预应力型钢混凝土框架梁非线性有限元受力分析

摘要

预应力型钢混凝土结构是在型钢混凝土结构中合理布置并张拉一定数量的预应力筋的一种新型组合结构。这种组合结构兼具钢结构、混凝土结构和预应力结构的多重优点，利用型钢混凝土技术提高混凝土结构的承载能力，利用预应力技术改善型钢混凝土结构在正常使用极限状态下的性能（如裂缝控制等），刚度大、承载能力高、总变形小、裂缝开展不大、截面尺寸小、抗震性能好，对于梁而言适用于大跨度及对梁截面有较高要求的结构中，如桥梁、码头、车站、地下建筑、大跨度厂房、影剧院及高层建筑等。其优越的受力性能、良好的经济效益逐渐被人们认识和发掘，目前，国内外对该预应力型钢混凝土组合梁的研究主要集中在单跨大跨梁、多跨连续梁方面，然而，在实际工程中，框架梁出现较多，故本文对预应力型钢混凝土框架梁的受力性能进行研究。主要内容有:
　　一、本文在已有文献试验研究的基础上，采用大型通用有限元软件ANSYS建立有限元模型，对预应力型钢混凝土框架梁在整个受力过程中的变形发展、混凝土和型钢的应力分布进行非线性有限元分析，并与已有文献试验结果进行了对比分析，表明分析结果与试验值吻值合良好。分析验证了有限元模型在建模过程中各项参数的设置及所采用的基本假定均能较好的反映梁的真实受力情况，为进一步深入研究提供了参考。
　　二、为进一步的研究预应力型钢混凝土框架梁的受力性能，本文在对构件受力过程分析的基础上对影响其受力性能影响较大的参数，如普通受力钢筋配筋率、混凝土强度、型钢含钢量、预应力筋张拉控制应力等因素进行了参数研究。结果表明:普通钢筋配筋率越大，梁的极限承载力越高，但变形性能和延性性能较差;混凝土强度越高，梁的极限承载能力越高，同时变形性能和延性性能越好;型钢配钢率越大，梁的极限承载能力越高，变形性能和延性性能越好;增加预应力筋张拉控制应力，梁的开裂荷载增大，裂缝出现被延缓，对梁的极限承载力无明显影响，变形性能和延性性能下降。
　　本文从不同角度深入分析了预应力型钢混凝土框架梁的受力性能，得到了不同因素对构件受力性能的影响。所得结论对预应力型钢混凝土框架梁的推广有一定借鉴意义，对进一步的研究有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 型钢混凝土组合结构的研究现状及应用

1．2．1 型钢混凝土组合结构简介

1．2．2 型钢混凝土组合结构在国外的研究现状及应用

1．2．2 型钢混凝土组合结构在国内的研究现状及应用

1．3 预应力组合结构的研究现状

1．3．1 预应力组合结构在国外的研究现状及应用

1．3．2 预应力组合结构在国内的研究现状及应用

1．4 预应力型钢混凝土组合结构的研究现状

1．5 本文的研究意义

1．6 本文研究的主要内容

1．7 本文的技术路线

第二章 有限元分析基本理论

2．1 有限元数值模拟简介

2．1．1 有限元的发展

2．1．2 有限元分析的基本步骤

2．2 有限元非线性问题

2．3 模型材料非线性有限元计算

2．4 材料单元特性

2．4．1 混凝土材料特性

2．4．2 钢材材料特性

2．4．2 混凝土、型钢、钢筋材料单元组合特性

2．5 预应力的旋加及解决预应力损失的方法

2．5．1 预应力的施加方法

2．5．1 解决预应力损失的方法

2．6 边界条件和加载方法

2．7 收敛控制与求解设置

2．8 本章小结

第三章 预应力型钢混凝土框架梁有限元分析

3．1 模型概况

3．1．1 基本模型

3．1．2 计算模型

3．2 有限元模型的建立

3．2．1 单元选择及材料本构关系

3．2．2 预应力筋处理

3．2．3 单元网格划分

3．2．4 边界条件及加载方案

3．3 基本模型有限元计算结果分析

3．3．1 预应力筋张拉阶段

3．3．2 基本模型的变形

3．3．2 内置型钢、钢筋及混凝土应力

3．3．3 基本模型的裂缝开展情况

3．3．4 基本模型的承载力

3．3．5 基本模型与试验值误差分析

3．3．6 ANSYS分析小结

3．4 本章小结

第四章 设计参数变化对受力性能的影响

4．1 普通钢筋配筋率对预应力型钢混凝土框架梁受力性能的影响

4．1．1 计算模型1在不同配筋率时裂缝分布图

4．1．2 计算模型1在不同配筋率下的承载力的分析

4．1．3 计算模型1在不同配筋率下的变形能力的分析

4．1．4 计算模型1在不同配筋率下的荷载-位移曲线

4．2 混凝土强度等级对预应力型钢混凝土框架梁受力性能的影响

4．2．1 计算模型2在不同混凝土强度等级时裂缝分布图

4．2．2 计算模型2在不同混凝土强度等级下的承载力的分析

4．2．3 计算模型2在不同混凝土强度等级下的变形能力的分析

4．2．4 计算模型2在不同混凝土强度等级下的荷载-位移曲线

4．3 型钢含钢量对预应力型钢混凝土框架梁受力性能的影响

4．3．1 计算模型3在不同型钢含钢量时裂缝分布图

4．3．2 计算模型3在不同型钢含钢量下的承载力的分析

4．3．3 计算模型3在不同型钢含钢量下的变形能力的分析

4．3．4 计算模型3在不同型钢含钢量下的荷载-位移曲线

4．4 张拉控制应力对预应力型钢混凝土框架梁受力性能的影响

4．4．1 计算模型4在不同张拉控制应力时裂缝分布图

4．4．2 计算模型4在不同张拉控制应力下的承载力的分析

4．4．3 计算模型4在不同张拉控制应力下的变形能力的分析

4．4．4 计算模型4在不同张拉控制应力下的荷载-位移曲线

4．5 本章小节

第五章 结论及展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文