橢圓鋼管與橢圓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能與設(shè)計方法.pdf

1、近年來，橢圓鋼管作為鋼管結(jié)構(gòu)家族的新成員，以其靈動輕盈的建筑外形和獨(dú)特卓越的力學(xué)性能，受到越來越多建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的青睞。為了深入了解和掌握橢圓截面構(gòu)件的力學(xué)性能，進(jìn)一步推廣該類截面構(gòu)件的工程應(yīng)用，本文通過理論分析、試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬等手段，圍繞空心橢圓鋼管和橢圓鋼管混凝土柱的受力性能和設(shè)計方法進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。全文的研究內(nèi)容和主要成果如下:
　　第2章基于能量法推導(dǎo)了軸壓作用下橢圓截面柱殼彈性屈曲臨界應(yīng)力和臨界半波長的理

2、論解，推導(dǎo)中引入帶有衰減系數(shù)的位移函數(shù)并利用里茲法求解軸壓橢圓柱殼的能量方程。由本文理論解退化得到的圓柱殼在軸壓作用下的彈性屈曲臨界應(yīng)力和屈曲半波長均與其經(jīng)典解吻合很好，與有限元分析結(jié)果的比較進(jìn)一步驗(yàn)證了理論解的準(zhǔn)確性。利用該理論解對橢圓截面柱殼的軸壓屈曲性能進(jìn)行參數(shù)分析。
　　第3章基于能量法推導(dǎo)了外壓作用下橢圓截面柱殼彈性屈曲臨界荷載的理論解，推導(dǎo)中引入帶有衰減系數(shù)的位移函數(shù)并利用里茲法求解外壓橢圓柱殼的能量方程。由本文理論解

3、退化得到的圓柱殼在外壓作用下的彈性屈曲臨界荷載與其經(jīng)典解吻合很好，與有限元分析結(jié)果的比較進(jìn)一步驗(yàn)證了理論解的準(zhǔn)確性。利用該理論解對橢圓截面柱殼的外壓屈曲性能進(jìn)行參數(shù)分析。
　　第4章基于閉口截面薄壁構(gòu)件約束扭轉(zhuǎn)的烏曼斯基理論，推導(dǎo)了橢圓截面柱殼在扭矩作用下翹曲位移及正應(yīng)力、剪應(yīng)力的解析解，分別給出了基于數(shù)值積分的精確解以及顯式表達(dá)的近似解。與有限元結(jié)果比較表明，本文精確解與近似解均具有良好的精度。文中還基于等代筒體法，將橢圓截面柱

4、殼的扭轉(zhuǎn)近似解應(yīng)用于扭轉(zhuǎn)作用下橢圓形平面框筒結(jié)構(gòu)的簡化分析。
　　第5章對8個具有不同橢圓截面比的冷彎橢圓鋼管短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，并利用ABAQUS軟件對試驗(yàn)試件進(jìn)行有限元模擬。有限元分析中引入冷彎鋼管殘余應(yīng)力解析解以及以一階彈性屈曲模態(tài)分布的初始幾何缺陷，與試驗(yàn)結(jié)果的比較表明，本文有限元模型可較為準(zhǔn)確地模擬冷彎橢圓鋼管在軸壓荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。
　　第6章給出了32個橢圓截面碳纖維約束混凝土柱的軸壓試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)中考慮了

5、不同的碳纖維厚度和橢圓截面比對橢圓截面碳纖維約束混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響。建立了基于修正損傷塑性模型的有限元分析模型，可考慮橢圓形截面引起的不均勻約束效應(yīng)，從而準(zhǔn)確模擬橢圓截面碳纖維約束混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。采用該有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，結(jié)合參數(shù)分析結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過引入碳纖維體積比得到了橢圓截面碳纖維約束混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變設(shè)計模型。
　　第7章對14個具有不同橢圓截面比和混凝土強(qiáng)度的橢圓鋼管混凝土短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，初步認(rèn)

6、識了橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能和破壞形態(tài)。通過整理和分析試驗(yàn)結(jié)果，得到橢圓截面比和混凝土強(qiáng)度對橢圓鋼管混凝土柱軸壓性能的影響。
　　第8章利用ABAQUS軟件對橢圓鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)行有限元模擬，分析中采用基于修正損傷塑性模型的混凝土材料本構(gòu)，其中屈服準(zhǔn)則、硬化法則和損傷因子等參數(shù)均與橢圓鋼管所提供的不均勻約束應(yīng)力相關(guān)，不均勻約束應(yīng)力的影響則通過引入有效約束應(yīng)力來考慮。通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了該有限元模型的有效性。

7、>　　第9章在確定橢圓鋼管約束混凝土約束應(yīng)力、極限狀態(tài)以及應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的基礎(chǔ)上，給出了橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的設(shè)計模型，可方便地求得橢圓鋼管混凝土軸壓短柱的荷載—位移曲線。利用該設(shè)計模型，通過截面分析得到橢圓鋼管混凝土短柱在軸壓、受彎以及偏壓荷載下的正截面承載力。利用截面分析程序以及基于受壓區(qū)混凝土的等效矩形應(yīng)力分布，提出了橢圓鋼管混凝土短柱的承載力設(shè)計公式。
　　第10章提出了基于截面分析與數(shù)值積分方法的橢圓鋼管混凝土長柱理論