比计算公式。进一步建立了基于名义侧移的椭圆钢管混凝土长柱的简化计算模型,通过求解偏压长柱荷载一侧向位移曲线可准确预测椭圆钢管混凝土长柱的承载力。最后基于名义曲率法,引入荷载偏心率修正系数和长细比修正系数,得到了椭圆钢管混凝土长柱正截面承载力的设计公式。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU398.9

【参考文献】