建筑与土木工程研究生毕业答辩

内蒙古科技大学,Inner Mongolia University of Science and Technology,钢管混凝土短柱与中长柱的界限长细比研究,姓 名：张乐均,专 业：建筑与土木工程,导 师：李斌,协助导师：高春彦,目录,CONT ENTS,1,绪论,2,试验研究,3,有限元研究,4,结论,01,PART ONE,绪论,Introduction,钢管混凝土研究现状,桥梁工程中的应用,高层建筑工程中的应用,钢管混凝土中长柱试验研究以及理论研究,钢管混凝土轴压短柱试验研究以及理论研究,钢管混凝土研究现状,课题的提出,主要研究内容,钢管混凝土研究现状,查阅我国各类钢管混凝土结构设计规范，对于如何界定钢管混凝土柱属于短柱还是中长柱，没有统一的划分标准，这在实际中可能造成设计人员的困惑。,钢管混凝土研究现状,课题的提出,主要研究内容,课题的提出,通过上述对相关领域的研究成果综述表明，尽管各国学者在钢管混凝土柱（结构）受力性能研究方面做了大批的试验研究和理论分析，但迄今为止对如何界定钢管混凝土为短柱或中长柱的研究分析却不多见,。,根据过往试验资料，在轴向荷载作用下，构件的破坏模式,包括,材料破坏和弹塑性失稳破坏两种情况。短柱发生材料破坏,，,中长柱发生弹塑性失稳破坏。而在实际应用中，大多数柱构件的破坏发生的是介于材料破坏和弹塑失稳破坏的过渡现象，其长细比处于短柱和中长柱之间,。,1,2,3,试验,有限元分析,进行了,10,组共,20,根圆钢管混凝土柱的试验研究。通过长细比和径厚比变化对轴压短柱和中长柱的宏观试验现象、荷载,-,位移、荷载,-,应变、荷载,-,泊松比等进行分析，研究长细比和径厚比对试件轴压力学性能的影响规律,。,用有限元软件,ABAQUS,对,20,根试件进行仿真计算，通过计算结果与试验结果的对比，验证所建立的,ABAQUS,三维精细模型的,有效,性。在此基础上，扩大参数进行有限元分析，,进一步研究,长细比对,试件,承载力和应变,状况,的影响,规律,，,从有限元的角度,确定短柱和中长柱的界限长细比范围,。,钢管混凝土研究现状,课题的提出,主要研究内容,主要研究内容,02,PART TWO,试验研究,Experimental study,试验方案,试件取值,长细比,钢材和混凝土,径厚比,试件制作,加载装置和加载制度,测量方案,材性试验,钢管,混凝土,1,、避免端部缺陷,2,、端板需几何对中,3,、试件自然养护,1,、,粘贴纵,、,横向应变片,2,、,设置,纵、横向位移计,“,”,荷载,-,变形分析,荷载,-,横向变形系数关系分析,荷载,-,应变分析,试验破坏模式分析,长细比、径厚比影响分析,试验分析,STCCA-7-1,的钢管在,1,、,2,、,3,处发生了鼓曲，并且在钢管鼓曲处的核心混凝土发生破碎,。,STCCB-4-2,的钢管在,1,处核心混凝土出现了一条明显的主斜裂缝，形成了一个剪切破坏面,。,破坏模式,荷载,-,变形分析,荷载,-,应变分析,荷载,-,横向变形系数,长细比、径厚比影响分析,破坏模式,STCCD-7-1,在,1,处混凝土有明显的凸曲，,2,、,3,处混凝土部分被压碎,。,STCCE-7-1,的钢管表面未出现凸曲现象，而核心混凝土在,1,处有轻微的凸曲；,2,、,3,处混凝土有部分掉落,。,（,1,）,第一类：曲线具有峰值荷载点，但没有明显的下降段，极限承载力后曲线基本趋于平缓,；,第二类：曲线无明显的峰值荷载点，且具有强化段,；,破坏模式,荷载,-,变形分析,荷载,-,应变分析,荷载,-,横向变形系数,长细比、径厚比影响分析,荷载,-,变形分析,径厚比,54.75,径厚比,31.3,破坏模式,荷载,-,变形分析,荷载,-,应变分析,荷载,-,横向变形系数,长细比、径厚比影响分析,荷载,-,应变分析,1,、,轴压试件在长细比较小时，中截面应变沿截面高度分布均匀；随着长细比的增大，截面纵向应变呈现不均匀分布；在加载的不同阶段，钢管混凝土柱中截面应变的发展基本符合平截面假设；,2,、,由,纵、环向的应变,曲线可知，当长细比较小时图中曲线几乎重合，,纵、,环向应变沿截面分布较均匀，各测点处向应变基本一致；当加载至极限荷载的,80%,，长细比为,20,和,24,的试件，各,纵、,环向测点的应变开始出现不均匀的变化,。,STCCA-4-1,STCCD-4-1,STCCE-4-1,破坏模式,荷载,-,变形分析,荷载,-,应变分析,荷载,-,横向变形系数,长细比、径厚比影响分析,荷载,-,横向变形系数,1,、,受荷初期，曲线大致垂直于横坐标轴，各试件的泊松比基本保持不变的状态,；,2,、,荷载达到极限荷载的,0.6-0.8,倍左右即钢管达到屈服而开始塑流后，根据,Von Mises,屈服准则可知，随着钢管环向拉应变,2,不断增大，其纵向应力,1,相应地不断减小，在钢管与核心混凝土之间的内力产生重分布，核心混凝土的套箍强化才等到充分的发展，从而使钢管混凝土的承载力和变形能力得到明显提高,；,3,、试,件长细比较大时，钢管对核心混凝土产生明显约束作用的时机较晚,。,不同长细比试件,荷载比,-,长细比关系,长细比影响,纵向应变分析,环,向应变分析,破坏模式,荷载,-,变形分析,荷载,-,应变分析,荷载,-,横向变形系数,长细比、径厚比影响分析,长细比、径厚比影响分析,受荷的初始阶段，不同长细比的试件，其荷载,-,纵向应变曲线发展趋势基本相似，但随着长细比的增大，曲线的斜率变小，表明长细比对试件的初始刚度有一定的影响。,在长细比,16-20,的范围内，试件的环向应变发展充分，说明钢管与核心混凝土之间的相互作用明显,。,径厚比,54.75,径厚比,31.3,径厚比,54.75,径厚比,31.3,径厚比影响,纵向应变分析,环,向应变分析,径厚比对试件承载力的影响显著，根据试验测得极限承载力数据计算可得：径厚比为,31.3,的试件比径厚比,54.75,的试件承载力提高约,25%,。,长细比为,12,、,16,的试件环向应变发展十分充分,，,长细比为,18,、,20,、,24,的试件环向应变未能超过,10000,，说明径厚比在不同的长细比范围内，其对钢管与核心混凝土之间相互作用的影响能力不同。,长细比,12,长细比,24,长细比,12,长细比,24,破坏模式,荷载,-,变形分析,荷载,-,应变分析,荷载,-,横向变形系数,长细比、径厚比影响分析,长细比、径厚比影响分析,03,PART THREE,有限元分析,Finite element analysis,有限元模型的建立,材料的本构关系,钢材,混凝土,单元选取,钢材,混凝土,接触定义,法向接触,切向接触,边界条件及荷载,网格划分,采用二次塑流模型。,采用塑性损伤模型，该模型可以较好地模拟混凝土的塑性性能。,采用四节点减缩积分格式的壳单元（,S4R,）,。,采用八节点减缩积分格式的三维实体单元（,C3D8R,）,。,法线方向的接触采用“硬”接触,。,考虑界面切向的粘结与滑移对于模拟钢管与核心混凝土的这种变形，切向定义为有摩擦，数值为,0.4,。,试件下端板创建边界条件，将端板表面所有节点的,X,方向和,Y,方向进行约束，在,Z,方向上施加位移,；,试件上端板设定“对称,/,反对称,/,完全固定”，然后选取与下端板施加荷载对应的节点区域，设置其为铰接（,U,1,=U,2,=U,3,=0,）。,本文计算钢管和混凝土的网格大小均选取为,15mm,。,“,”,有限元分析结果与试验结果对比,有限元拓展,有限元模型适应性分析,有限元分析,有限元模型适应性分析,有限元分析结果与试验结果对比,有限元拓展,有限元模型适应性分析,1,、,=12,、,16,的试件当构件达到极限承载力时，混凝土应力集中于上下两端,钢管应力在,Z,方向上呈对称分布，其应力集中于钢管中部，说明钢管中部对混凝土的环向约束较大并向试件两端递减,;,2,、,=18,、,20,的试件，有一定的侧向弯曲变形，钢管大部分截面已达到屈服状态；,3,、,=24,的试件侧向弯曲变形严重，钢管未能达到屈服，根据应力云图可知，混凝土不再是全截面受压；,STCCA-4,STCCC-4,STCCE-4,有限元模型适应性分析,有限元分析结果与试验结果对比,有限元拓展,有限元分析结果与试验结果对比,试件编号,A-,7-1,A-7-2,A-4-1,A-4-2,B-7-1,B-7-2,B-4-1,B-4-2,C-7-1,C-7-2,C-4-1,C-4-2,D-7-1,D-7-2,D-4-1,D-4-2,E-7-1,E-7-2,E-4-1,E-4-2,试验,2974.5,2260,2803.52,2856.5,2189.5,2150.25,2725.35,2750,2100.5,2132.5,2659.5,2715.25,2043.5,2056,2607,2645,2011,2035.5,模拟值,3098.52,2364.03,2898.65,2898.65,2300.16,2300.16,2653,2653,2215.5,2215.5,2717,2717,2132.5,2132.5,2573.48,2573.48,2089.5,2089.5,4,4.4,3.28,1.45,4.81,6.52,-2.73,-3.66,5.19,3.75,2.12,0.06,4.17,3.59,-1.3,-2.78,3.76,2.58,荷载误差,/%,均方差,2.88,试验和有限元模拟的曲线在峰值以前的上升段吻合很好，但峰值过后出现了偏差。造成偏差的原因主要有：原材料的影响，原材料的强度稳定性差，离散性大，可能与实际强度存在偏差；试验条件的影响，试验的边界条件与有限元边界条件存在一定偏差。,STCCA-4,STCCC-4,STCCE-4,有限元模型适应性分析,有限元分析结果与试验结果对比,有限元拓展,有限元拓展,=12,、,16,最终破坏时，钢管全截面屈服，核心混凝土强度大于圆柱体抗压强度，并由试验可知，核心混凝土被压溃，试件发生,材料,破坏,。,=1720,最终破坏时，钢管部分截面未达到钢材屈服强度，混凝土中截面强度大部分截面区域已趋近于或小于圆柱体抗压强度,。,=,24,的试件，在达到极限荷载后，核心混凝土部分处于受拉状态，钢管中截面部分未达到钢材屈服强度，试件发生明显的弹塑性破坏,。,长细比,12,长细比,16,长细比,17,长细比,20,长细比,24,04,PART FOUR,总结,Summary,试验研究,有限元分析,总结,1,、,试验结果表明在本文研究的参数范围内，长细比对试件的的力学性能影响显著；,在长细比相同的条件下，随着钢管径厚比的减小，截面含钢率的增加，提高了钢管对核心混凝土的约束作用，从而提高了钢管混凝土的轴压承载力，同时延性变好，曲线强化的区域范围变大；,2,、,短柱和中长柱以及过渡段的判别特征,；,3,、,有限元计算获取的钢管混凝土轴心受压柱极限承载力、荷载,-,位移曲线和破坏形态与本文试验结果进行比较，试验结果与计算结果吻合良好；,4,、,根据试验和有限元综合分析，最终得到短柱与中长柱的界限长细比范围为,17-20,。,内蒙古科技大学,Inner Mongolia University of Science and Technology,THANKS FOR YOUR WATCHING,