钢管发泡混凝土轴心受压构件受力性能土木工程研究

来源: www.sblunwen.com 作者:vicky 发布时间:2018-08-06 论文字数:34115字
论文编号: sb2018072015110722169 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇土木工程论文,本论文介绍了国内外钢管混凝构件的研究现状及发泡混凝土目前的应用情况。现阶段,钢管混凝土已经被广泛的运用在了实际工程当中,在大跨度桥梁、多层及高层建
本文是一篇土木工程论文,本课题通过对钢管发泡混凝土构件的轴压试验和有限元分析,研究其受压性能,以解决钢管混凝土构件自重大,造价高,运输不便等问题,从而达到既可以减轻钢管混凝土构件自重,又可以降低纯钢管构件的结构成本的目的。

第 1 章 绪论

1.1 本研究课题的工程背景及其理论与实际意义
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土,二者共同承受外荷载的一种结构,这种结构的基本原理可总结为两方面:
(1)借助内填混凝土增强钢管管壁的稳定性。尤其对于薄壁高强钢管而言,在承受较大荷载时,钢管临界承载力极不稳定,很容易出现失稳现象,而其中填充的混凝土可以防止钢管过早失稳,可以提高其稳定水平,提高钢管的承载力;
(2)钢管对混凝土的约束使得钢管内部的混凝土在受到轴压影响后处于三向受压的状态,这样可以有效的阻止其纵向开裂,使混凝土的变形性能和抗压强度有了明显的提高。因此,通过两种材料组合在一起弥补了各自的缺点,有利于提升材料的性能,且显著提升了结构整体的承载能力,明显高于二者的承载力之和,并使混凝土的塑性和韧性的性能也得到了显著的提升。
钢管混凝土构件目前在建筑领域得到了广泛的应用,在高层建筑结构当中,其适用性很强,而且强度也达到了较高水平,它可以在混凝土体系中取代部分钢筋混凝土结构,以解决高层建筑底部的柱截面尺寸过大的问题和钢筋高强混凝土柱的脆性破坏问题;由于其强度较高,也可以取代钢结构中的纯钢柱,以降低建筑成本。在大跨桥梁建设中,钢管混凝土这种高强结构的承载力与钢材的承载力相近,甚至其承载力还要高于钢材的承载力,在桥梁结构中,可以起到一定节省用料,提高施工速度等方面的优势。
本课题通过对钢管发泡混凝土构件的轴压试验和有限元分析,研究其受压性能,以解决钢管混凝土构件自重大,造价高,运输不便等问题,从而达到既可以减轻钢管混凝土构件自重,又可以降低纯钢管构件的结构成本的目的。
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1.2 钢管混凝土体系的发展
1.2.1 钢管混凝土国外研究现状
根据建筑资料可知,钢管混凝土最早是在 19 世纪 70 年代末所建的英国赛文(Severn)铁路桥中得到应用,其桥墩用到了钢管混凝土结构。随后在一些高层建筑物也有广泛的应用,作为结构体系的承重柱。不过早期关于钢管混凝土的研究相对较少,且没有考虑钢管的约束作用可提高核心混凝土的强度,导致应用范围受限。而到了 20 世纪 60 年代后这类结构才得到了进一步的研究和广泛的推广。
上个世纪前苏联曾对钢管混凝土柱的轴压性能进行了全面的研究,且将其应用到实际工程中,并表现出很高的应用价值。美国研究者则在上世纪六十年代对钢管混凝土进行了大量的试验研究,并将钢管混凝土轴压构件的设计公式列入到土建规范(ACI318-65)中,随后又对此规范进行了一定的修订,并将这种材料构件的轴压和受弯设计计算单独分列出来,20 世纪 60 年代初年在旧金山修建的一幢高层建筑中也用到了这种构件。
近些年来,美国和日本等国家也开始进行了这种材料工作性能的研究,即在钢管内填充满足一定强度要求的混凝土(一般指立方体试块强度 fcu≥50MPa 的混凝土),并在不同类型的工程中逐渐推广和应用。例如上世纪八十年代修建的一个 58层的联合大厦和太平洋议会大厦中就用到钢筋混凝土结构,1991 年在澳大利亚墨尔本建立的一个塔姆尔大楼也用到了钢管高强混凝土构件。这种结构的主要优点是强度高、可以节省水泥用量,有利于降低结构自重。因而其目前在一些负载很大的结构工程中开始广泛的应用。此外在高层建筑、地下工程中也有应用,并表现出了很高的应用价值。脆性大是这种材料最大的弊端,而高强混凝土在受到复杂的外力作用时,脆性的问题更为突出,大大降低了安全可靠性。如果将高强混凝土灌入钢管内就可以得到一个综合性能高的材料,可以促使混凝土受到钢材有效的约束作用,在复杂应力作用下钢材的抗剪能力与抗扭强度都较高,可以有效避免高强混凝土出现明显的破坏,使高强混凝土的应用价值得到了极大的提高,充分发挥材料的受力性能。
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第 2 章 钢管发泡混凝土柱有限元建模

2.1 有限元元法的基本思想
有限元分析是一种常用的工程分析方法,其主要依据材料结构的性质将结构划分称为很多细小的网格,网格的形状有多种,主要包括三角形、矩形、四边形等,这样可以将实体结构离散成一定数量的单元等。而这些单元可以在一定相互组合基础上,形成只在节点处相互铰接的单元,使结构只在节点处承受集中荷载。这样在计算过程中,需将结构上的非节点集中荷载计算到作用在节点上的荷载,使单元主要受到节点施加的集中力。这样在离散后,先进行单元分析,基于虚功原理来得到各个单元集中力和节点位移的相互关系,就可以通过节点位移表示单元节点集中力,在此基础上确定出所得结果之后,将结果带入到点等效集中荷载对应的方程。然后对全部其他的节点做相同的处理,从而得到整个结构节点荷载与节点位移的方程式,也就是整体平衡方程组,然后进行求解就可以确定出各个节点的位移分量。之后通过节点位移信息就可以按选定的单元内部位移函数确定出单元内各个点的位移,进一步确定出对应的应变和应力。这种方法的本质是将复杂的整体问题转换为有限自由度的问题。
在进行有限元分析过程中,经常用到固体力学知识。实际分析时,一般要进行线性假设,而利用其进行相关线性弹性体系分析时,一般应假设节点位移无限小;加载过程中边界条件的性质都没有发生明显的变化,而若不满足上述条件之一的,则就无法通过线性理论进行分析求解。通常把非线性问题主要划分为几何非线性和材料非线性两种类型,而如果材料的非线性是与材料的应变有关,则就涉及到相关的非线性弹性问题、弹塑性问题。这类问题在求解时,主要考虑到位移和应变是无限小这一要求,而如果结构的位移促使材料的应变出现了明显的变化,而无法通过线性体系进行分析检测时,则就称作为几何非线性。
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2.2 材料的本构关系
2.2.1 发泡混凝土的应力应变关系
发泡混凝土属于轻质多孔混凝土中的一种。在 ABAQUS 中,通常采用的本构模型包括弥散裂纹模型、塑性损伤模型等,其中弥散裂纹模型采用受拉弹性开裂和受压等向弹塑性硬化对这种材料的非线性行为进行模拟分析,通过弥散裂纹模型对混凝土受拉情况进行模拟分析,而受压情况分析时,主要用到弹塑性本构模型。而在混凝土脆性断裂模型分析时,仅考虑到这种材料受拉的非线性行为,且主要用于模拟分析少筋混凝土材料中的本构关系,有一定的应用局限性。
本文的试验构件是由加工厂加工制作而成,因运输过程的问题导致发泡混凝土试块受损,而无法进行轴心受压试验进行发泡混凝土本构关系的提取,因此,受拉与受压本构关系采用相关实验的研究结果。
随着发泡混凝土在国内建筑行业的兴起,关于发泡混凝土材料的研究不断增多,且很多相关的技术参数也相继确定。现行的发泡混凝土地方技术规程主要为一些地方性规程,如 2009 年河南颁布的《现浇泡沫混凝土墙体技术规程》和2010 年江苏省建筑工程管理局颁布的《现浇轻质泡沫混凝土应用技术规程》具体参数见表 2-1 。

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第 3 章 钢管发泡混凝土柱有限元分析结果………………17
3.1 有限元分析依据……………………17
3.2 钢管发泡混凝土柱破坏形态分析………………18
第 4 章 钢管发泡混凝土柱试验结果及分析……………………28
4.1 试验概况…………………………28
4.1.1 试件概况…………………28
4.1.2 试验方法……………………30
第 5 章 结论及展望………………54
5.1 本文结论………………54
5.2 展望………………55

第 4 章 钢管发泡混凝土柱试验结果及分析

4.1 试验概况
本文试验仪器采用的是压力范围为 200kN-10000kN 的 YAW-10000 结构压力试验机,采用 DH3816 型应变箱进行数据采集,对钢管发泡混凝土柱进行轴心受压试验,研究钢管发泡混凝土柱的受压性能。
4.1.1 试件概况
试验工作是在长春工程学院防灾减灾省重点实验室进行,根据前文所述,确定了试件尺寸后,加工厂开始进行加工生产,灌注的发泡混凝土为商品混凝土。其试件的材料参数如下:
(1) 钢材:外钢管采用 Q460B,内钢管采用 Q235B,封板采用 Q345B。
(2) 发泡混凝土:
A. 体积干密度≥300kg/m3,抗压强度≥0.5MPa;
B. 体积干密度≥500kg/m3,抗压强度≥1.0MPa;
C. 体积干密度≥900kg/m3,抗压强度≥4.5MPa。
取三种强度发泡混凝土试件各三件,为了方便描述,对每个试件按密度不同编号命名。密度为 300kg/m3的试件分别命名为为 FC30-1、FC30-2、FC30-3,其它试件依次命名。
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第 5 章 结论及展望

5.1 本文结论
钢管发泡混凝土成果技术在我国属于新型材料组合构件,通过试验的分析表明钢管发泡混凝土的承载力高,较传统的钢管混凝土来说更加轻便,适用于低层与多层及高层上部建筑结构的发展,由于本文的钢管发泡混凝土是薄壁钢材,所以相对缩减了钢材的用量,减轻了焊接的工作量,经济性较好。
确定了钢管发泡混凝土柱的截面尺寸,由工厂加工制作钢管发泡混凝土试件,共计 9 件。并利用 YAW-10000 结构压力试验机进行了轴心受压试验,利用DH3816 应变箱采集了数据。
将有限元分析结果及试验的结果归纳总结得出以下结论:
(1)通过有限元分析可知,发泡混凝土与钢管的接触面越粗糙,则构件的极限承载力越大,构件的摩擦系数 0.6 时较摩擦系数 0.3 极限承载力高出约2.0%,构件的摩擦系数 0.3 时较摩擦系数 0.2 极限承载力高出约 2.0%。
(2)钢材失稳时由于钢材部分截面提前退出工作致使钢管承载力明显下降,故填充发泡混凝土利用发泡混凝土的约束作用提高了整体的稳定性,通过有限元分析的空钢管柱与钢管发泡混凝土柱,钢管发泡混凝土柱的极限承载力要远高于空钢管柱的极限承载力,FC900 柱较空钢管柱承载力提升了 26.7%,FC500柱较空钢管柱承载力提升了 16.4%,FC300 柱较空钢管柱承载力提升了 12.7%,发泡混凝土有效的改善了钢管的受压性能。
(3)FC30-2 试件的极限承载力和有限元分析结果相比钢管混凝土柱有限元分析结果减少了 16.7%,钢管混凝土柱有较高的承载力。由于钢管发泡混凝土柱质量较轻,便于安装和运输,则比钢管混凝土皇族更适用于低层、多层及高层上部的发展,应用前景十分广泛。
参考文献(略)

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