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圆端形钢管混凝土受压力学性能与可靠度研究

作　者: 王二磊
导　师: 卢哲安
学　校: 武汉理工大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 圆端形钢管混凝土轴压试验偏压试验数值模拟统一理论可靠度
分类号: TU398.9
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

目前国内外关于钢管混凝土的研究主要集中在圆形和矩形钢管混凝土,对异形钢管混凝土的研究还较少。异形截而钢管混凝土具有截而形式灵活、节点构造多样及抗震性能好等优点,在工程中已被逐渐应用。武汉后湖大桥采用单索而非对称独塔圆端形钢管塔柱,是一种创新型结构形式。针对圆端形截而钢管混凝土构件,如何计算其承载力,进行结构设计,最基本、最可靠的研究工作是通过模型试验来研究该类构件的力学行为,结合理论分析对比,校正模型,弥补试验数据不足的缺陷,从而为结构设计提供依据。本文依托武汉后湖大桥工程实际,通过圆端形钢管混凝土轴压试验、偏压试验及有限元分析,系统研究了圆端形钢管混凝土抗压力学性能,进而基于可靠度理论,利用ANSYS可靠度分析模块,对圆端形钢管混凝塔柱可靠度进行了分析。本文进行的主要工作和取得的成果有：第一,基于工程实际,进行大尺寸圆端形截而钢管混凝土试件轴心受压试验、偏心受压试验,轴压试验表明：轴向荷载作用下,圆端形钢管混凝土试件具有较好的承载能力,但由于角部应力集中,套箍效应引起的试件强度提高有限；套箍力分布不均匀,其在钢管壁的分布与钢管形状有很大关系；由于本试件套箍系数较小,钢管对核心混凝土的约束不大,试件破坏整体表现出脆性破坏的特征。偏压试验分析表明：偏心率是影响试件偏心受压力学性能的主要因素,随着偏心距的增大,承载力不断降低：在偏心距较大的工况下,试件荷载-横向位移曲线弹性工作阶段较短,承载能力降低较多；极限荷载作用下,圆弧与直线段交接处钢管焊缝首先开裂,试件破坏时,钢管受压区边缘已达到屈服,而另一侧尚处于弹性受拉阶段。第二,在试验的基础上,对圆端形钢管混凝土轴心受压及偏心受压进行了有限元模拟。研究表明：摩擦系数的变化对圆端形钢管混凝土试件的轴心受压承载力影响很小；核心混凝土的强度对钢管混凝土轴压承载力提高影响不大；钢材强度对轴心受压试件弹塑性影响较大；相同含钢率的情况下,钢材的强度越大,圆端形钢管混凝土轴心受压的承载力越高,试件的延性越强。对于圆端形钢管混凝土偏心受压试件,随着长细比的增加,圆端形钢管混凝土的承载力降低,弹性工作阶段缩短,而弹塑性工作阶段延长；随混凝土强度的增大,相对屈曲系数逐渐变小；随着钢材强度增大,试件承载力不断提高,但承载力提高趋势趋缓；随着钢管壁厚增加,试件的承载力越高,延性增强。第三,基于统一理论,结合试验及有限元模拟,拟合得到适合于圆端形钢管混凝土轴心受压、偏压试件的承载力计算公式,并将公式计算结果与试验结果及有限元分析结果进行对比,吻合良好。第四,基于可靠度理论及ANSYS可靠度分析模块,对后湖大桥圆端形钢管混凝土塔柱,采用蒙特卡洛法和响应面法进行可靠度分析。研究表明：对于以应力作为输出控制指标的可靠度计算而言,抗拉强度满足要求的结构可靠度为98.69%,抗压强度满足要求的结构可靠度为98.89%。上述分析表明,有限元理论与可靠度理论的有机结合,可应用于复杂结构的可靠性分析。对于圆端形这种特殊截面钢管混凝土,本文给出了大量首次发表的研究成果,揭示了圆端形钢管混凝土受压力学特性,系统分析了圆端形钢管混凝土塔柱可靠度,其研究结果为圆端形钢管混凝土的进一步研究和工程应用提供了重要的理论依据。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-29
  1.1 引言  13
  1.2 钢管混凝土机理及特点  13-14
  1.3 钢管混凝土在桥梁工程中的应用  14-15
  1.4 钢管混凝土承载力研究现状  15-20
    1.4.1 钢管混凝土受压试验研究  15-18
    1.4.2 钢管混凝土承载力有限元分析  18-19
    1.4.3 异形钢管混凝土受压力学性能研究  19-20
  1.5 钢管混凝土可靠度研究现状  20-23
    1.5.1 结构可靠度理论及计算方法研究现状  20-21
    1.5.2 钢管混凝土承载能力可靠度研究  21-23
  1.6 工程背景及研究目的和意义  23-27
    1.6.1 工程背景  23-24
    1.6.2 塔柱选型  24-27
    1.6.3 课题研究目的及意义  27
  1.7 主要研究内容  27-29
第2章圆端形钢管混凝土受压力学性能试验研究  29-42
  2.1 试验准备  29-31
    2.1.1 试件设计  29-30
    2.1.2 材料力学性能  30-31
    2.1.3 试件制作  31
  2.2 轴压试验方法  31-33
    2.2.1 轴压试验装置  31-32
    2.2.2 测点布置与量测方法  32
    2.2.3 加载方式  32-33
  2.3 轴心受压试验结果与分析  33-36
    2.3.1 试验现象  33
    2.3.2 试验结果分析  33-36
  2.4 偏心受压试验方法  36-37
  2.5 偏心受压试验结果与分析  37-40
    2.5.1 试验现象  37
    2.5.2 试验结果分析  37-40
  2.6 本章小结  40-42
第3章圆端形钢管混凝土受压力学性能有限元分析  42-60
  3.1 概述  42-43
  3.2 材料本构关系  43-47
    3.2.1 混凝土模型  43-46
    3.2.2 钢材的本构关系  46-47
  3.3 有限元分析模型  47-52
    3.3.1 几何模型  47-48
    3.3.2 单元网格划分  48
    3.3.3 界面接触定义  48-49
    3.3.4 加载方式  49
    3.3.5 非线性平衡方程的求解  49-50
    3.3.6 后处理  50
    3.3.7 有限元分析结果校验  50-52
  3.4 圆端形钢管混凝土轴心受压力学性能影响因素分析  52-55
    3.4.1 引言  52
    3.4.2 混凝土强度对轴压承载力的影响  52-53
    3.4.3 钢材强度对轴压承载力的影响  53-54
    3.4.4 界面摩擦系数对轴压承载力的影响  54-55
  3.5 网端形钢管混凝土偏心受压力学性能影响因素分析  55-58
    3.5.1 长细比变化对偏心受压承载力的影响  55-56
    3.5.2 混凝土强度对偏心受压承载力的影响  56
    3.5.3 钢材强度对偏心受压承载力的影响  56-57
    3.5.4 含钢率变化对偏心受压承载力的影响  57-58
  3.6 本章小结  58-60
第4章圆端形钢管混凝土受压承载力理论计算公式研究  60-82
  4.1 受压承载力计算理论  60-66
    4.1.1 叠加理论  60-62
    4.1.2 极限平衡理论  62-63
    4.1.3 统一理论  63-65
    4.1.4 拟钢理论  65-66
    4.1.5 拟混凝土理论  66
  4.2 承载力理论计算公式比较  66-69
    4.2.1 轴心受压承载力计算  66-68
    4.2.2 偏心受压承载力计算  68-69
  4.3 圆端形钢管混凝土轴压承载力理论计算公式  69-75
    4.3.1 统一理论  70
    4.3.2 圆端形钢管混凝土轴压承载力计算公式推导  70-72
    4.3.3 公式计算结果校验  72-75
  4.4 圆端形钢管混凝土偏压承载力理论计算公式  75-81
    4.4.1 引言  75
    4.4.2 偏压理论  75-76
    4.4.3 绕短轴抗弯承载力理论计算公式推导  76-78
    4.4.4 压弯项的修正  78-80
    4.4.5 公式计算结果校验  80-81
  4.5 本章小结  81-82
第5章可靠度理论及基于有限元分析的实现方法  82-93
  5.1 结构可靠度基本原理  82-85
    5.1.1 可靠性及可靠度  82-84
    5.1.2 结构的功能函数  84-85
  5.2 结构可靠度计算方法  85-89
    5.2.1 一次二阶矩法  86
    5.2.2 验算点法  86-87
    5.2.3 当量正态化法  87
    5.2.4 蒙特卡罗法  87-88
    5.2.5 响应面法  88-89
  5.3 ANSYS中的可靠度分析  89-92
    5.3.1 ANSYS中的PDS求解器  89-90
    5.3.2 ANSYS中的APDL语言  90-91
    5.3.3 ANSYS中的可靠度分析的实现  91-92
  5.4 本章小结  92-93
第6章圆端形钢管混凝土塔柱可靠度分析  93-112
  6.1 引言  93
  6.2 模型的建立  93-97
    6.2.1 材料参数  94-95
    6.2.2 计算假定  95
    6.2.3 实常数取值  95
    6.2.4 边界条件  95-96
    6.2.5 计算工况  96
    6.2.6 计算模型  96-97
  6.3 模型的校验  97-102
    6.3.1 监控测点布置  97-99
    6.3.2 计算应力变化曲线  99-100
    6.3.3 应力云图  100-102
    6.3.4 监控试验数据与数值模拟结果对比  102
  6.4 统计参数  102-105
    6.4.1 材料性能参数  102-103
    6.4.2 几何参数  103
    6.4.3 荷载参数  103-105
  6.5 蒙特卡罗法在ANSYS实现  105-109
    6.5.1 抽样技术  105-106
    6.5.2 塔柱可靠度分析  106-109
  6.6 响应面法在ANSYS实现  109-111
  6.7 本章小结  111-112
第7章结论与展望  112-115
  7.1 结论  112-114
  7.2 创新点  114
  7.3 展望  114-115
致谢  115-116
参考文献  116-124
攻读博士学位期间发表的论文及出版的著作  124-125
攻读博士学位期间参与的主要科研项目  125-126
蒙塔卡罗法计算塔柱可靠度命令流文件  126-128
响应面法计算塔柱可靠度命令流文件  128

圆端形钢管混凝土受压力学性能与可靠度研究

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