论文总字数：23767字

摘 要

为了深入研究采用不同混凝土强度时钢管混凝土柱的轴压性能。本文采用通用有限元软件ABAQUS建立了考虑钢管对混凝土约束效应的钢管混凝土精细有限元模型，其中混凝土采用C3DR8单元，钢管采用S4单元，考虑钢管与混凝土之间的粘结滑移特性。采用该方法建立了5个钢管混凝土短柱轴压实验对照有限元模型，计算结果表明，采用本文的建模方法计算的钢管混凝土短柱轴压承载力与试验结果吻合度较高。其计算得到的荷载-位移曲线的上升段和下降段吻合较好，验证了该方法的有效性和适用性。在此基础上，分析了钢管厚度和混凝土强度对钢管混凝土柱轴心轴力性能的影响。分析结果表面，提高混凝土强度和钢管厚度都能有效提高组合构件的轴向承载力力，但对于较低约束系数时，钢管对混凝土的侧向约束作用并不明显，对提升混凝土强度和延性作用较小。最后根据有限元分析所得到的短柱强度与中国、美国、欧洲以及日本设计规范计算的强度进行比较，结果表明：不同国家规范对组合构件轴向承载力的计算结果均偏于安全，但是美国和日本规范安全冗余度较高，而中国规范和欧洲规范在混凝土强度较低和较低约束系数时，计算结果较为谨慎，因此对于该类参数的组合构件，可以不考虑钢管对混凝土的侧向约束作用。

关键词：钢管混凝土短柱；有限元计算；约束混凝土本构模型；规范评价

Abstract

In order to study the axial compression behavior of CFST columns with different concrete strength. In this paper, the fine finite element model of CFST considering the restraint effect of steel tube on concrete is established by using the general finite element software ABAQUS, in whichC3DR8 element is used for concrete, S4 element is used for steel tube, and the bond slip between steel tube and concrete is considered. Based on this method, five finite element models of CFST short columns under axial compression are established. The results show that the bearing capacity of CFST short columns under axial compression calculated by this method is in good agreement with the test results. The results of the calculation agree well with the rising and falling parts of the load displacement curve, which proves the validity and applicability of the method. On this basis, the influence of the thickness of steel tube and the strength of concrete on the axial force of CFST columns is analyzed. The results show that the axial bearing capacity of composite members can be effectively improved by increasing the concrete strength and the thickness of steel tube, but for the lower constraint coefficient, the lateral constraint effect of steel tube is not obvious, and less effect on the strength and ductility of concrete . At last, the strength of short columns obtained by finite element analysis is compared with the strength calculated by Chinese, American, European and Japanese design codes. The results show that the calculation results of axial bearing capacity of composite members in different national codes are all partial to safety, but the safety redundancy of American and Japanese codes is higher, while the concrete strength of Chinese and European codes is lower and the constraint is lower For the composite members with this kind of parameters, the lateral restraint of steel tube to concrete can not be considered.

Key Words：Concrete filled steel tubular short column; finite element calculation; constitutive model of confined concrete; code evaluation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究的内容和预期目标 3

第2章 考虑约束效应的钢管混凝土短柱有限元模型 4

2.1 引言 4

2.2 验证模型构件信息 4

2.3 单元类型和网格划分 4

2.4 边界条件和加载方式 6

2.5 钢管材料模型 7

2.6 混凝土材料模型 8

2.6.1 混凝土塑性损伤模型 8

2.6.2 参数Kc 9

2.6.3 膨胀角 10

2.6.4 应变硬化/软化规则 10

2.7 混凝土与钢管接触条件 13

2.8 有限元模型验证 13

第3章 钢管约束混凝土短柱轴心受力性能参数分析 16

3.1 有限元参数分析方案 16

3.2 钢管厚度对构件的影响 16

3.3 混凝土强度对构件的影响 17

第4章 钢管约束混凝土短柱承载力分析 18

4.1 引言 18

4.2 各国规范介绍 18

4.2.1 中国规范 18

4.2.2 美国规范 19

4.2.3 欧洲规范 19

4.2.4 日本规范 20

4.3 有限元结果与规范对比 20

4.4 总结 23

第5章 结论 24

5.1 本文完成的工作 24

5.2 结论 24

5.3 展望 24

参考文献 25

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

在21世纪初期，随着工程技术的进步，高层建筑和超高层建筑的高度在不断的增加，钢管混凝土结构在当代土木工程中逐渐被应用于各种工程结构主要是高层建筑结构中。但由于对其机理缺乏研究，更高的承载能力的需求，被材料以及技术问题所限制，超高层建筑通常只能增加钢管和混凝土的截面几何尺寸来适应其承载力需求。如今，钢管混凝土，简称CFST柱已经在房屋、道桥等数个领域成为结构系统中的中流砥柱。这主要得益于钢管混凝土结构可以充分展现钢材和混凝土两种材料的独有优势，又解决了钢管经常发生局部屈曲的结构缺陷。所以最近几年，在工程中大范围的应用。可以找到的最早的关于使用钢管混凝土结构的案例是铁路上使用的，工程师为了防止桥梁的钢管基础遭到锈蚀，采用灌注混凝土的方式来解决这个问题，同时还能承担一部分受压的功能。随着泵送混凝土技术的出现，钢管混凝土的优势得到进一步的体现，因为钢管本身自然的限制了混凝土的流动，为混凝土浇筑塑形，可以有效提高施工效率。自1960年起，我国就已经开始进行钢管混凝土的结构技术开发和应用，北京地铁车站工程就应用了这种结构，之后十年又在单层工业厂房、重型架构等方面有所使用。进入21世纪，随着我国经济的高速发展、各种基础设施建设的出现，钢管混凝土结构又有了大量的应用。

相较于传统的木质结构、砌体结构、钢筋混凝土结构，钢管混凝土有着如下的几大优点：1，随着土木工程的不断发展，结构的承载力总是在不断提高，相较于单一材料结构，组合材料共同承载各尽其职，可以有效降低结构的尺寸和自重；2，相对于钢筋混凝土钢管可以限制混凝土在轴向受力时所产生的开裂变形，可以增强整体结构的稳定性和塑性，方便调整钢与混凝土的比例，比如提高含钢量，可以提升结构延展性，进一步提高抗震性能；3，钢管混凝土也表现出较强的耐火性能，这主要是由于混凝土拥有较高的比热容，在火灾中能够吸收大量的来自钢管的热量，降低其温度；4，相比于钢筋混凝土，钢管混凝土施工工序简单，无须绑扎钢筋、建立板模等，直接利用钢管进行浇筑。

钢管的侧向约束使得混凝土处于三向受压的状态，使混凝土保持稳定，解决其抗弯能力弱的缺点；在钢管内部填充混凝土，也限制了其向内屈曲，解决了钢管容易受压失稳丧失抗压能力的缺点。所以钢管和混凝土之间是相辅相成的关系，但也因此，钢管混凝土会分别受到两种部件材料性能的影响，他们的强度，和几何尺寸，相互连接的程度都会有所影响。特别是对于主要起承压作用的混凝土，研究钢管对其的约束作用的具体机理，对提升钢管混凝土柱的轴向抗压能力尤为重要。基于此种研究，就可以在对承载力有既定需求的工程中，降低混凝土的强度，节约材料；或是在已经采用了超高强混凝土的情况下进一步提升CFST柱的承载力，可以进一步减小柱的尺寸，扩大可设计面积。作为桥墩，也可以大幅度的增加桥梁的跨径，同时尺寸的减少也就意味着自重的降低，使得钢管混凝土能够更好的应用于高层结构。

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