华中科技大学硕士学位论文钢管混凝土框架抗震性能的非线性有限元分析姓名：杨建兴申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：朱宏平;查晓雄20051021华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 钢管混凝土结构由于其自身特殊的优点，使其在技术经济上优于其他结构，因而国内外学者对钢管混凝土结构的力学性能和设计方法进行了大量的研究工作，到目前为止，对钢管混凝土结构基本构件的抗震性能进行了大量的静力试验和低周反复荷载试验及理论研究，而对结构在动荷载作用下的整体抗震性能的研究则很少，特别是振动台试验和在真实的地震波作用下结构的反应。 时程分析法由于输入的是真实的地震波记录，能够比较真实地反应地震过程中结构的动力性能，详细了解结构在整个地震过程中的动力响应，是目前较为精细的分析方法。本文利用 LS-DYNA 大型有限元动力分析软件，采用时程分析方法和拟静力试验的方法，对一榀单跨两层的钢管混凝土框架结构的整体抗震性能进行了三维非线性有限元分析，比较了钢管混凝土框架结构和钢筋混凝土框架结构在地震波作用下的加速度、位移、延性及滞回耗能等动力响应，综合评定了钢管混凝土框架结构的抗震性能。最后，本文简单研究了含钢率、混凝土强度及钢材强度对钢管混凝土框架结构的水平荷载-位移骨架曲线的影响情况。研究表明，钢管混凝土框架结构的抗震性能优于钢筋混凝土框架结构，为今后深入研究钢管混凝土框架结构的抗震性能提供了条件，同时为实际工程设计提供了参考依据。 关键词：关键词：钢管混凝土 框架 非线性有限元分析 弹塑性地震反应分析 抗震性能 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract The concrete-filled steel tubular structures is superior to other structures in technology and economy because of its advantages, therefore the domestic and international scholars have carried on many researches on mechanics performance and design methods of the concrete-filled steel tubular structures. Nowadays, many works have been done about the seismic behavior of CFST members in many countries by theoretical studies and pseudo dynamic testing and quasi-static testing. However, the research on the working performance of CFST frame has seldom been investigated, especially shaking table testing and response of structure und actual earthquake wave. The time-history seismic analysis can truly reflect the seismic behavior of structure and find out the earthquake response when earthquake happens, so it is the precise method at present. In this paper, author carries on three-dimensional finite element analysis to the seismic behavior of concrete-filled steel tubular frames under actual earthquake waves by LS-DYNA software. The questions such as acceleration, displacement, hysteretic behavior, ductility and the ability of energy dissipation have been emphatically studied about a one-lay-two-story CFST and reinforced concrete frames. Finally, the force-displacement relationship of CFST is researched, and effect of various factors to this skeleton curve is discussed. The theoretical analysis demonstrates that the CFST frames have good response to earthquake loading even in case of high earthquake intensity. The work in this paper laid a good basement for future profound research on the seismic of CFST structures and must do help to its practice use. Keywords: concrete-filled steel tube frames non-linear finite element analysis elasto-plastic earthquake response analysis seismic behavior 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 钢管混凝土概述 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土、螺旋配筋混凝土和钢管结构的基础上演变和发展起来的，相对钢材跟混凝土而言，是一种新型的结构材料。我们一般所说的钢管混凝土(concrete-filled steel tube)是指在薄壁圆形钢管中填充素混凝土而形成的组合结构材料(图 1-1)，但是钢管混凝土的性能却不仅仅是钢材跟混凝土的简单叠加。众所周知，钢材的泊松比s在塑性阶段基本保持 0.5 不变，而混凝土的泊松比c则是随着塑性变形的增加逐渐递增的，甚至有可能大于 1，即混凝土的横向变形大于钢管的横向变形，从而钢管限制了混凝土的变形，在钢管跟核心混凝土之间产生了相互作用力。紧箍效应的存在是钢管混凝土性能产生质的改变的最基本的原因，一方面钢管对核心混凝土提供了套箍作用，使混凝土处于三向受压状态，延缓了混凝土在受压时的纵向开裂，使混凝土由原来的脆性材料变为塑性材料，基本性能有了质的变化，从而大大提高了混凝土的抗压强度和变形能力；另一方面，由于内部混凝土的支撑作用，可以避免或延缓钢材的局部屈曲，提高了钢管壁的稳定性，使钢管的屈服强度得到了充分发挥。总之，钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，弥补了两种材料各自的缺点，同时又充分发挥了两者的优点。 图 1-1 钢管混凝土 与传统的钢结构和钢筋混凝土结构相比，钢管混凝土结构具有构件稳定性能好，华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 承载力高；减小梁柱截面尺寸，解决“胖柱”问题，增加建筑使用空间；耐火性能好，耐火极限高于钢结构，火灾后易修复；节约材料，降低造价，经济效益显著；节省支模的工序，施工方便，缩短施工工期；改变核心混凝土的破坏状态，塑性和韧性好；抗震性能优越，延性好；耐撞击性能好；可以安全可靠的使用高强度混凝土等优点。 基于钢管混凝土良好的力学性能，钢管混凝土结构得到了迅速的推广应用，尤其是在我们国家，由于我国的特殊国情，钢管混凝土技术虽然引进的比较晚，但是却得到了迅速的的发展与应用，取得了令人瞩目的成就。期间，原哈尔滨建筑工程学院、中国建筑科学研究院及原建筑材料研究院做了大量的试验研究和理论工作，相继提出了钢管混凝土“统一理论1”和“极限平衡理论2”，使得我们国家在钢管混凝土研究领域处于国际领先地位，同时在工程应用方面也做成了突出的贡献。由于钢管混凝土能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载方向的发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求， 因而被广泛应用在单层和多层工业厂房柱， 设备构架柱、各种支架柱和栈桥柱，输电、变电杆塔，桁架压杆，高层和超高层建筑，大跨度桥梁和公路工程和地下工程中，并且已取得良好的经济效益和建筑效果。相信随着钢管混凝土理论研究的不断深入和完善，施工工艺的提高和高性能材料的应用，钢管混凝土结构必将广泛地用于各种建筑结构中，新的成果必将出现，必将为新世纪的国家建设和土建工程的技术进步发挥积极作用1 4。 1.2 钢管混凝土研究及应用中存在的问题 钢管混凝土由于其自身特殊的优点，使其在技术经济上优于其他结构，因而国内外学者对钢管混凝土结构的力学性能和设计方法进行了大量的研究工作，制定了有关钢管混凝土设计、施工等的规程或规范，取得了丰硕成果。但是钢管混凝土的研究和应用方面仍然存在不足之处，需要以后的研究者去发展完善。 1.2.1 钢管混凝土研究中需要进一步解决的问题 1) 火灾下钢管混凝土结构耐火性能的研究 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 当前，人们对钢管混凝土结构体系在火灾下的性能研究，主要集中在基本构件方面，而对由钢管混凝土柱和钢或钢筋混凝土等形式的梁组成的框架结构火灾下的性能研究则很少，在火灾情况下，由于钢管混凝土柱与钢或钢筋混凝土等形式的梁相互约束，将使框架结构产生内力重分布，可能对结构的安全造成不利的影响。在进行钢管混凝土构件耐火极限的计算时，不考虑钢管和混凝土的相互作用问题。而且我国尚未制定有关钢管混凝土结构防火设计方面的规定，在已建成的结构中，有的按照钢筋混凝土结构的要求外包以混凝土，有的则按钢结构的要求涂以防火涂料。这样做虽也可能保证防火要求和结构的安全性，但大都偏于保守而造成浪费，且缺乏科学性和统一性。因此，应开展这方面的研究工作，并提供合理的钢管混凝土框架柱的耐火设计方法，制定相应的钢管混凝土结构防火规程，便于工程设计人员掌握5。 2) 火灾后钢管混凝土结构力学性能的分析 由于钢管和混凝土的协同互补、共同工作的优势，经历火灾后的钢管混凝土结构的强度和刚度能够大部分恢复，结构完整性和可修性远远高于同等条件下的钢结构和钢筋混凝土结构。而且大量的实验研究、理论分析和工程实践也证明钢管混凝土结构在火灾后仍具有一定的承载力和变形能力，那么对火灾后的钢管混凝土结构是拆除重建还是修复加固继续使用，这就要求我们深入研究其火灾后的力学性能和承载力损伤，合理制定火灾后该类结构的修复加固措施。此外，还应开展火灾后钢管混凝土结构抗震性能的研究6,7 。 3) 钢管混凝土结构体系抗震性能的研究 目前对钢管混凝土结构体系抗震性能的研究，主要集中在基本构件和试验研究方面，而对由钢管混凝土柱和钢或钢筋混凝土等形式的梁组成的框架结构的抗震性能还研究的不够，尤其是振动台试验，现阶段做的还不够多。因此，应进一步开展这方面的研究工作，并在充分考虑结构空间作用的基础上，提供合理的钢管混凝土框架柱的抗震设计参数，便于在工程设计中应用8 9 ，。 4) 对核心混凝土收缩、徐变及疲劳性能的研究 华 中 科