碳纤维钢骨—钢管混凝土柱双向偏心受力性能有限元分析

发布时间：2020-03-18 05:27

【摘要】：碳纤维钢骨-钢管混凝土柱是一种新型框架柱形式,此柱是将钢管混凝土核心柱与空腹式钢骨混凝土柱两种截面形式相结合,然后环向包裹一层碳纤维布,将两种组合柱优势互补,再利用了碳纤维布进一步约束柱身材料,而形成的一种新式组合结构。该柱以圆形钢管为核心,钢管内外均浇筑混凝土,角钢与缀板构成外包钢骨架,最后在柱最外侧环向包裹碳纤维布而成。此柱最大的优点在于外包钢骨与碳纤维布可以共同约束内部材料,使得钢管内外混凝土达到共同工作的目的,充分利用了各种材料的强度,提高了柱的承载能力和延性性能。 论文在前人对碳纤维布、钢材以及混凝土本构关系研究的基础之上,利用通用有限元软件ABAQUS对此柱进行了非线性有限元分析。利用软件分别建立了静力作用下的双向偏压、双向压弯剪模型,以及低周往复荷载作用下的双向压弯剪和双向压弯剪扭模型。每种加载方式均以碳纤维层数、缀板间距、轴压比、剪跨比等为参数,讨论不同参数下各种试件的承载力、耗能能力以及变形能力。同时,提取试件受力过程中的荷载-位移曲线,绘制试件不同受力阶段的应力云图,详尽阐述了试件内部材料的受力机理和整体破坏特征。 通过有限元分析结果表明,此形式的柱双向偏心荷载作用下,变形性能良好、耗能能力强、承载力高,适合于在高层建筑框架结构中推广使用,满足规范的要求。而随着碳纤维布层数的增加,柱的延性性能提高显著；而随着缀板间距的降低,碳纤维布与缀板协同工作能力增强,延缓了碳纤维布的断裂,间接提高柱的延性性能；由于此柱含钢率较高,即使在剪跨比较低时仍具有较强的延性性能；而结构构件中的扭矩作用会降低试件的耗能性能和延性系数,对结构的抗震不利,应尽量避免。通过本文对碳纤维钢骨-钢管混凝土柱受力性能的理论分析,为实体实验做出理论指导。
【图文】：

并取得了良好的经济效益钢管混凝土核心柱截面示意图如图1.1所示。这种柱子由于核芯钢管体积尺寸较小，易于穿过框架的节点，使节点区梁柱配筋构造处理非常简单，用钢量很小，材料易于采购，施工简单[17-18]。[I 11 J](1)方形截面 （2)圆形截面图1.1钢管泥凝土核心柱截面Fig. 1.1 The cross section of concrete filled with steel tube column1.2.2钢管混凝土核心柱在国内外的研究现状大连理工大学赵国藩教授曾对38根钢管高强混凝土核心柱进行了静力以及拟静力试验通过对柱施加轴压力作用以及水平往复荷载作用分别研究此柱的纵向承载力和抗震性能，其主要结论是：采用钢管混凝土做为钢筋混凝土柱的核心，钢管可以约束内部混凝土，而且同时提高了柱的含钢率，可以改善高强钢筋混凝土柱延性；纵向布置的钢管可以提高柱的抗剪能力，防止在纵向荷载与水平荷载共同作用下试件发生剪压脆性破坏；同时山于核心区钢管可以承担较高的纵向荷载，而且混凝土的挤压总用防止钢管出现屈服破坏，延缓高轴压比下小偏心受压构件，在受压侧发生局部压馈的现象，而且即使外部混凝

格划分的太密集会浪费计算时间增加计算代价，而网格划分的太稀疏会造成计算结果不精确甚至不收敛，合理的网格密度对有限元分析非常重要。如图2.7所示为本文对碳纤维钢骨-钢管混凝土柱网格划分结果的示意图。iiiii(a) CFRP (b)钢骨 （c)夹层混凝土 （d)钢管 （e)核心混凝土图2.7模型网格划分及相互作用关系示意图Fig. 2.7 The mesh division and interaction of the model网格的密度由种子的布置来确定，种子的布置原则需要通过对比分析来确定。首先以较为高的种子密度与计算单元积分点密度来建立一个模型，精细划分模型的每一部分网格，尽可能保证网格划分得规则、对称，尽量使用六面体单元来划分实体单元。这种做法是通过比较高的计算代价来获得较为准确的计算结果，计算时间较长，耗费计算机资源较多。而后通过降低种子密度来减少网格数量，以相对较低的计算代价执行相同的计算模型，，若两次计算结果误差很小，两次结果对比误差小于10%，则可以继续降低种子密度，同时放宽对网格形状和分布的精细度要求
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU398.9

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本文编号：2588286