钢骨混凝土异形柱-T型截面抗剪扭性能数值模拟分析-研究生开题报告书.doc

1、xxxx 大学学位论文（毕业设计）开 题 报 告 书学 院 土木学院姓 名学 位 级 别 学 科、专 业 结构工程研 究 方 向 高层大跨度论 文 题 目导 师 姓 名入 学 年 月 2013 年 9 月xxxx 大学研究生部制年 月 日填姓 名 学号导师姓名学科专业 结构工程研究方向高层大跨度入学类型硕士研究生 以同等学力申请硕士学位 专业学位 高校教师在职攻读硕士学位论文题目 钢骨混凝土异形柱-T 型截面抗剪扭性能数值模拟分析论文（设计）选题来源：为验证钢骨混凝土异形柱受剪扭扭计算方法与推广使用。推进建筑业合理使用钢骨混凝土，采用数值模拟已有实验数据，对比二者数据得出结论。论文（设计）的研

2、究目的、意义及国内外发展趋势,论文（设计）的主要内容、研究方法和研究思路 (5000 左右)：钢骨混凝土(SRC)构件是将型钢埋入混凝土内部，制成的钢骨混凝土柱或者钢骨混凝土梁。梁构件和柱构件是最常用于钢骨混凝土结构的构件。那些用钢和钢板焊成，截面形式通常有 I，H，L， T，十字形、矩形和圆形等的称为实腹式。与此类型钢的连接形式不同，由缀板、缀条连接角钢、槽钢而组成的称为空腹式。相对于单纯的混凝土结构和型钢结构，SRC 结构的性能远大于这前两者性能。这种约束作用一是由于型钢本身，二是箍筋的作用。它使得混凝土和型钢两类材料得以共同承担外力从而合二为一。在以下几个方面中 SRC 构件有着突出的优

3、势：1）承载力高：在单位横截面积的承载力上，钢筋混凝土构件远逊于 SRC 构件，所以 SRC 结构可以减小尺寸，避免肥梁胖柱。2）变形能力强：在延性等抗震性能方面，SRC 结构拥有钢筋混凝土难以比拟的优势，这方面的主要贡献是 SRC 结构中有较好延性性能的型钢。3）施工周期短：型钢骨架作为自承重结构体系能够充当支撑柱，也可进行立体交叉施工，不仅加快施工速度，还能减少施工成本。SRC 结构有着钢结构所缺陷的优良的耐久性与耐火性。它不但可以阻止钢筋生锈剥蚀，还能减轻水分渗入带来的灾害。SRC 内部的型钢刚度大，并且和混凝土粘结在一起，因此减少了构件的局部屈曲，从而避免了钢构件的弯转和失稳，有效地发

4、挥了钢材的刚度。两种钢混凝土截面形式见图钢骨混凝土构件，自从产生了这样一种结构就收到国内外极大的关注，与木结构，钢结构，混凝土结构，钢筋混凝土结构并称为第五大结构。钢骨混凝土具有变形能力强，抗震性能好，由于型钢的存在构件的延性得到很大的改善。并且构件的截面可以大大减小，可以充分利用建筑物的内部空间。当结构上下刚度不规则时也可以采用钢骨混凝土结构作为中间的过度层使内力传递更加合理。对于钢骨混凝土梁作为一种承载力较高、刚度大、截面小、结构延性好的受剪扭构件，在建筑结构中的应用也越来越广泛了，一方面由于钢骨混凝土结构含钢量比较大，所以造价比较大，限制了其发展还由于钢骨混凝土施工工艺比较难，难以浇筑，

5、所以也限制了其发展。由于对于钢骨混凝土实验以及模拟研究较少的情况下。本文采用 ABAQUS 对已有文献实验构件数据进行有限元模拟，将这些数据与实验数据进行对比，用以总结对比实验与理论计算的的数据是否一直，以及存在误差的原因分析。如果模拟计算得出数据与实际实验吻合度较高，这就表明建立的模型的合理性和精确性高，从而确立的有限元模型的有效性。同时也可以确定了单元选取的方法，模拟确定单元网格划分原则，以及使用的混凝土钢材的本构关系的正确性。本模拟实验计算方法采用现阶段比较实用的承载力计算的叠加的方法与普通计算方法对比分析钢骨混凝土的对构件承载力的贡献与合理布置。对于钢骨混凝土的研究始于 20 世纪的欧

6、美，由空腹式梁、柱，然后有了规程。日本比较早，1920 年开始研究探索使用。日本在该结构形式上的研究最早可以追溯到 1920 年，作为 SRC 结构应用最有历史和经验的国家，日本在 SRC 结构的试验、研究等方面一直走在前沿。从 1950 年开始，东京大学的蛭田搶太郎，若林実研究小组开展了各式各样的试验，目的是为了探究 SRC 结构的强度和刚度等受力性能；1958 年日本规范中给出了组合结构承载力的简化计算方法。若林実，南宏一研究小组对钢骨混凝土柱做了大量的试验研究，着重对钢骨混凝土柱在循环荷载下的偏压、剪切等受力情况作了深入的研究。自 1950 年以来，国内外专家就着手研究 SRC 构件，研

7、究的方面主要在计算模型、分析方法和计算方面上。研究内容主要有两个方向：一是将允许应力强度理论视做 SRC 构件的设计准则，这相当于把 SRC 结构看做钢结构；二是将极限强度理论视做 SRC 构件的设计准则，这相当于把 SRC 结构看做 RC 结构。型钢与混凝土之间作用的不同认知造成了这种差异。日本和美英多采用前者，并且根据允许应力强度理论发展了各自相应的设计理论：叠加强度理论和弹性设计方法。而苏联则采用了后者，认为混凝土和型钢之间的作用不可靠，尤其是当构件因变形而到达弹塑性阶段时，两者的共同工作已经没有保证。钢骨混凝土(SRC)结构的抗震性能优越，受力性能合理，而且承载能力较普通钢筋混凝土有极

8、大的提高，因此近年来钢骨混凝土结构得到了越来越广泛的应用。专家对钢骨混凝土构件做了大量的试验研究、有限元分析，形成了具有自己本国特点的规范条文及科技著作。但对钢骨混凝土构件的研究主要集中在构件的抗震性能、正截面受剪扭、斜截面受剪等研究领域.SRC 结构的工程应用可以追溯到 19 世纪初，最先证明型钢对 SRC 结构的承载力有显著提高作用的是 Burr，他采用的研究对象是空腹式 SRC 柱构件。一直推迟到 1920 年对于型钢与混凝土之间共同工作的研究才开始，Mackay 采用了不同与 Burr 的 SRC 梁构件进行研究，并提出了两种材料能够共同工作的依据。最开始美国的混凝土规范尽管已经认识到

9、这种型钢和混凝土之间的共同工作在内力与变形方面的平衡与协调，然而却忽视了存在于型钢之中的初始位移和残余应力。1928 年使用轴压柱，1929 年开始使用偏压钢骨混凝土柱，1932 年开始在节点上使用钢骨混凝土结构。而我国从 20 世纪 50 年代从英国引入基本做法与使用规程，80 年代末期高校开始研究钢骨混凝土结构构件使用。1998 年冶金部出版钢骨混凝土规程2001 年 JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程也产生了，SRC 受剪扭构件受力性能的研究目前依旧不算完善，国内外研究的主体多为在轴向压力、弯矩、剪力或者它们共同作用下 RC 构件的力学性能和抗震性能。日本钢骨钢筋混凝凝土结

10、构计算标准及解说中将型钢分为两部分：钢筋混凝土部分和型钢部分。钢骨混凝土构件的极限弯矩即为两者极限弯矩之和。此种算法只是将两者简单叠加，并没有考虑型钢内表面和内部核心混凝土、型钢外表面和外部混凝土之间的相互作用。二十世纪 80 年代冶金部建筑研究总院开始对钢骨混凝土构件展开研究。对不同受力条件下的不同形式钢骨混凝土构件做了大量试验，包括钢骨混凝土轴压短柱、偏压短柱、偏压长柱和钢骨混凝土梁等从此型钢开始应用与混凝土中。每年随着个高校科研机构的研究成果的发表不断激励着规范每年的更新。国内对钢筋混凝土构件的复合受力下的性能研究已日趋成熟，但是对于钢骨混凝土复合受力构件的抗弯性能研究还不多。这类结构体

11、系和构件的研究还很不充分，因此对这种结构体系和构件的研究已迫在眉睫，而在结构体系性能研究中组合构件的基本性能研究是其基础。了解了构件的这些基本性能，才能够满足工程设计的基本要求并建立正确的设计方法。因此，研究钢骨混凝土构件在抗弯状态下的钢骨混凝土的性能是当务之急，对钢骨混凝土抗弯构件的有限元分析及其理论研究具有重要现实意义。钢骨混凝土结构体系在我国的应用越来越多，并且建筑的高度越来越高，体量越来越大，体型越来越复杂也促进了我国建筑业的发展。进年来，虽然钢-混凝土组合梁在我国建筑与桥梁领域已经得到越来越多的应用，显示出很好的技术经济效益和社会效益，受到了建设单位和施工单位的青睐。然而由于专业设计

12、人员和主管领导并不算综合效益，简单的把组合梁与钢筋混凝土梁对比，虽然组合梁的造价比钢筋混凝土梁要高出 3 0%-40%。但是，组合梁带来的综合效益如结构构件的高度降低了，结构可以利用的建筑空间增大了。自重也减轻了，地震作用也减小了，竖向构件截面尺寸也减小了，基础造价也降低了，延性也提高了，施工费用也降低了。施工工期的缩短还是相当可观的。组合梁和钢梁的造价相比降低了 30%左右。目前，我国相关的规范还有待完善，有些地方可能还不是很精确。所以组合梁的推广应用也造成了一定的困难。分析方法包括，通过有限元软件对实验结构在一定假定条件的前提下进行分析计算，然后得出应力-变形关系曲线，得到混凝土、钢筋、型

13、钢的应力云图以及构件的开裂弯矩和极限弯矩，对钢骨混凝土构件的受力进行全过程分析。运用有限元分析，计算组合叠加法的可行性。组合叠加法一般计算方法基本公式如下： rcsNM根据塑性理论下限定理，利用上式计算承载力的方法为：对于给定的轴力 N 值根据第一式中的轴力平衡方程，任意分配钢骨部分和钢筋混凝土部分所承担的轴力，并分别求得各个部分相应的受剪扭承载力，在各个不同分配比例下，两部分受剪扭承载力之和的最大值，即是在该轴力下钢骨混凝土的受剪扭承载力。对于钢骨部分，分配其轴力后，在利用轴力与弯矩的相关关系，计算其受剪扭承载力其相关关系为： ssyysyNMfAW式中， 为钢骨部分承担的轴力和弯矩； 为钢

14、骨截面面积； 为钢骨截面塑,SsNMs s性系数对已工字型和十字型可选 ； 为钢骨材料的强度设计值。对于钢筋混凝1.05ssyf土部分，分配轴力后，可以按混凝土结构设计规范GB50010-2010 普通钢筋混凝土压弯构件的计算方法，计算其受剪扭承载力，但应取 ，且受压混凝土要扣除钢骨所占cmf面积。对于一般叠加法理论较为完善，与以平截面假定为基础的理论计算方法一致，但要经过反复试算，实际应用却很不方便。为此日本规范采用了简单叠加方法。 钢骨混凝土结构设计规程YB9082-2006 也采用了简单叠加法。计算公式如下：a. 当 且 时，钢骨部分仅承受剪扭矩钢筋混凝土部分轴力和弯rcrcooNsyo

15、M矩值为，rcsyoNMb. 当 时，钢筋混凝土部分仅承受轴向压力，钢骨部分的轴力和弯矩值为rcoNsrcoc. 当 时，钢筋混凝土部分仅承受轴向的拉力，钢骨的轴力和弯矩设计值为rcosrcoNM本文利用钢管混凝土与钢骨混凝土的极限弯矩分析所用方法的一致性。计算结果验证了组合法的精确性，并研究个因素对钢骨混凝土梁抗弯的影响。并分析有利的构件截面尺寸与长度大小。主要参考文献：1 赵鸿铁。钢与混凝土组合结构。第一版。北京：科学出版社，20012 中华人民共和国行业标准。钢骨混凝土结构设计规程（YB9082-97） 。3 中华人民共和国行业标准。型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001）4

16、 中华人民共和国标准。钢结构设计规范（GB50017-2003）北京：建筑工业出版社，20035 中华人民共和国标准。建筑结构荷载规范（GB50009-2012）北京：建筑工业出版社，20126 中华人民共和国标准。混凝土结构设计规范（GB50010-2010）北京：建筑工业出版社，20107 中华人民共和国行业标准。高层民用建筑钢结构技术规程（GB50099-2002）京：建筑工业出版社，20028 周起敬，姜维山，潘泰华主编。钢与混凝土结构施工手册。第一版。北京：中国建筑工业出版社，19919 周献详。钢骨混凝土梁的设计及实例分析。建筑结构。1999 年第 4 期10 李凯文，邹昀。钢骨混凝土柱基于 ABAQUS 的力学分析。四川建筑科学研究。2012 年第 5 期。11 程志勇。钢骨-钢筋混凝土受剪扭构件的弯曲性能实验研究。湖北师范学院学报。2003 第 3 期12 王连广，李立新，梁玉君，孙立新，刘岩峰。钢骨混凝土受剪扭构件非线性全过程分析。沈阳建筑工程学院学报。2001 第 2 期。13 李少泉，沙镇平。钢骨混凝土正截面承载力计算的叠加方法。建筑结