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曲线梁桥钢管混凝土桥墩的扭转效应研究

作　者: 王宇航
导　师: 聂建国
学　校: 清华大学
专　业: 土木工程
关键词: 钢-混凝土组合结构扭转效应拟静力试验有限元非线性分析
分类号: U441
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在曲线钢-混凝土组合梁桥体系中，钢管混凝土墩柱的扭转效应将对整体结构在地震作用下的力学行为产生较大的影响，论文对钢管混凝土柱在复杂受力状态下抗扭的力学性能和数值模型开展了系统的研究，取得的主要研究成果如下：（1）基于ABAQUS的用户自定义子程序UMAT，开发了不考虑截面非线性扭转效应的钢-混凝土组合结构纤维梁单元，用于组合结构构件在轴力和弯矩作用下的弹塑性滞回反应分析时建模速度、计算效率和精度均较高，在分析构件中仅存在轴力和弯矩作用的结构体系时相比传统建模方式的有限元模型优势较大。（2）通过14个钢管混凝土柱在不同加载模式下的拟静力往复加载试验，得到了钢管混凝土柱在往复扭矩荷载作用下的破坏过程、破坏模式以及扭矩-扭转角滞回特性，以及在加载全过程中的应变状态及相应的变化规律，初步揭示了钢管混凝土的抗扭机理，并为本文后续研究工作提供了基础试验依据。（3）基于大型通用有限元程序ABAQUS建立了钢管混凝土柱的“壳-实体”精细有限元模型，同时建立了钢管混凝土柱的“分层筒”理论模型，通过选用合理的混凝土材料本构关系，对钢管混凝土柱的抗扭力学行为进行了有效的模拟计算，进一步揭示了钢管混凝土柱在复杂受力状态下的抗扭机理。（4）在已有研究基础上，建立了考虑扭转效应的钢管混凝土纤维梁模型，并基于ABAQUS的用户自定义子程序UEL实现了单元的开发，与试验结果的对比结果表明考虑扭转效应的纤维梁模型能够有效考虑钢管混凝土截面的非线性扭转特性，在保证求解结果的准确性及建模速度的同时，可以获得较高的求解效率。（5）将考虑扭转效应的钢管混凝土纤维梁单元应用于曲线钢-混凝土组合梁桥在地震作用下的弹塑性时程反应分析，考察了模型的有效性和适用性。在此基础上，对曲线钢-混凝土组合梁桥在水平地震作用下的墩柱扭转效应和关键影响参数进行了初步的探讨。本论文提出的考虑扭转效应的钢管混凝土纤维梁模型可为分析曲线钢-混凝土组合梁桥体系在地震作用下的力学行为和受力机理提供有力的工具。本论文获得国家自然科学基金项目（51138007），教育部博士研究生“学术新人奖”资助。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
第1章引言  10-23
  1.1 研究背景和意义  10-13
  1.2 研究和应用现状及不足  13-19
    1.2.1 组合构件抗震性能研究  13
    1.2.2 钢管混凝土柱抗扭性能研究  13-14
    1.2.3 组合梁桥结构体系的数值模型  14-19
  1.3 论文的研究目标和总体思路  19-23
    1.3.1 研究目标  19
    1.3.2 总体思路  19-23
第2章钢-混凝土组合结构纤维梁模型  23-42
  2.1 本章概述  23
  2.2 钢-混凝土组合结构纤维梁模型的定义  23-26
  2.3 材料本构模型  26-32
    2.3.1 普通混凝土  27-28
    2.3.2 钢管混凝土  28-30
    2.3.3 钢材  30-31
    2.3.4 钢筋  31-32
  2.4 试验验证  32-41
    2.4.1 钢-混凝土组合梁  33-34
    2.4.2 钢管混凝土柱  34-36
    2.4.3 钢筋混凝土梁、柱  36-37
    2.4.4 钢筋混凝土受弯剪力墙  37-38
    2.4.5 钢-混凝土平面组合框架  38-41
  2.5 本章小结  41-42
第3章钢管混凝土柱压-弯-扭往复受力性能试验研究  42-81
  3.1 本章概述  42-43
  3.2 试验概况  43-51
    3.2.1 试件设计  43
    3.2.2 加载装置及加载方案  43-50
    3.2.3 量测方案  50-51
  3.3 纯扭及压扭试验结果及分析  51-67
    3.3.1 试验现象及破坏模式  51-54
    3.3.2 扭矩-扭转角滞回曲线  54-56
    3.3.3 扭矩-扭转角骨架曲线  56-57
    3.3.4 钢管应变规律  57-65
    3.3.5 承载力相关关系  65-67
  3.4 压-弯-扭试验结果及分析  67-79
    3.4.1 试验现象及破坏模式  67-69
    3.4.2 扭矩-扭转角和弯矩-柱顶位移滞回曲线  69-72
    3.4.3 扭矩-扭转角和弯矩-柱顶位移骨架曲线  72-74
    3.4.4 钢管应变分布规律  74-79
    3.4.5 承载力相关关系  79
  3.5 本章小结  79-81
第4章钢管混凝土的抗扭机理研究  81-123
  4.1 本章概述  81
  4.2 精细有限元模型分析  81-101
    4.2.1 ABAQUS 中的混凝土材料本构模型  82-83
    4.2.2 单轴应力应变关系  83-84
    4.2.3 裂缝模型  84-85
    4.2.4 屈服准则  85-86
    4.2.5 流动法则  86
    4.2.6 滞回规则  86-90
    4.2.7 混凝土本构模型对比  90-93
    4.2.8 实例分析  93-95
    4.2.9 钢管混凝土柱的“壳-实体”精细有限元模型  95-96
    4.2.10 试验验证  96-98
    4.2.11 应力-应变状态  98-101
  4.3 理论模型分析  101-111
    4.3.1 几何方程  102-104
    4.3.2 材料本构方程  104-107
    4.3.3 平衡方程  107-108
    4.3.4 非线性求解流程  108-109
    4.3.5 试验验证  109-111
  4.4 钢管混凝土柱抗扭机理总结  111-116
    4.4.1 应力-应变状态  113-114
    4.4.2 内力分配  114-116
  4.5 钢管混凝土柱抗扭参数分析  116-121
    4.5.1 轴力变化规律  116-117
    4.5.2 应变变化规律  117
    4.5.3 抗扭承载力变化规律  117-119
    4.5.4 抗扭承载力设计方法  119-121
  4.6 本章小结  121-123
第5章考虑扭转效应的钢管混凝土纤维梁模型  123-150
  5.1 本章概述  123-124
  5.2 基于纤维梁单元的杆系结构非线性全过程分析  124-126
  5.3 考虑扭转效应的纤维梁单元的本构关系  126-139
    5.3.1 整体坐标系到单元局部坐标系的转换  127-128
    5.3.2 单元节点位移到截面位移的转换  128
    5.3.3 截面位移到截面广义应变的转换  128
    5.3.4 截面广义应变到纤维应变的转换  128-137
    5.3.5 纤维应变到纤维应力的转换  137
    5.3.6 纤维应力到截面广义应力的转换  137-138
    5.3.7 截面广义应力到单元力的转换  138-139
    5.3.8 单元局部坐标系到整体坐标系的转换  139
  5.4 材料本构关系  139-145
    5.4.1 混凝土材料二维本构关系  140-144
    5.4.2 钢材轴向-剪切二维本构关系  144-145
  5.5 试验验证  145-148
  5.6 本章小结  148-150
第6章曲线钢-混凝土组合梁桥体系的应用与讨论  150-171
  6.1 本章概述  150
  6.2 多遇地震下的抗震分析模型对比  150-160
    6.2.1 模型建立  150-152
    6.2.2 自振特性  152-153
    6.2.3 地震动输入  153-154
    6.2.4 求解效率  154-155
    6.2.5 墩顶位移时程  155-158
    6.2.6 墩柱扭转角时程  158-159
    6.2.7 墩底扭矩  159-160
  6.3 罕遇地震下的抗震分析模型对比  160-166
    6.3.1 墩顶位移时程  160-162
    6.3.2 墩柱扭转角时程  162-163
    6.3.3 墩底内力  163-166
  6.4 组合曲线梁桥地震扭转反应关键影响因素  166-169
  6.5 本章小结  169-171
第7章结论与展望  171-175
  7.1 论文的主要研究成果  171-173
  7.2 有待进一步研究的问题  173-175
参考文献  175-180
致谢  180-182
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  182-186

曲线梁桥钢管混凝土桥墩的扭转效应研究

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