硕士学位论文-基于ANSYS程序的钢骨高强混凝土柱有限元分析.doc
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1、硕士研究生学位论文 摘 要 - I - 摘摘 要要 本文在钢骨高强混凝土压弯柱和钢骨混凝土梁试验研究的基础上,运用大型通用有 限元软件 ANSYS 对柱、梁的整个受力过程进行了数值模拟。利用 ANSYS 程序分别就混 凝土强度、轴压比、配箍率、含钢率、钢骨屈服强度对承载力的影响进行计算。全文共 分六章: 第一章简述了钢骨混凝土结构的分类、特点及在国内外的应用状况,总结了钢骨混 凝土结构在试验研究、理论研究和数值模拟方面的研究进展,提出了本课题的研究意义。 第二章叙述了数值计算的基本理论,内容包括有限单元法、塑性理论和数值求解方 法。 第三章确定了混凝土、型钢、钢(箍)筋的本构关系及破坏准则,介
2、绍了本文所选用的 非线性有限元分析软件 ANSYS 及其计算分析流程。 第四章对钢骨高强混凝土柱在压弯状态下的整个受力过程进行了数值模拟。分析了 混凝土、型钢在整个受力过程中的应力、应变状态,钢筋的应力发展,混凝土裂缝的开 展情况;比较了不同的混凝土强度、轴压比、箍筋间距、含钢率对钢骨高强混凝土柱承 载力的影响。 第五章对钢骨混凝土梁进行非线性有限元分析,考虑了型钢与混凝土之间、纵向钢 筋与混凝土之间的粘结滑移效应。将考虑滑移效应、未考虑滑移效应和试验这三种情况 下的荷载位移曲线和计算结果进行了对比;分析了极限状态下混凝土与型钢的应力、 应变情况,混凝土裂缝的发展过程;比较了不同的混凝土强度、
3、配箍率、含钢率、钢骨 屈服强度对钢骨混凝土梁承载力的影响。 第六章总结了本文的研究工作及得到的主要结论,并提出了本课题方面有待于进一 步深入研究的问题。 关键词:钢骨高强混凝土柱;钢骨混凝土梁; ANSYS 程序;非线性分析; 受力过程;粘结滑移 硕士研究生学位论文 ABSTRACT - - NUMERICAL CALCULATION THEORY AND ANALYSIS OF STEEL REINFORCED CONCRETE COMPONENT Master Candidate: Guangbo Mu Adviser: Lianguang Wang ABSTRACT Based on t
4、he experimental investigation, the whole deformation process of steel reinforced high-strength concrete (HSRC) column and steel reinforced concrete (SRC) beam are simulated by Finite Element Analysis (FEA) software ANSYS. The calculation is proceeding by ANSYS program under the conditions of differe
5、nt strength of concrete, different axial-compress ratio, different volumetric percentage of stirrups, and different volumetric percentage of steel and different strength of steel. 6 chapters are included in this paper and introduced as follows: Chapter 1, the divisions, features and applications at
6、home and abroad of SRC structure are introduced in short. The research development of experiment, theory and numerical simulation are summarized. In the end, the author expounds the importance of the subject. Chapter 2, the basic theories of numerical calculation are described, the contents includes
7、 the finite element method, plasticity theory and numerical solution method. Chapter 3, the stress-strain relationships and failure criterion of concrete, steel, reinforced and stirrups are confirmed. The FEA software ANSYS and its analysis process are presented. Chapter 4, the whole deformation pro
8、cess of HSRC is simulated. The stress and strain distribution for concrete and steel under monotone loading in different working stages are analyzed, another stress development for reinforcement and the crack circumstance for concrete are analyzed too. The influences to bearing capacity of HSRC are
9、compared under the condition of different strength of concrete, different axial-compress ratio, different volumetric percentage of stirrups and different volumetric percentage of steel. Chapter 5, the nonlinear analysis of SRC is performed, having considered bond-slip effect of steel and concrete, a
10、s well as reinforcement and concrete. The Force-Displacement curves and calculations are compared with considering and no considering bond-slip effect, experiment these three circumstances. The stress and strain distribution for concrete and steel under ultimate state are analyzed. The influence to
11、bearing capacity of SRC are compared under the condition - - ABSTRACT 硕士研究生学位论文 of different strength of concrete, different volumetric percentage of stirrups, different volumetric percentage of steel and different strength of steel. Chapter 6, the author summarizes the research work and results, an
12、d points out some problems unsolved in this field in the future. Keywords: HSRC column; SRC beam; ANSYS program; nonlinear analysis; deformation process; bond-slip 硕士研究生学位论文 目 录 - - 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论1 1.1 概述.1 1.2 钢骨混凝土结构在国内外应用与研究现状2 1.2.1 应用状况2 1.2.2 试验研究现状4 1.2.3 理论研究现状5 1.2.4 数值模拟技术研究现状6 1.2.5 存
13、在问题7 1.3 本课题研究意义.7 1.4 本课题主要工作.7 第二章第二章 基本理论基本理论9 2.1 有限元单元法.9 2.2 塑性理论.11 2.2.1 屈服准则11 2.2.2 流动准则.12 2.2.3 强化准则.12 2.3 数值求解方法.13 2.4 本章小结.14 第三章第三章 数值计算理论模型数值计算理论模型.15 3.1ANSYS 软件简介15 3.2ANSYS 程序分析流程15 3.3ANSYS 程序对材料弹塑性分析的实现15 3.4 材料的本构关系.17 3.4.1 混凝土的本构关系及破坏准则17 3.4.2 混凝土的裂缝模式.20 3.4.3 混凝土压碎后的处理22
14、 3.4.4 型钢和钢(箍)筋的本构关系及屈服准则23 3.5 钢骨混凝土构件网格剖分特点.23 3.6 本章小结.23 第四章第四章 基于基于 ANSYS 程序的钢骨高强混凝土柱有限元分析程序的钢骨高强混凝土柱有限元分析25 - - - 目 录 硕士研究生学位论文 4.1 计算模型.25 4.1.1 几何尺寸及计算简图25 4.1.2 建立模型25 4.1.3 材料参数的确定28 4.2 计算方法.29 4.2.1 约束及加载29 4.2.2 模型求解.30 4.3 计算结果分析.32 4.3.1 荷载位移曲线32 4.3.2 计算结果比较32 4.3.3 钢骨的应力状态33 4.3.4 混
15、凝土的应力状态33 4.3.5 加载过程中混凝土与钢骨应力、应变的变化.34 4.3.6 钢筋的应力发展35 4.3.7 裂缝开展情况36 4.3.8 影响构件承载力的因素36 4.4 本章小结.39 第五章第五章 基于基于 ANSYS 程序的钢骨混凝土梁有限元分析程序的钢骨混凝土梁有限元分析.41 5.1 计算模型.41 5.1.1 几何尺寸及计算简图.41 5.1.2 建立模型41 5.1.3 材料具体参数44 5.2 计算方法.44 5.2.1 约束及加载.44 5.2.2 模型求解.45 5.3 计算结果分析.45 5.3.1 荷载跨中挠度曲线.45 5.3.2 计算结果比较47 5.
16、3.3 混凝土与型钢应力图.47 5.3.4 混凝土与型钢的荷载应变.49 5.3.5 裂缝的发展.50 5.3.6 影响钢骨混凝土受弯构件承载力的因素50 硕士研究生学位论文 目 录 - - 5.4 本章小结.53 第六章第六章 结论与展望结论与展望55 参考文献参考文献.57 致致 谢谢.61 作者简介作者简介.62 硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 概述概述 钢骨混凝土结构1是指在钢筋混凝土内部埋设钢骨的一种新型结构,是钢与混凝土组 合结构的一种主要形式。这种结构在不同国家有不同的叫法,日本称之为钢骨钢筋混凝 土结构,英、美等西方国家称之为混凝土包钢
17、结构,前苏联称之为劲性钢筋混凝土结构, 我国目前普遍称之为钢骨混凝土结构,简称 SRC 结构。 钢骨混凝土结构根据所用钢骨的不同主要分为实腹式和空腹式两大类,实腹式构件 的钢骨多由型钢或钢板焊成,空腹式构件的钢骨一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢组成。 实腹式构件制作简单,承载力大,抗震性能好;空腹式构件比较节省材料,但制作费用 较多,抗震性能比普通钢筋混凝土构件稍好2。常见的实腹式、空腹式钢骨混凝土构件见 图 1-1。 (a) 实腹式钢骨混凝土柱 (b) 空腹式钢骨混凝土柱 (c) 实腹式钢骨混凝土梁 (d) 空腹式钢骨混凝土梁 图 1-1 钢骨混凝土梁柱的基本类型截面 钢骨混凝土结构具有强度高
18、、刚性大以及良好的延性及耗能性能,由钢骨混凝土构 件组成的结构具有良好的抗震性能,因此在地震的多发区及高层、超高层建筑中采用钢 - 2 - 第一章 绪 论 硕士研究生学位论 文 骨混凝土结构更具优越性。与钢筋混凝土结构、钢结构相比,钢骨混凝土结构还具有一 系列不同的特性: 与钢结构相比:外包混凝土可以有效防止型钢的局部屈曲,提高构件的整体刚度, 使钢材强度得以充分利用,钢骨混凝土框架较之钢框架可节省钢材约 50%甚至更多13; 具有更大的刚度和阻尼,有利于控制结构的变形;钢骨埋置于混凝土内,提高了构件的 防火性能、耐腐蚀性能。 与钢筋混凝土结构相比:配置型钢使构件的承载力大为提高,尤其是实腹式
19、钢骨混 凝土柱的抗剪承载力有很大提高;有利于减小构件的截面尺寸,增加建筑使用面积,满 足现代的大开间、大空间需求;可将模板悬挂在钢骨架上,利用型钢承受构件自重和施 工时的活荷载,这样省去了支撑,加快了施工速度34。 高强混凝土抗侵蚀能力强,耐久性好,强度高,变形小。在现代建筑中,高层大跨 的结构层出不穷,高强混凝土也被越来越多地广泛重视。但是,由于高强混凝土脆性大, 延性差,从而影响其在抗震结构工程中的应用。如将高强混凝土用于钢骨混凝土结构, 形成钢骨高强混凝土结构(简称 HSRC 结构),可以充分发挥钢骨与高强混凝土的工作性能, 特别改善了高强混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性,更
20、增加了结构和构 件的抗震性能。 近年来,钢骨高强混凝土结构在很多大型工程结构中得到应用,取得较好的经济效 益。 1.2 钢骨混凝土结构在国内外应用与研究现状钢骨混凝土结构在国内外应用与研究现状 1.2.1 应用状况应用状况 日本是世界上应用钢骨混凝土结构最早、最多的国家,如表 1-1 所示。 表 1-1 钢骨混凝土结构在日本的应用 1910 年 日本的钢骨混凝土结构起源于从欧洲传入 的一种护墙结构,它是用钢骨作为骨架埋 入石护墙的结构。后来用钢筋混凝土外包 钢骨代替钢骨周围的砖石,即形成日本钢 骨混凝土结构的雏形。如图 1-2 所示。 1918 年 内田祥三设计的东京海上大厦(地上 7 层),
21、柱及内部大梁的钢骨均外 包了混凝土,是真正的钢骨混凝土结构5。 1921 年内藤多仲设计的于 1923 年在同丸内建成的日本兴业银行,建筑面积 图 1-2 钢骨混凝土结构的起源 硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 - 3 - 15000m2,高 30m,其梁与柱均采用实腹式钢骨混凝土结构,该结构 因在东京大地震中几乎未遭破坏,而引起日本结构工程界的普遍关注。 1950 年 日本建筑基本法作为建筑行政指导方针,要求 6 层以上的建筑物采用 钢骨混凝土结构。 1953 年日本建筑基本法要求 7 层以上的建筑物采用钢骨混凝土结构。 1970 年日本建筑基本法要求 8 层以上的建筑物采用钢骨混凝土结构
22、。 至 1985 年为止 钢骨混凝土结构的建筑面积占总建筑面积的 62.8%,10-15 层高层建 筑中,钢骨混凝土结构的建筑物占总数的 90%左右。16 层以上的建筑 则约有 50%采用钢骨混凝土结构,50%采用钢结构,而在 16 层以上 的钢结构中,其下部 1-5 层也多半采用钢骨混凝土结构36,这是因为 高层钢结构刚度较小,侧向位移较大,而采用钢骨混凝土结构后,不 仅提高了结构的承载力,而且刚度也增大很多。 1994 年36 层的北海饭店,121m 高,采用 SRC 和普通 RC 组成内筒,钢框架 结构。 此外欧美及其它一些国家也将钢骨混凝土结构应用到国内的高层及超高层的建筑中 来,如表
23、 1-2 所示。 表 1-2 钢骨混凝土结构在欧美及其它国家的应用 休斯敦得克萨斯商业中心 大厦 高 305m,79 层,采用钢骨混凝土外框架钢骨混 凝土内筒结构体系。 达拉斯 Inter First Plaze 办 公楼 高 279m,72 层,采用钢骨混凝土框架体系。 新加坡 Treasury 办公楼55 层,采用钢骨混凝土核心筒体系。 休斯顿 Gulf Tower高 221m,52 层,采用钢骨混凝土柱钢梁框筒结 构。 雅加达 Central Plaza 23 层,采用钢骨混凝土柱,梁一方向为钢梁,一 方向为钢筋混凝土梁体系。 我国对钢骨混凝土结构的应用较晚,50 年代从前苏联引进了钢骨
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