鋼骨混凝土異形柱-T型截面抗剪扭性能數(shù)值模擬分析-研究生開題報告書

xxxx大學學位論文（畢業(yè)設計）開 題 報 告 書學 院土木學院姓 名學 位 級 別 學 科、專 業(yè)結構工程研 究 方 向高層大跨度論 文 題 目導 師 姓 名入 學 年 月2013年9月 xxxx大學研究生部制年 月 日填姓 名學號導師姓名學科專業(yè)結構工程研究方向高層大跨度入學類型碩士研究生 以同等學力申請碩士學位 專業(yè)學位 高校教師在職攻讀碩士學位論文題目鋼骨混凝土異形柱-T型截面抗剪扭性能數(shù)值模擬分析論文（設計）選題來源：為驗證鋼骨混凝土異形柱受剪扭扭計算方法與推廣使用。推進建筑業(yè)合理使用鋼骨混凝土，采用數(shù)值模擬已有實驗數(shù)據(jù)，對比二者數(shù)據(jù)得出結論。論文（設計）的研究目的、意義及國內外發(fā)展趨勢,論文（設計）的主要內容、研究方法和研究思路 (5000左右)：鋼骨混凝土(SRC)構件是將型鋼埋入混凝土內部，制成的鋼骨混凝土柱或者鋼骨混凝土梁。梁構件和柱構件是最常用于鋼骨混凝土結構的構件。那些用鋼和鋼板焊成，截面形式通常有 I，H，L，T，十字形、矩形和圓形等的稱為實腹式。與此類型鋼的連接形式不同，由綴板、綴條連接角鋼、槽鋼而組成的稱為空腹式。相對于單純的混凝土結構和型鋼結構，SRC 結構的性能遠大于這前兩者性能。這種約束作用一是由于型鋼本身，二是箍筋的作用。它使得混凝土和型鋼兩類材料得以共同承擔外力從而合二為一。在以下幾個方面中 SRC 構件有著突出的優(yōu)勢：1）承載力高：在單位橫截面積的承載力上，鋼筋混凝土構件遠遜于 SRC 構件，所以 SRC 結構可以減小尺寸，避免肥梁胖柱。2）變形能力強：在延性等抗震性能方面，SRC 結構擁有鋼筋混凝土難以比擬的優(yōu)勢，這方面的主要貢獻是 SRC 結構中有較好延性性能的型鋼。3）施工周期短：型鋼骨架作為自承重結構體系能夠充當支撐柱，也可進行立體交叉施工，不僅加快施工速度，還能減少施工成本。SRC 結構有著鋼結構所缺陷的優(yōu)良的耐久性與耐火性。它不但可以阻止鋼筋生銹剝蝕，還能減輕水分滲入帶來的災害。SRC 內部的型鋼剛度大，并且和混凝土粘結在一起，因此減少了構件的局部屈曲，從而避免了鋼構件的彎轉和失穩(wěn)，有效地發(fā)揮了鋼材的剛度。兩種鋼混凝土截面形式見圖鋼骨混凝土構件，自從產(chǎn)生了這樣一種結構就收到國內外極大的關注，與木結構，鋼結構，混凝土結構，鋼筋混凝土結構并稱為第五大結構。鋼骨混凝土具有變形能力強，抗震性能好，由于型鋼的存在構件的延性得到很大的改善。并且構件的截面可以大大減小，可以充分利用建筑物的內部空間。當結構上下剛度不規(guī)則時也可以采用鋼骨混凝土結構作為中間的過度層使內力傳遞更加合理。 對于鋼骨混凝土梁作為一種承載力較高、剛度大、截面小、結構延性好的受剪扭構件，在建筑結構中的應用也越來越廣泛了，一方面由于鋼骨混凝土結構含鋼量比較大，所以造價比較大，限制了其發(fā)展還由于鋼骨混凝土施工工藝比較難，難以澆筑，所以也限制了其發(fā)展。由于對于鋼骨混凝土實驗以及模擬研究較少的情況下。本文采用ABAQUS對已有文獻實驗構件數(shù)據(jù)進行有限元模擬，將這些數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進行對比，用以總結對比實驗與理論計算的的數(shù)據(jù)是否一直，以及存在誤差的原因分析。如果模擬計算得出數(shù)據(jù)與實際實驗吻合度較高，這就表明建立的模型的合理性和精確性高，從而確立的有限元模型的有效性。同時也可以確定了單元選取的方法，模擬確定單元網(wǎng)格劃分原則，以及使用的混凝土鋼材的本構關系的正確性。本模擬實驗計算方法采用現(xiàn)階段比較實用的承載力計算的疊加的方法與普通計算方法對比分析鋼骨混凝土的對構件承載力的貢獻與合理布置。對于鋼骨混凝土的研究始于20世紀的歐美，由空腹式梁、柱，然后有了規(guī)程。日本比較早，1920年開始研究探索使用。日本在該結構形式上的研究最早可以追溯到 1920 年，作為 SRC 結構應用最有歷史和經(jīng)驗的國家，日本在 SRC 結構的試驗、研究等方面一直走在前沿。從 1950年開始，東京大學的蛭田搶太郎，若林実研究小組開展了各式各樣的試驗，目的是為了探究 SRC 結構的強度和剛度等受力性能；1958 年日本規(guī)范中給出了組合結構承載力的簡化計算方法。若林実，南宏一研究小組對鋼骨混凝土柱做了大量的試驗研究，著重對鋼骨混凝土柱在循環(huán)荷載下的偏壓、剪切等受力情況作了深入的研究。自 1950 年以來，國內外專家就著手研究 SRC 構件，研究的方面主要在計算模型、分析方法和計算方面上。研究內容主要有兩個方向：一是將允許應力強度理論視做 SRC 構件的設計準則，這相當于把 SRC 結構看做鋼結構；二是將極限強度理論視做 SRC 構件的設計準則，這相當于把 SRC 結構看做 RC 結構。型鋼與混凝土之間作用的不同認知造成了這種差異。日本和美英多采用前者，并且根據(jù)允許應力強度理論發(fā)展了各自相應的設計理論：疊加強度理論和彈性設計方法。而蘇聯(lián)則采用了后者，認為混凝土和型鋼之間的作用不可靠，尤其是當構件因變形而到達彈塑性階段時，兩者的共同工作已經(jīng)沒有保證。鋼骨混凝土(SRC)結構的抗震性能優(yōu)越，受力性能合理，而且承載能力較普通鋼筋混凝土有極大的提高，因此近年來鋼骨混凝土結構得到了越來越廣泛的應用。專家對鋼骨混凝土構件做了大量的試驗研究、有限元分析，形成了具有自己本國特點的規(guī)范條文及科技著作。但對鋼骨混凝土構件的研究主要集中在構件的抗震性能、正截面受剪扭、斜截面受剪等研究領域.SRC 結構的工程應用可以追溯到 19 世紀初，最先證明型鋼對 SRC 結構的承載力有顯著提高作用的是 Burr，他采用的研究對象是空腹式 SRC 柱構件。一直推遲到 1920 年對于型鋼與混凝土之間共同工作的研究才開始，Mackay 采用了不同與 Burr 的 SRC 梁構件進行研究，并提出了兩種材料能夠共同工作的依據(jù)。最開始美國的混凝土規(guī)范盡管已經(jīng)認識到這種型鋼和混凝土之間的共同工作在內力與變形方面的平衡與協(xié)調，然而卻忽視了存在于型鋼之中的初始位移和殘余應力。1928年使用軸壓柱，1929年開始使用偏壓鋼骨混凝土柱，1932年開始在節(jié)點上使用鋼骨混凝土結構。而我國從20世紀50年代從英國引入基本做法與使用規(guī)程，80年代末期高校開始研究鋼骨混凝土結構構件使用。1998年冶金部出版鋼骨混凝土規(guī)程2001年JGJ138-2001型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程也產(chǎn)生了，SRC 受剪扭構件受力性能的研究目前依舊不算完善，國內外研究的主體多為在軸向壓力、彎矩、剪力或者它們共同作用下 RC 構件的力學性能和抗震性能。日本鋼骨鋼筋混凝凝土結構計算標準及解說中將型鋼分為兩部分：鋼筋混凝土部分和型鋼部分。鋼骨混凝土構件的極限彎矩即為兩者極限彎矩之和。此種算法只是將兩者簡單疊加，并沒有考慮型鋼內表面和內部核心混凝土、型鋼外表面和外部混凝土之間的相互作用。二十世紀 80 年代冶金部建筑研究總院開始對鋼骨混凝土構件展開研究。對不同受力條件下的不同形式鋼骨混凝土構件做了大量試驗，包括鋼骨混凝土軸壓短柱、偏壓短柱、偏壓長柱和鋼骨混凝土梁等從此型鋼開始應用與混凝土中。每年隨著個高?？蒲袡C構的研究成果的發(fā)表不斷激勵著規(guī)范每年的更新。國內對鋼筋混凝土構件的復合受力下的性能研究已日趨成熟，但是對于鋼骨混凝土復合受力構件的抗彎性能研究還不多。這類結構體系和構件的研究還很不充分，因此對這種結構體系和構件的研究已迫在眉睫，而在結構體系性能研究中組合構件的基本性能研究是其基礎。了解了構件的這些基本性能，才能夠滿足工程設計的基本要求并建立正確的設計方法。因此，研究鋼骨混凝土構件在抗彎狀態(tài)下的鋼骨混凝土的性能是當務之急，對鋼骨混凝土抗彎構件的有限元分析及其理論研究具有重要現(xiàn)實意義。鋼骨混凝土結構體系在我國的應用越來越多，并且建筑的高度越來越高，體量越來越大，體型越來越復雜也促進了我國建筑業(yè)的發(fā)展。 進年來，雖然鋼-混凝土組合梁在我國建筑與橋梁領域已經(jīng)得到越來越多的應用，顯示出很好的技術經(jīng)濟效益和社會效益，受到了建設單位和施工單位的青睞。然而由于專業(yè)設計人員和主管領導并不算綜合效益，簡單的把組合梁與鋼筋混凝土梁對比，雖然組合梁的造價比鋼筋混凝土梁要高出3 0%-40%。但是，組合梁帶來的綜合效益如結構構件的高度降低了，結構可以利用的建筑空間增大了。自重也減輕了，地震作用也減小了，豎向構件截面尺寸也減小了，基礎造價也降低了，延性也提高了，施工費用也降低了。施工工期的縮短還是相當可觀的。組合梁和鋼梁的造價相比降低了30%左右。目前，我國相關的規(guī)范還有待完善，有些地方可能還不是很精確。所以組合梁的推廣應用也造成了一定的困難。分析方法包括，通過有限元軟件對實驗結構在一定假定條件的前提下進行分析計算，然后得出應力-變形關系曲線，得到混凝土、鋼筋、型鋼的應力云圖以及構件的開裂彎矩和極限彎矩，對鋼骨混凝土構件的受力進行全過程分析。運用有限元分析，計算組合疊加法的可行性。組合疊加法一般計算方法基本公式如下： 根據(jù)塑性理論下限定理，利用上式計算承載力的方法為：對于給定的軸力N值根據(jù)第一式中的軸力平衡方程，任意分配鋼骨部分和鋼筋混凝土部分所承擔的軸力，并分別求得各個部分相應的受剪扭承載力，在各個不同分配比例下，兩部分受剪扭承載力之和的最大值，即是在該軸力下鋼骨混凝土的受剪扭承載力。 對于鋼骨部分，分配其軸力后，在利用軸力與彎矩的相關關系，計算其受剪扭承載力其相關關系為：式中，為鋼骨部分承擔的軸力和彎矩；為鋼骨截面面積；為鋼骨截面塑性系數(shù)對已工字型和十字型可選；為鋼骨材料的強度設計值。對于鋼筋混凝土部分，分配軸力后，可以按混凝土結構設計規(guī)范GB50010-2010普通鋼筋混凝土壓彎構件的計算方法，計算其受剪扭承載力，但應取，且受壓混凝土要扣除鋼骨所占面積。 對于一般疊加法理論較為完善，與以平截面假定為基礎的理論計算方法一致，但要經(jīng)過反復試算，實際應用卻很不方便。為此日本規(guī)范采用了簡單疊加方法。鋼骨混凝土結構設計規(guī)程YB9082-2006也采用了簡單疊加法。計算公式如下：a. 當且時，鋼骨部分僅承受剪扭矩鋼筋混凝土部分軸力和彎矩值為，b. 當時，鋼筋混凝土部分僅承受軸向壓力，鋼骨部分的軸力和彎矩值為c. 當時，鋼筋混凝土部分僅承受軸向的拉力，鋼骨的軸力和彎矩設計值為本文利用鋼管混凝土與鋼骨混凝土的極限彎矩分析所用方法的一致性。計算結果驗證了組合法的精確性，并研究個因素對鋼骨混凝土梁抗彎的影響。并分析有利的構件截面尺寸與長度大小。主要參考文獻：1 趙鴻鐵。鋼與混凝土組合結構。第一版。北京：科學出版社，2001 2 中華人民共和國行業(yè)標準。鋼骨混凝土結構設計規(guī)程（YB9082-97）。 3 中華人民共和國行業(yè)標準。型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程（JGJ138-2001） 4 中華人民共和國標準。鋼結構設計規(guī)范（GB50017-2003）北京：建筑工業(yè)出版社，2003 5 中華人民共和國標準。建筑結構荷載規(guī)范（GB50009-2012）北京：建筑工業(yè)出版社，2012 6 中華人民共和國標準?；炷两Y構設計規(guī)范（GB50010-2010）北京：建筑工業(yè)出版社，2010 7 中華人民共和國行業(yè)標準。高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程（GB50099-2002）京：建筑工業(yè)出版社，2002 8 周起敬，姜維山，潘泰華主編。鋼與混凝土結構施工手冊。第一版。北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991 9 周獻詳。鋼骨混凝土梁的設計及實例分析。建筑結構。1999年第4期 10 李凱文，鄒昀。鋼骨混凝土柱基于ABAQUS的力學分析。四川建筑科學研究。2012年第5期。 11 程志勇。鋼骨-鋼筋混凝土受剪扭構件的彎曲性能實驗研究。湖北師范學院學報。2003第3期 12 王連廣，李立新，梁玉君，孫立新，劉巖峰。鋼骨混凝土受剪扭構件非線性全過程分析。沈陽建筑工程學院學報。2001第2期。 13 李少泉，沙鎮(zhèn)平。鋼骨混凝土正截面承載力計算的疊加方法。建筑結構學。2002年第3期 14 葉列平，趙樹紅，方鄂華。鋼骨混凝土構件正截面承載力計算。工程力學。1999年第4期 15 梁榮耀 鋼骨混凝土異形柱-T形截面柱抗剪性能實驗研究。廣西大學碩士學位論文。 16聶建國著。 鋼-混凝土組合結構原理與實例 中國建筑工業(yè)出版社2006 17李哲著 鋼骨混凝土異形柱 冶金工業(yè)出版社 2003 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