1 引言  

1.1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的定義與特點(diǎn) 
鋼管混凝土，指在鋼管中填入混凝土形成的結(jié)構(gòu)，它利用了兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)并且在相互作用下產(chǎn)生了1+1 大于2 的效果，不但提高了其強(qiáng)度，而且改善了其變形性能，更對(duì)鋼管發(fā)生局部屈曲起到了延緩作用，并且提高了整體結(jié)構(gòu)的承載能力，耐火性能等，這種組合使其在實(shí)際工作中主要有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）承載能力高，混凝土在鋼管中受到約束作用，不僅使受壓混凝土減慢其橫向變形，而且能緩解鋼管局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，在兩者的相互作用下，使其整體性能得到很大提升，尤其是承載力方面，產(chǎn)生 1+1 大于 2 的效果。 （2）抗震性能好，如何在應(yīng)用中避免混凝土脆性特征，因而鋼管的加入得以實(shí)現(xiàn)兩種材料發(fā)揮其各自特點(diǎn)，使整體處于可塑狀態(tài)，不但可很好的面對(duì)沖擊、振動(dòng)等工況而且對(duì)遇到罕見振動(dòng)時(shí)也有很好的效果[7~13]。 （3）工程簡便、快捷，顯而易見，在普通施工中進(jìn)行梁柱澆筑時(shí)，會(huì)有很多道工序，如支模，，綁扎等等，不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且造成了很多不必要的麻煩，但對(duì)于鋼管混凝土而言，在工程上更方便，更快捷，并且在柱子澆筑時(shí)運(yùn)用了頂升技術(shù)，一次頂升可以達(dá)到較高的高度而且與鋼結(jié)構(gòu)相比，焊縫簡單，易于操作。 （4）抗高溫性能強(qiáng)，在遇到特殊環(huán)境下，或是發(fā)生意外事故，使室內(nèi)外溫度升高時(shí)，此結(jié)構(gòu)可以吸收一部分熱能，使外部的溫度相對(duì)降低，起到了“水壺效應(yīng)”。 （5）經(jīng)濟(jì)性好，此結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)比起來，即節(jié)省混凝土，又節(jié)省鋼材，并且還能減輕自重。此外由于施工方便、簡潔，人工費(fèi)也大大減少，混凝土在鋼管內(nèi)部也起到了防銹的作用，也降低了其護(hù)理費(fèi)用[14~17]。 
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1.2 鋼管混凝土的發(fā)展
從1879 年英國鐵路首次使用鋼管混凝土至今已過去了 100 多年的時(shí)間，人類通過實(shí)踐逐步了解并認(rèn)識(shí)到鋼管混凝土的優(yōu)越性。尤其在近些年來，研究人員對(duì)鋼管混凝土的優(yōu)越性能得以認(rèn)識(shí)，并在土木工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，為未來長遠(yuǎn)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 在20 世紀(jì) 60 年代Chapman 等，通過一系列鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究與分析，拉開了研究矩形鋼管混凝土的序幕。 把混凝土填充到鋼管中構(gòu)成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，形成力學(xué)性能更強(qiáng)的整體，其中內(nèi)部混凝土形成“水壺效應(yīng)”進(jìn)而提高了鋼管的耐火性能，并且兩者的相互作用也提高了鋼管的局部穩(wěn)定性[1]。外部鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土的套箍作用，不僅提高了混凝土的強(qiáng)度，并且在這種約束下其它相關(guān)性能也得到了改善，比如混凝土的塑性等，這也就實(shí)現(xiàn)了在工程中 1+1>2 的效果。并且兩種材料的運(yùn)用，使整體截面面積減小，總重量減輕，承載力反而得到了提高，其中對(duì)鋼管壁板的要求也不是很高，在國內(nèi)很多工廠也可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。同時(shí)可以大量節(jié)約相關(guān)費(fèi)用與鋼材的用量。從而降低結(jié)構(gòu)成本，并且無需支模過程，不僅節(jié)約基礎(chǔ)費(fèi)用更縮短 1/4~1/3 的工期，柱子截面面積的減小，也能把使用空間增大4~8%，并且這種結(jié)構(gòu)還有構(gòu)造簡單、規(guī)則，連接與處理方便等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。 在國外大量學(xué)者的研究下，產(chǎn)生了許多相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，例如：德國的設(shè)計(jì)規(guī)范DIN18606（1997），歐洲的設(shè)計(jì)規(guī)范 EC4（1996）等，在這些規(guī)范中，最有說服力且被引用較多的是日本、美國、歐洲的設(shè)計(jì)規(guī)范。 早在前蘇聯(lián)五六十年代就已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)對(duì)鋼管混凝土有了初步認(rèn)識(shí)，并進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在 20 世紀(jì) 20 年代，日本發(fā)生了關(guān)西大地震之后的現(xiàn)場(chǎng)勘察中發(fā)現(xiàn)該種結(jié)構(gòu)相比其它結(jié)構(gòu)的損壞程度較小。在 20 世紀(jì) 90 年代，這種結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷的數(shù)次地震中尤為突出，人們開始意識(shí)到鋼管混凝土課題研究的重要程度是不可小視的。 
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2 矩形鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)的有限元適應(yīng)性分析

2.1 ABAQUS 簡介
ABAQUS 由世界知名的有限元分析軟件公司——ABAQUS 公司（原為 HKS 公司，即 Hibbitt，Karlsson&  Sorensen,INC，2005 年被法國達(dá)索公司收購，2007 年公司更名為SIMULIA）于 1978 年推出。 ABAQUS 軟件是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件高速發(fā)展的背景下應(yīng)運(yùn)而生，并且根據(jù)用戶反饋的信息不斷解決新的技術(shù)難題與軟件更新，使得其逐步完善。 ABAQUS 不僅能進(jìn)行相關(guān)模態(tài)分析而且可以進(jìn)行流—固耦合分析、聲場(chǎng)和聲—固耦合分析、壓電和熱—電耦合分析、熱—固耦合分析、質(zhì)量擴(kuò)散分析等。 ABAQUS 在許多領(lǐng)域都有所涉及，無論在土木、機(jī)械、航天等等，越來越多的國家也開始重視對(duì)ABAQUS 的使用，我國用戶的使用量也呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，可見 ABAQUS在各領(lǐng)域中的重要程度。 此軟件使用方便快捷，很容易處理一些繁瑣的模型。對(duì)于很多數(shù)值模擬，使用者只要求輸入結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)如具體形狀、邊界條件、材料屬性等數(shù)據(jù)。對(duì)于非線性問題的分析，此軟件能智能處理出相應(yīng)的荷載增量以及收斂準(zhǔn)則，在分析時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保結(jié)果的精確性。 此外，這種軟件基于其大量的單元庫，可以用于各種復(fù)雜的異形狀態(tài)，并且擁有足夠多的材料庫，可用于模擬大多數(shù)的常見工程材料，如各種金屬、聚合物等等。
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2.2 本構(gòu)關(guān)系概述
本構(gòu)關(guān)系是描述一種材料的內(nèi)部屬性，實(shí)際工程中反映出在受力狀態(tài)下，其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系的計(jì)算方程，它反映出力學(xué)關(guān)系的物理方程。在有限元分析中，此種方程尤為重要，它是進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)，不僅對(duì)整體的運(yùn)算過程產(chǎn)生影響，也對(duì)其結(jié)果的真實(shí)性有很大的影響。材料的本構(gòu)關(guān)系是由大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再通過理論計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)最終得出其結(jié)果，在本構(gòu)關(guān)系中有許多中模型，比如：線性與非線性、彈性與彈塑性等等。本章應(yīng)用鋼管混凝土的受力機(jī)理，以大量文獻(xiàn)為依托，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的確定。 隨著技術(shù)的創(chuàng)新與新儀器的研發(fā)來測(cè)定混凝土這種不均勻性的材料得以實(shí)現(xiàn)，組合結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)又使混凝土的性質(zhì)得到了一次質(zhì)的飛躍，在其外部包裹鋼材，不僅提高了混凝土的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)尤其是抗壓性能，而且又充分發(fā)揮兩種材料的各自優(yōu)越性能。 在此構(gòu)件軸心受壓下，隨著受力的增加其承載力也隨之上升，當(dāng)達(dá)到一定范圍內(nèi)，其鋼管的約束作用開始起到了一定效果，在素混凝土下，其承載力已不再上升，而鋼管的出現(xiàn)使其構(gòu)件進(jìn)入了承載力繼續(xù)上升的趨勢(shì)，整體結(jié)構(gòu)此時(shí)處于三向應(yīng)力狀態(tài)。 近些年，通過對(duì)大量文章與文獻(xiàn)的積累，整理出相應(yīng)鋼管混凝土的性質(zhì)特征，不僅與內(nèi)部因素有關(guān)，主要和約束效應(yīng)系數(shù)ξ 有關(guān)。 
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3 矩形鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)的非線性有限元分析 .......... 23 
3.1 概述 .... 23 
3.2 模型的建立 ..... 23 
3.3  節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力特點(diǎn)分析 .......... 27 
3.3.1 應(yīng)力分析 ...... 27 
3.3.2 變形分析 ...... 29 
3.4 節(jié)點(diǎn)受剪承載力的全因素分析 ....... 30
3.5 節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的單因素分析 ....... 33
3.6 本章小結(jié) .......... 44 
4  矩形鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力的理論分析 ...... 45 
4.1 現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力計(jì)算方法 .... 45 
4.1.1《規(guī)程》中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力的計(jì)算方法 .......... 45
4.1.2 Fukumoto 與 Nishiyama 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力的計(jì)算方法 ......... 46 
4.2 模擬承載力與各種方法承載力的比較 ......... 48 
5  結(jié)論與展望 ........ 52 

4  矩形鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力的理論分析 

4.1 現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力計(jì)算方法

通過各公式抗剪承載力的計(jì)算結(jié)果與模擬值對(duì)比，F(xiàn)ukumoto  與Nishiyama 計(jì)算方法與模擬值較接近，但此方法普遍適用于高強(qiáng)鋼材，對(duì)普通鋼材需要加以修正。而我國《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 159:2004）[64]給出的抗剪承載力公式是矩形鋼管混凝土內(nèi)加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)，并且軸壓比在式中沒有體現(xiàn)  [58]。 公式4.13 了軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響，也同時(shí)考慮約束效應(yīng)下混凝土強(qiáng)度的提高在受力全過程分析中，鋼管、混凝土、加強(qiáng)環(huán)的協(xié)同作用也能在式中體現(xiàn)，并且由相關(guān)文獻(xiàn)[36]可知通過大量試驗(yàn)對(duì)比得出，混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 fcu，k<110MPa 時(shí)，鋼材強(qiáng)度fy<450MPa，其極限荷載均可保證安全，滿足設(shè)計(jì)要求。見表 4.3 通過修正公式計(jì)算抗剪強(qiáng)度與實(shí)際試驗(yàn)值[58]吻合良好。 

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結(jié)論

本文通過對(duì)矩形鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)模型的有限元分析，可得出以下結(jié)論： 
（1）隨著柱軸壓比的增大，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力下降，且降低的幅度趨于線性，在 tj/tc為 0.5，hb/hc為 1.2 的情況下，要保證該類節(jié)點(diǎn)的可靠傳力，建議柱軸壓比宜小于0.6。 
（2）隨著節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼管壁厚與柱鋼管壁厚比 tj/tc的增加，抗剪承載力顯著提高，為保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不發(fā)生剪切破壞，建議tj/tc≥1。 
（3）隨著矩形鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱腹板厚與柱鋼管壁厚比的增加，其抗剪承載力也顯著增加，說明鋼管混凝土核心區(qū)腹板厚度對(duì)其抗剪承載力有較大影響。在柱軸壓比為 0.4 的情況下，其 twj/tc在 0.5~0.67 之間，節(jié)點(diǎn)的破壞模式從核心區(qū)破壞轉(zhuǎn)向梁端破壞，本文建議實(shí)際工程中若削弱腹板壁厚 twj/tc應(yīng)大于0.8 為宜。 
（4）隨著節(jié)點(diǎn)核心區(qū)梁高與柱寬比 hb/hc的增加，其相應(yīng)結(jié)構(gòu)的抗剪承載力變化浮動(dòng)不大，表明鋼管混凝土核心區(qū)高寬比對(duì)其抗剪承載力沒有顯著的影響。 
（5）對(duì)于兩種型式，相同尺寸的 T 型與十字型節(jié)點(diǎn)而言，兩種節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力差異不大。由于本次模擬的節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，T 型和十字形節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力尚需要進(jìn)一步研究。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：37930