本文是一篇土木工程论文，本文采用ABAQUS对新型装配式圆形钢管混凝土短柱和组合T形钢管混凝土柱试件进行轴心受压研究。
第1章 绪论
1.1 概述
改革开放四十多年来，我国的经济发展速度迅猛，城市化进程到了前所未有的高度，城市人口也呈现出爆炸性增长的趋势。同时由于我国许多区域位于地震多发带，这就对结构的强度以及刚度提出了更高的要求。由于在高层、超高层结构中钢筋混凝土柱容易形成短柱，所以在设计中不易满足抗震要求。火柴盒般的底层砖混结构不再符合现阶段的住房需要，重量更轻、承载力更好、工业化施工更便捷、层数更高的框架结构成为了现代高层建筑的主力军，框架结构的建筑平面布置灵活，但传统的框架结构已满足不了人们对住宅舒适度要求的进一步提高。而此时，一种由钢管和混凝土共同组合的结构开始被人们注意，并且发展较快，可以在众多结构中见到。钢管混凝土结构在许多方面，特别是经济和建筑外观方面较框架结构有着不小的提升，国内各地均有不同的钢管混凝土结构建筑，如图1.1所示。
混凝土作为建筑工程中最常用的材料，其抗压强度高，但抗弯能力很弱；而钢材具有良好的弹塑性性能，延性大，抗变形能力强，抗弯能力强，但在受压时容易因为失稳而降低轴向抗压能力。因此，采用将钢管与混凝土组合使用的方法，将二者的优点结合在一起，使钢管对受轴向荷载的混凝土起到约束作用，使混凝土处于横向受压的状态，提高混凝土的抗压强度。同时由于混凝土的存在，钢管的刚度也得到提高。在实际工程中采用钢管混凝土结构，利用钢管与混凝土发挥的共同作用，就可以显著提高结构的承载能力。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 圆形钢管混凝土柱研究现状
普通圆形钢管混凝土柱在受压状态下力学性能研究已较为成熟，王凯宁[3]试验研究了圆形钢管混凝土柱核心混凝土对钢管变形的影响，并计算了在轴压作用下局部位置的临界荷载与临界应力。发现核心混凝土的存在可提高圆形钢管变形能力，可避免薄壁钢管的局部屈曲变形。 Jegadesh[4]、Li[5]等对圆形钢管混凝土轴压柱进行了实验分析，并且将试验结果与国际设计规范和公式进行了比较，完善了承载力理论计算公式。Ahmed[6]等对偏心受荷载的情况下的圆形钢管混凝土细长柱的受力性能进行试验研究。在考虑混凝土约束、几何缺陷、二阶效应、钢材的塑性损伤以及几何和材料非线性的影响下，提出圆形钢管混凝土柱的计算模型的公式。与试验测量结果进行比较，该公式拟合效果较好。设计模型可以给出良好的钢管混凝土柱强度预测，在实际组合柱的设计中可以采用。Lee[7]对圆形钢管混凝土短柱在偏心荷载作用下的受力性能进行试验分析，结果表明，钢管混凝土偏心受压圆形柱的抗弯承载力符合设计要求，而欧洲规范高估了钢管混凝土偏心受压圆形柱的荷载—弯矩关系。
芮国荣[8]等人对圆形钢管混凝土柱小偏心受压力学性能进行了研究和分析。研究了混凝士强度等级等条件对圆形钢管混凝土柱小偏心受压力学性能影响。套箍效应明显提高钢管混凝土短柱承载力。李艳[9]等人试验研究了圆形薄壁钢管混凝土柱的轴压性能，设计了8根不同尺寸的试件，对其进行轴压试验，记录其破坏形态和极限承载、纵向应变和环向应变。分析了钢管径厚比、柱长细比和套箍系数等因素对圆形薄壁钢管混凝土柱轴压力学性能的影响，得出套箍系数越高，柱承载力提高越多。柏益伟[10]等人通过有限元分析软件对比分析圆形和方形钢管混凝土柱的轴压力学性能，发现圆形钢管和核心混凝土接触时的压应力比方形分布均匀，圆形钢管混凝土柱轴向受压性能优于方形。
第2章 有限元分析软件建模及分析准确性验证
2.2 钢管混凝土柱有限元分析软件简介
ABAQUS是一款应用广泛的有限元分析软件，使用方法较为简单。可以模拟各种材料特性，进行线性非线性力学分析，被用于大批量工程试验模拟中。
ABAQUS 软件包括三个主要模块，即隐式计算模块ABAQUS/Standard、显式计算模块ABAQUS/Explicit、流固耦合计算模块ABAQUS/CFD，这三个模块能够分别实现对广泛领域的线性和非线性问题、动态问题、流体问题和流体传热问题的求解；软件的前处理模块为 ABAQUS/CAE，主要功能是建立计算模型、提交计算任务、监控计算过程以及处理计算结果等。现今国内对结构大部分的非线性研究都是用ABAQUS来分析的。
本论文研究的是新型装配式圆形钢管混凝土短柱和组合式T形钢管混凝土短柱的力学性能，主要对其力学性能进行非线性研究，使用非线性分析功能最强大的 ABAQUS有限元软件是最为合适的。
2.3 ABAQUS软件建模分析准确性验证
为验证有限元软件建模的准确性，以文献[61]圆形钢管混凝土短柱的轴压试件N32LM-C试件和文献[62]T形钢管混凝土短柱的轴压试件T2为原型，用有限元软件ABAQUS建立7个圆形试验模型C1~C7和5个T形试验模型，对其施加与试验相同的轴向位移荷载，分析得其荷载-纵向位移关系并与试验结果对比。
2.3.1 圆形钢管混凝土短柱模型参数选用准确性验证
（一）试件尺寸
试件尺寸见表2.1。
（二）钢材与混凝土的材料本构
齐宏拓[21]对圆形和方形钢管混凝土柱做了大量的轴压、偏压实验进行研究，对原有钢材本构模型进行修正，提出了新的钢管混凝土柱的钢材本构模型。本文采用齐宏拓[21]提出的本构模型，图2.2中虚线为实际的钢材应力—应变曲线，而在理论分析上把它简化为五段直线的应力—应变关系，表达式为（2.1），其中ƒy、ƒu、ƒp分别为屈服强度、极限强度和比例极限；εp=0.8ƒy/Es；εy1=1.5εp；εy2=10εp；εu=100εp；A=0.2ƒy/(εy1-εp)2；B=2Aεy1；C=0.8ƒy+Aεp2-Bεp。分析中钢材为各向同性，采用Mises屈服准则。
第3章 新型装配式圆形钢管混凝土短柱力学性能的有限元分析 ....................... 22
3.1 引言 ................................ 22
3.2 新型装配式圆形钢管混凝土短柱具体构造研究 ................... 22
第4章 组合式T形钢管混凝土短柱力学性能的有限元分析 ...................... 47
4.1 引言 ................................ 47
4.2 试件尺寸设计 .................... 47
4.3 有限元建模 ........................... 48
第5章 新型装配式圆形与组合式T形钢管混凝土短柱对比分析 ....................... 70
5.1 变形形态比较 ................................. 70
5.2 短柱应力分布特点比较 ........................... 71
第5章 新型装配式圆形与组合式T形钢管混凝土短柱对比分析
5.1 变形形态比较
新型装配式圆形钢管混凝土短柱和组合式T形钢管混凝土短柱在破坏时的变形如图5.1所示。
由图5.1可以看出，新型装配式圆形钢管混凝土短柱在轴压状态下破坏时为上下鼓曲，且各向变形较为对称，在侧向无弯曲变形；组合式T形钢管混凝土短柱轴压状态下在破坏时U形部分上部鼓曲破坏，矩形部分中部鼓曲破坏，且向U形呈弯曲状态，仅翼缘侧对称，其他方向不对称。对比看出新型装配式圆形钢管混凝土短柱的变形性能更优于组合式T形钢管混凝土短柱。
第6章 结论与展望
6.1 结论
本文对中部有一截焊接的外套钢管的新型装配式圆形钢管混凝土短柱研究，这种钢管混凝土柱可以避免现场施工湿作业，同时增强了对核心混凝土的约束作用；对一种组合式T形钢管混凝土短柱研究，其T形钢管由矩形钢管和U形钢管直接焊接而成，不仅具有高于普通钢管混凝土柱承载力的优良性能，还能有效避免棱角凸出、提高室内使用面积以及满足建筑使用功能，这两种钢管混凝土柱在往后建筑的发展中将具有良好的发展前景。本文采用ABAQUS对新型装配式圆形钢管混凝土短柱和组合T形钢管混凝土柱试件进行轴心受压研究，得出以下主要结论。
（1）圆形钢管混凝土短柱的钢管与混凝土的摩擦系数、混凝土粘结系数取值分别为0.15、0.0014。T形钢管混凝土短柱钢管与混凝土的摩擦系数、混凝土粘结系数取值分别为0.6、0.006。
（2）新型装配式圆形钢管混凝土短柱和组合式T形钢管混凝土短柱均具有良好的力学性能和变形能力，且在轴心受压下，钢管纵向应力、钢管环向应力和混凝土的纵向应力分布都较为均匀。且前者轴压变形形态和力学性能优于后者。
（3）新型装配式圆形钢管混凝土短柱的最优构造为上部混凝土伸出长度占上、下部分混凝土伸出总长度的1/3，外套钢管中间段长度占柱长的1/12。
（4）增加钢管厚度（即减小径厚比）和混凝土强度可提高新型装配式圆形钢管混凝土短柱的轴压极限承载力和初始刚度，增加钢管强度可以提高两种短柱的极限承载力，对初始刚度无影响；增加试件长度会降低两种短柱的轴压极限承载力和初始刚度.
参考文献（略）
