圓形與非圓形截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度理論研究

來源: www.pkckr.com 作者:vicky 發布時間:2020-01-11 論文字數:75844字
論文編號: sb2019121820330328932 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇土木工程論文,本文基于張文福教授近期提出的板—梁理論和傳統經典 Saint-Venant 扭轉理論思想對圓形和非圓形(包括橢圓形、方形及矩形截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度進行了理論研


第一章  緒論

1.1  研究背景與意義
隨著土木工程領域中各種工程結構形式的復雜多樣發展,結構需要自重更輕、承載力更高的承重構件。為了滿足這一需求,各種鋼-混組合構件便應用而生。而且研究發現鋼-混組合構件具有自重輕、承載力高、剛度大、抗震性能好等特點,如鋼管混凝土構件就是一種鋼-混組合構件,由鋼管和混凝土兩種材料組合而成,在抵抗外力作用時鋼管和混凝土之間相互作用,即兩者在受力變形時鋼管會對核心混凝土產生約束作用,從而提高鋼管內混凝土的強度,增強混凝土的塑性和韌性能力,同時有效制約了鋼管局部屈曲的發生。除此之外,由于鋼材輕質高強,混凝土抗壓強度高造價低,故與單一材料構件相比有一定的優勢,所以在城市建筑中,鋼管混凝土這類組合構件多用于地鐵站臺柱、空間結構、高層和多層工業廠房柱、高層和超高層建筑以及設備構架柱,各種支架等,且其截面形式主要有圓形、方形和矩形[1]。因此,鋼-混組合構件憑借其力學性能優勢,被廣泛應用于各類建筑物的承重結構中,如結構承重柱、承重梁等。然而,由于建筑結構形式的多樣變化往往使結構構件在復合荷載作用下更容易發生扭轉變形,因此需要對鋼-混組合構件的受扭性能和抗扭力學機理進行深入的研究[2]。而且研究鋼-混組合構件受扭作用的機理和承載力計算方法是深人研究其復合受扭工作性能和承載力計算的基礎[3]。
關于構件的扭轉問題,Coulomb,C.A.最早于 1777  對圓形截面構件的自由扭轉進行了研究,開創了扭轉理論研究先河。時隔近 80 年,Sant  Venernt 于 1856 建立了非圓形截面構件的自由扭轉理論,得到了自由扭轉問題的一般解,至今人們仍把其所研究的扭轉問題稱為圣維南扭轉。但是圓形截面構件的自由扭轉理論和非圓形截面構件的自由扭轉理論僅適用單一材料,無法直接解決復合材料構件的自由扭轉問題,如鋼-混組合構件。這是因為鋼-混組合構件的剪切模量的計算存在以下問題:一是鋼-混組合構件的剪切模量很難用試驗的方法來得到;二是因為組合材料的復雜性,不能采用單一材料彈性模量和剪切模量的關系來求解,所以如何確定其剪切模量的問題尚未得到有效解決[4],
因而目前對鋼-混組合構件在扭轉性能方面的理論研究成果有限,而且已有的關于鋼-混組合構件在扭轉性能方面的研究成果均以試驗和有限元方法為主。
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1.2 CFST 組合梁力學性能研究現狀
1.2.1 CFST 組合梁非扭轉力學性能研究現狀
1957 年 Kloppel 和 Goder[6][7]對 20 多根圓鋼管混凝土柱開展了試驗研究,分析了這類構件的承載力,且圓鋼管混凝土柱的徑厚比的范圍在 7.4 至 50.6 之間,長細比的范圍在 36 至 83.2 之間。 1967 年 Furlong[8]對長細比為 30 的 8 根圓鋼管混凝土構件和 5 根方鋼管混凝土構件進行了軸壓試驗研究,分析了鋼管混凝土構件軸壓承載力。研究發現鋼管混凝土構件中,鋼管與混凝土之間的相互作用很小,因此可以忽略不計。
1967 年 Gardner 和 Jacobson[9]對 22 根圓鋼管混凝土柱進行了試驗研究,研究發現當圓鋼管混凝土柱達到承載力極限狀態時,鋼材的強度達到屈服強度而核心混凝土的強度沒有達到承載力極限狀態;且鋼管和混凝土兩者之間的相互約束作用使得圓鋼管混凝土柱外鋼管的變形比一般空鋼管的變形大。
1969 年 Neogi 等[10]對 18 根圓鋼管混凝土進行了偏壓試驗研究,分析了混凝土的強度、荷載的偏心率和構件的長細比等多個參數對其承載力的影響。
1976 年 Bridge[11]對 8 根方鋼管混凝土柱開展了偏壓試驗研究,并對其中 4 根方鋼管混凝土柱開展了雙向偏壓試驗研究,研究發現外加荷載的偏心角對雙向偏壓柱的承載力有一定的影響。
1979 年 Morishita 等[12][13][14]對圓形、方形和八角形截面鋼管混凝土構件進行了軸壓試驗研究,分別分析了圓形、方形和八角形截面鋼管混凝土構件中外鋼管與核心混凝土之間的粘結強度與粘結滑移之間的關系。研究發現圓鋼管混凝土構件中鋼管和混凝土的粘結強度最高,方鋼管混凝土構件中鋼管和混凝土的的粘結強度最低,八角形鋼管混凝土構件中鋼管和混凝土的粘結強度位于中間。
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第二章  圓形截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度研究

2.1  內置工字鋼骨圓鋼管混凝土組合梁自由扭轉剛度研究
2.1.1  基本假設
1.扭轉變形前后橫截面的形狀與垂直于構件軸線的截面投影的形狀是相同的,即滿足“剛周邊假設”;
2.鋼管混凝土梁扭轉變形由板—梁理論和 Saint-Venant 扭轉理論確定;
3.不考慮鋼管與混凝土之間的相對滑移,即兩者之間的縱向變形是協調的;
4.鋼管與混凝土為理想各向同性材料,且符合胡克定律。
第 1 條假設是 Vlasov 在其著作第十章提出的。他利用此假設研究了單一材料實體截面梁的約束扭轉和自由扭轉問題;第 2 條假設是張文福教授提出的,是對 Vlasov 理論的修正,因為 Vlasov 直接利用了薄壁構件的成果,未很好地考慮 Saint-Venant 扭轉特性,故其扭轉剛度的計算誤差較大,特此修正;第 3~4 條假設是鋼管混凝土彈性扭轉分析中常用的假設。
2.1.2  問題描述
以圖 2.1 所示的內置工字鋼圓形鋼管混凝土組合懸臂梁為研究對象,在其自由端作用集中扭矩 Mt。已知:核心混凝土彈性模量為 Ec,剪切模量為 Gc,泊松比為 μc,圓鋼管及工字形鋼骨彈性模量為 Es,剪切模量為 Gs,泊松比為 μs,工字形鋼骨總高為 H,翼緣寬度為 bf,翼緣厚度為 tf,腹板厚度為 tw,圓鋼管半徑為 r,鋼管壁厚為 t;梁長度為 L,發生扭轉時,相應截面繞剪切中心(形心)的剛性扭轉角為 θ(z),如圖 2.2 所示。

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2.2  圓形截面工字型鋼-混凝土組合梁自由扭轉剛度研究
2.2.1  基本假設
本節基本假設同 2.1.1 節 2.2.2  問題描述
以圖 2.6 所示的圓形截面工字型鋼-混凝土懸臂梁,在其自由端作用集中扭矩 Mt。已知:混凝土彈性模量為 Ec,剪切模量為 Gc,泊松比為 μc,工字型鋼彈性模量為 Es,剪切模量為 Gs,泊松比為 μs,工字型鋼截面總高為 H,翼緣寬度為 bf,翼緣厚度為 tf,腹板厚度為 tw,混凝土圓截面半徑為 r;梁長度為 L,發生扭轉時,相應截面繞剪切中心(形心)的剛性扭轉角為 θ(z),如圖 2.7 所示。

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第三章  橢圓截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度研究 ...................................... 31
3.1  內置工字鋼骨橢圓形鋼管混凝土組合梁自由扭轉剛度研究 ························ 31
3.1.1  基本假設 ..................................... 31
3.1.2  問題描述 ................................. 31
第四章  方形截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度研究 ............................................ 51
4.1  內置工字形鋼骨方 CFST 組合梁自由扭轉剛度研究 ··················· 51
4.1.1  基本假設 ..................................... 51
4.1.2  問題描述 ............................... 51
第五章  矩形截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度研究 ....................................... 71
5.1  內置工字形鋼骨矩形鋼管混凝土組合梁自由扭轉剛度研究 ························ 71
5.1.1  基本假設 ....................................... 71
5.1.2  問題描述 ............................... 71

第五章  矩形截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度研究

5.1  內置工字形鋼骨矩形鋼管混凝土組合梁自由扭轉剛度研究
5.1.1  基本假設
1.扭轉變形前后橫截面的形狀與垂直于構件軸線的截面投影的形狀是相同的,即滿足“剛周邊假設”;
2.鋼管混凝土梁扭轉變形由板—梁理論和 Saint-Venant 扭轉理論確定;
3.不考慮鋼管與混凝土之間的相對滑移,即兩者之間的縱向變形是協調的;
4.鋼管與混凝土為理想各向同性材料,且符合胡克定律。
第 1 條假設是 Vlasov 在其著作第十章提出的。他利用此假設研究了單一材料實體截面梁的約束扭轉和自由扭轉問題;第 2 條假設是張文福教授提出的,是對 Vlasov 理論的修正,因為 Vlasov 直接利用了薄壁構件的成果,未很好地考慮 Saint-Venant 扭轉特性,故其扭轉剛度的計算誤差較大,特此修正;第 3~4 條假設是鋼管混凝土彈性扭轉分析中常用的假設。
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第六章  結論與展望、

6.1  結論
本文基于板—梁理論和傳統經典 Saint-Venant 扭轉理論思想對圓形和非圓形截面(包括橢圓形截面、方形截面、矩形截面)鋼-混組合梁自由扭轉剛度問題進行了理論研究,主要得到以下結論:
(1)基于板—梁理論和傳統經典 Saint-Venant 扭轉理論,給出了圓形截面鋼-混組合梁自由扭轉變形后截面橫向位移 u、v 和縱向位移 w 表達式,根據彈性理論基本知識推導了內置工字鋼骨圓形 CFST 組合梁以及圓形截面工字型鋼-混凝土組合梁自由扭轉變形的應變能表達式,并給出其自由扭轉剛度理論解析解。為了便于圓截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度在實際工程中的應用,本文還根據疊加思想提出了圓形截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度疊加組合設計公式。
(2)利用 ANSYS 分別建立內置鋼骨圓形 CFST 組合懸臂梁和圓形截面工字型鋼-混凝土組合懸臂梁有限元模型,并進行鋼-混組合梁扭轉力學性能有限元分析,以此驗證本文給出的圓形截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度理論解析解的正確性。
(3)基于板—梁理論和傳統經典 Saint-Venant 扭轉理論,給出了橢圓形截面鋼-混組合梁自由扭轉變形后截面橫向位移 u、v 和縱向位移 w 表達式,根據彈性理論基本知識推導了內置工字鋼骨橢圓形 CFST 組合梁及橢圓形截面工字型鋼-混凝土組合梁自由扭轉變形的應變能表達式,并給出其自由扭轉剛度理論解析解。為了便于橢圓截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度在實際工程中的應用,本文還根據疊加思想提出了橢圓形截面鋼-混組合梁自由扭轉剛度疊加組合設計公式。
參考文獻(略)

原文地址:http://www.pkckr.com/civil/28932.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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