哑铃形截面钢管混凝土短柱紧箍力模拟
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摘要
首先简单介绍了钢管混凝土的发展现状和前景、结构形式、钢管混凝土的力学性能以及在工程实际中的应用，其次介绍状态非线性接触理论在模拟钢管混凝土中的应用，最后介绍作者的研究工作。
对于圆形截面钢管混凝土紧箍力的研究已经相当成熟，而钢管混凝土拱桥常用截面是哑铃形截面，对该种形式截面的紧箍力及在轴心受压和小偏心情况下钢管混凝土应力状态大小及主应力分布缺乏了解。为搞清钢管混凝土构件所承受的复杂应力状态，以及钢管与核心混凝土之间存在的环向紧箍力作用，首先采用有限元法对哑铃形截面钢管混凝土短柱紧箍力的大小和分布情况进行研究，并深入分析了不同混凝土标号及含钢率对紧箍力的影响，弄清了腹腔部分混凝土的应力分布等受力特性，对该种柱的设计及进一步研究有较大的参考价值。然后还应用状态非线性接触理论对混凝土和钢管表面的相互接触过程进行了模拟，得出其接触应力分布情况以及在接触状态下哑铃形钢管混凝土的应力分布。最后以某哑铃形钢管混凝土拱桥工程实例进行整体及局部分析，提出了整体分析和局部分析的有限元处理方法，并对拱肋节点进行了模拟，得到在正常使用荷载作用下节点破坏时的失效因子。
In this thesis , the application status and perspective of concrete-filled steel tube(CFST) are firstly introduced briefly, as well as its structural types, mechanical characters and engineering application. Consequently, the application of nonlinear finite element contact theory in simulating of CFST is presented. Then, the thesis put forward the author's research.
Although the study about bond stress in circular CFST section has become mature, the bond stress in dumbbell-shaped CFST section, a commonly used section in CFST arch bridges, is even unfamiliar, so are the value of bond stress, the mechanical state and the distribution of main stress in CFST under both axial compression and small eccentricity. To get known of the complex mechanical state of CFST component, and the round bond stress between steel tube and core concrete, this thesis firstly perform an analysis on the value and distribution of bond stress in short column with dumbbell-shaped section with finite element method (FEM). Meanwhile, further study on the influence of concrete standard and steel ratio on bond stress is carried out, acquiring mechanical properties of core concrete, such as the stress distribution, which offers important reference for design and further analysis about the column. Secondly, simulating of the contact process between concrete and steel tube surface is carried out with nonlinear finite element contact theory, acquiring the distribution of contact stress and the distribution of stress in dumbbell-shaped CFST under contact. Lastly, an actual arch bridge with dumbbell-shaped CFST is analyzed from global and local aspect, finite element methods of global analysis and local one are put forward. Through the simulating of arch rib joints, the failure coefficient of joints in destruction under normal service order is obtained.
对于圆形截面钢管混凝土紧箍力的研究已经相当成熟，而钢管混凝土拱桥常用截面是哑铃形截面，对该种形式截面的紧箍力及在轴心受压和小偏心情况下钢管混凝土应力状态大小及主应力分布缺乏了解。为搞清钢管混凝土构件所承受的复杂应力状态，以及钢管与核心混凝土之间存在的环向紧箍力作用，首先采用有限元法对哑铃形截面钢管混凝土短柱紧箍力的大小和分布情况进行研究，并深入分析了不同混凝土标号及含钢率对紧箍力的影响，弄清了腹腔部分混凝土的应力分布等受力特性，对该种柱的设计及进一步研究有较大的参考价值。然后还应用状态非线性接触理论对混凝土和钢管表面的相互接触过程进行了模拟，得出其接触应力分布情况以及在接触状态下哑铃形钢管混凝土的应力分布。最后以某哑铃形钢管混凝土拱桥工程实例进行整体及局部分析，提出了整体分析和局部分析的有限元处理方法，并对拱肋节点进行了模拟，得到在正常使用荷载作用下节点破坏时的失效因子。
In this thesis , the application status and perspective of concrete-filled steel tube(CFST) are firstly introduced briefly, as well as its structural types, mechanical characters and engineering application. Consequently, the application of nonlinear finite element contact theory in simulating of CFST is presented. Then, the thesis put forward the author's research.
Although the study about bond stress in circular CFST section has become mature, the bond stress in dumbbell-shaped CFST section, a commonly used section in CFST arch bridges, is even unfamiliar, so are the value of bond stress, the mechanical state and the distribution of main stress in CFST under both axial compression and small eccentricity. To get known of the complex mechanical state of CFST component, and the round bond stress between steel tube and core concrete, this thesis firstly perform an analysis on the value and distribution of bond stress in short column with dumbbell-shaped section with finite element method (FEM). Meanwhile, further study on the influence of concrete standard and steel ratio on bond stress is carried out, acquiring mechanical properties of core concrete, such as the stress distribution, which offers important reference for design and further analysis about the column. Secondly, simulating of the contact process between concrete and steel tube surface is carried out with nonlinear finite element contact theory, acquiring the distribution of contact stress and the distribution of stress in dumbbell-shaped CFST under contact. Lastly, an actual arch bridge with dumbbell-shaped CFST is analyzed from global and local aspect, finite element methods of global analysis and local one are put forward. Through the simulating of arch rib joints, the failure coefficient of joints in destruction under normal service order is obtained.
引文
[1] 韩林海，钢管混凝土结构，北京，科学出版社，2000
[2] 钟善桐，钢管混凝上结构在我国的应用和发展，建筑技术第32卷，第2期Vol．32 No．2
[3] 雄峰，钢管混凝土拱桥抗震性能研究，四川大学博士学位论文，2001
[4] 蔡绍怀，钢管混凝土结构的计算与应用，北京，中国建筑工业出版社，1989
[5] 蒋家奋、汤关柞，三向应力混凝土，中国铁道出版社，1988
[6] 钟善桐，钢管混凝士结构，哈尔滨，黑龙江科学技术出版社，1994
[7] 韩林海，钟善桐，钢管混凝土力学，大连，大连理工大学出版社，1995
[8] 蔡绍怀，焦占栓，钢管混凝土短柱的基本性能和强度计算的研究，中国建筑科学研究院结构所，1984
[9] 钟善桐，钢管混凝土中钢管与混凝士的共同工作，哈尔滨建筑大学学报，2001 (1)
[10] 孙训方，方孝淑，关来泰，材料力学，北京，高等教育出版社，1995
[11] F．Bieich，金属结构的屈曲强度 (中译本)，北京，科学出版社 1965
[12] 周起敬，姜维山，潘太华，钢与混凝土组合结构设计施工手册，北京，中国建筑工业出版社 1991
[13] 姜绍飞，刘之洋，自应力钢管轻骨料混凝土轴压短柱的性能分析，工业建筑 1997．vol．27．NO．91～5
[14] 沈聚敏，王传志，江见鲸，钢筋混凝土有限元与板壳极限分析，清华大学出版社，1993
[15] 谢肖礼，钢管混凝土拱桥徐变收缩对任意形状拱肋截面应力重分布的影响，广西大学博士学位论文，2002
[16] 钟善桐，钢管混凝土偏心受压构件紧箍力的研究，哈尔滨建筑工程学院学报，1983
[17] 秦荣，谢肖礼，彭文立，李秀梅，张建民，钢管混凝土拱桥钢管开裂事故分析，土木工程学报，2001年第3期
[18] 何君毅，林样都，工程结构非线性问题的数值解法，国防工业出版社，1994
[19] 谢肖礼等，广西北海市机场航站楼整体及局部分析，建筑结构，2004年第2期
[20] 严志刚，盛洪飞，钢管混凝土拱桥的发展优势，东北公路
[21] 李云飞，钢管混凝土轴心受压构件受力性能的试验研究，西安建筑科技大学工程硕士学位论文，2003
[22] 阳芳，矩形钢管混凝土柱框架节点域受力性能分析，西安建筑科技大学硕士学位论文，2003
[23] 钟善桐，钢管混凝土拱桥设计中的几个问题，哈尔滨建筑大学学报，2000年第33卷第2期
[24] 查晓雄，唐家祥，钢管混凝上结构非线性有限元分析中混凝上边界面模型的研究及应用，工程力学，99年第16卷第6期
[25] 赵红梅，钢粱-钢骨混凝土桩节点的非线性有限元分析，北京工业大学硕士学位论文，2002
[26] ANSYS 用户手册，美国 ANSYS 公司，2001年
[27] 王来永，钢管混凝士梁柱受力性能分析，福州大学硕士学位论文，2002
[28] 谢肖礼，陆燕青，梁汉吉，哑铃型截面钢管混凝土短柱紧箍力有限元分析，广西大学学报(自然科学版)，2002年第27卷第4期
[29] 钢管混凝土结构设计与施工规范(CECS28：90)，北京，中国计划出版社，1992
[30] Chapman J.C. , and Neogi P.K. , Research on Concrete—Filled Tubular Columns Engineering structures Laboratories, Imperial College, London, 1965, 1
[31] 谢肖礼，彭文立，秦荣，圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的一个应用，中国公路学报，2001年第3期
[32] 徐芝纶，弹性力学(上下册)，高等教育出版社，1978
[33] 姜绍飞，寥云，张昕宇，韩林海，大长细比钢管混凝土轴压柱的力学性能，沈阳建筑工程学院学报(自然科学版)，2002年1月第18卷第1期
[34] 秦荣，谢肖礼，彭文立，罗月静，钢管混凝土桁架拱节点分析的新方法，工程力学，2001年增刊
[35] 钟善桐，钢管混凝土统—理论，哈尔滨建筑工程学院学报，1994年第27卷第6期
[36] 邓海，齐永顺，张浩，钢管混凝土轴压短柱经济含钢率的探讨，四川建筑，第21卷第3期
[37] 谢肖礼，秦荣等，钢管混凝土劲性骨架拱桥收缩徐变影响理论研究，中国工程科学，2001第3期
[38] 王勖成，劭敏，有限单元法基本原理和数值方法[M]，北京：清华大学出版社，1997
[39] 张立明，Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例，人民交通出版社，2003
[40] 赵均海，顾强，马淑芹，钢管混凝土承载力的研究，西北建筑工程学院学报，2001年6月
第18卷第2期
[41] 广西壮族自治区交通规划勘察设计院，南宁市永和大桥 (独立大桥) 两阶段初步设计
[42] 方立新，宋启根，陈绍礼，钢-混凝土组合结构的非线性有限元分析，东南大学学报，1999年第29卷第2期
[43] 周志祥，高等钢筋混凝士结构，人民交通出版社，2002
[44] 秦荣，杨绿峰，谢肖礼，广西南宁三岸邕江大桥节点受力性能分析，广西大学土木系研究报告，1997年
[45] Sen H.K., Triaxial Stresses in Short Circular Concrete Filled Tublar Steel Columns. International Symposium, Cames; Oct. 4-6, 1972年
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[38] 王勖成，劭敏，有限单元法基本原理和数值方法[M]，北京：清华大学出版社，1997
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[41] 广西壮族自治区交通规划勘察设计院，南宁市永和大桥 (独立大桥) 两阶段初步设计
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[44] 秦荣，杨绿峰，谢肖礼，广西南宁三岸邕江大桥节点受力性能分析，广西大学土木系研究报告，1997年
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