钢管混凝土结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法.pdf

分类号丁 密级 _____ UDC 博士学位论文 钢管混凝土结构极限承载力分析的 高效高精度线弹性迭代方法 学科专业 结构工程 钢管混凝土结构极限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法 摘要 钢管混凝土结构受力性能好、 、 ，在大跨桥梁和高 施工便捷 经济耐久 。 层建筑中应用广泛 极限承载力分析是钢管混凝土结构安全性评估和设计 的基础，在工程界和学术界得到了广泛重视。然而当前钢管混凝土结构极 限承载力分析通常采用增量非线性有限元法，依赖于加载路径，并通过修 改材料本构模拟结构的失效历程，涉及大量的非线性迭代分析，存在计算 耗时久、稳定性欠佳、参数敏感性大等问题。为此，本文通过建立不同截 面类型钢管混凝土构件齐次广义屈服函数，研究建立了钢管混凝土结构极 限承载力分析的高效高精度线弹性迭代方法，具体内容如下： 1）通过搜集、分析、遴选国内外钢管混凝土构件与结构试验结果，研 究建立了具有1708组钢管混凝土构件和23组结构极限承载力试验数据库， 、 哑铃型截面构件54组 其中矩形截面构件720组 圆形截面构件934组、 ， 以及11组桁架结构和12组拱结构试验数据，为验证钢管混凝土结构极限 承载力分析方法提供了客观依据； 2）考虑钢管受力状态差异和钢管强度的影响，建立了钢管本构关系修 正模型，进一步地考虑钢管约束引起的混凝土强度提升，建立了核心混凝 土峰值应力表达式，并通过合理选取上升段和下降段形式、峰值应变和残 余应力段系数，建立了矩形钢管约束混凝土本构关系修正模型，通过与试 验数据和现有本构关系的对比分析，验证了本文建立的材料本构关系修正 模型具有广泛的适用性和更高的计算精度； 3）研究确定了矩形、圆形和哑铃型钢管混凝土构件轴压承载力计算公 基于承载能力极限状态 考虑钢管发生应变强化 建立了钢管混凝土 式， ， ， 受弯构件承载力失效判据，在此基础上，利用纤维模型法通过回归分析建 立了矩形、圆形和哑铃型截面塑性发展系数和构件抗弯承载力计算公式， 通过与试验数据、现有失效判据和抗弯承载力计算公式对比分析，验证了 本文建立的失效判据能够更加真实地反映构件的抗弯能力，且抗弯承载力 新建公式能够取得更高的计算精度； 4）基于钢管混凝土构件轴压和抗弯承载力计算公式，考虑套箍系数和 稳定系数的影响，采用纤维模型法建立了矩形、圆形和哑铃型钢管混凝土 构件压弯齐次广义屈服函数，计算结果与压弯承载力试验数据吻合良好， 并通过建立考虑矢跨比影响的抛物线单圆管拱稳定系数修正公式，建立适 用于拱稳定承载力分析的齐次广义屈服函数，齐次广义屈服函数能够有效 克服广义屈服函数计算结果受荷载初值影响的缺陷，并避免求解结构极限 承载力时涉及复杂的材料层面非线性迭代分析； 5 ）利用齐次广义屈服函数定义单元承载比，结合变形能守恒原理推导 了单元弹性模量调整策略，并通过缩减高承载单元的弹性