[摘要] 第1章 绪论1 1 引言对钢管混凝土的研究，人们最初在其压弯构件
第1章 绪论
1.1 引言
对钢管混凝土的研究，人们最初在其压弯构件的力学性能及钢管和混凝土之间粘结问题方面着手并取得一定的成果，之后研究者们较多地研究钢管混凝土结构的抗震性能和耐火极限，以及长期荷载作用的影响等问题。随着人们对钢管混凝土压弯剪、压弯扭构件以及其结构抗震性能研究的进一步深入，钢管混凝土工作机理的理论研究得到了较快的发展，使得人们对这类组合构件力学实质的认识逐渐深入。经过几十年的不断研究，钢管混凝土结构理论与设计技术逐步趋于成熟，人们意识到这种结构体系在力学性能和施工性能等方面具有一系列优点，因此已被较广泛地应用于各个工程建设领域，如工业厂房、各种支架、送变电杆塔、桩、大跨度空间结构、商业广场、多层办公楼及住宅、高层和超高层建筑以及桥梁结构等。钢管混凝土进入高层建筑领域，已经有二十多年历史。人们一开始单纯从钢管混凝土柱的承载力高、柱子截面相对小、可以增加建筑有效使用空间出发，把结构中一部分钢筋混凝土柱用钢管混凝土柱代替。随着工程实践和科研工作的不断深入，广大工程技术人员发现钢管混凝土具有良好的抗震性能和施工方便等突出优点，随即发展到一座建筑的全部柱子均采用钢管混凝土柱。这一发展过程仅仅经历了三～五年的时间，可见在高层建筑中采用钢管混凝土结构已为广大工程技术界所接受[1]。近十多年来，我国高层建筑发展迅速，据统计，截至2011年年底建成的全球前100座高层建筑中，72座位于亚洲，32 座位于中国，其中 35%为组合和混合结构体系，未来 10年待建和正在施工的前十名高层建筑全部位于亚洲，5 座位于中国，其中 70%为组合和混合结构体系。这里所说的组合和混合结构体系主要是指钢管混凝土框架－核心筒结构，它是由外围的钢管混凝土框架柱和内侧的混凝土核心筒通过钢梁或混凝土梁连接而成。钢管混凝土柱竖向承载力高，主要承担竖向荷载；混凝土核心筒抗侧刚度大，有效地抵抗地震作用，该体系充分利用了两种结构形式的优点，并且具有施工速度快、综合效益好等工程特点，因此，近年来在我国高层超高层建筑中得到了广泛地应用，被认为是一种符合我国国情的新型高层结构形式，具有广阔的应用前景[2]。
.....
1.2 钢管混凝土的特点
钢管混凝土（Concrete Filled Steel Tube，简称 CFST）是指在钢管中填充混凝土而形成的构件[3]，如图 1-1 所示。它是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的[4]。其特点主要有[1][5]：普通混凝土构件在轴向力作用下，其受力状态一般为单向受压，而对于钢管混凝土构件，由于混凝土外面套上了钢管，混凝土的横向变形受到了钢管的约束，使其处于三向受压状态，因此混凝土强度得到很大的提高。与此同时，混凝土对钢管壁起到了侧向支撑的作用，防止了钢管过早地出现局部屈曲，大大增加了钢管壁的稳定性，这时钢管的强度也得到充分发挥。可见当这两种材料通过这样一种方式组合在一起的时候，其各自优点都能充分展现出来，承载能力得到了很大提高，有分析表明[3]其承载能力为两者单独承载力之和的 1.7~2.0 倍。相对于钢材，混凝土的脆性较大，然而当混凝土受到了钢管的约束后，其延性得到了改善，在破坏时能产生很大的塑性变形。另外，钢管混凝土具有良好的韧性，这些特点致使钢管混凝土在地震 反复作用下，其荷载 位移滞回曲线十分饱满，而且刚度退化现象小，表明结构能吸收较多能量，抗震性能良好。在钢管混凝土结构施工过程中，由于先安装钢管，然后再往钢管里面浇筑混凝土，钢管这时相当于混凝土的模版，所以支模、拆模等一系列工序都可以省去。而且钢管内部无需放置钢筋，这对混凝土的的浇灌和振捣带来很大方便，因此施工进度也相应加快。另外，钢管混凝土施工符合现代化施工技术工业化的要求，其构造相对于钢结构的简单，焊缝比较少，同时能为逆作法施工提供条件。由于钢管构件自重小，其运输以及吊装的费用也相对降低。可见，采用钢管混凝土结构不仅能使工程建设进度加快，同时还能使造价降低。
.......
第2章 节点有限元模型的建立
2.1 引言
众所周知，通过试验进行研究往往要花费大量的人力、物力以及时间，而采用如今研究日益丰富和完善的有限元软件作为研究的另一手段，可以大大地缩短研究的时间、提高经济效益和达到研究的目的。想在有限元分析中获得符合实际的、可靠的结果，需要准确地建立与实际相符合的模型，其中包括几何模型的建立、本构关系的选取、边界条件的确定、荷载的施加以及网格的划分等等。对此，本章主要基于通用大型有限元软件 ABAQUS 对所研究节点的有限元模型的建立，以及其计算参数的设置进行论述。
.....
2.2 工程概况
中国移动通信集团海南有限公司指挥调度中心位于海口市滨海大道长流起步区1602 号地。如图 2-1，工程塔楼部分长 53m，宽 29m，上部结构共 24 层，层高 4m，总高 99.8m，主要为移动集团的内部办公用房，包括配套的员工餐厅，员工活动设施等。裙楼部分长 65m，宽 31m，上部结构共 4 层，总高 19.8m，主要为移动业务服务大厅，会议中心，以及一个通信科技展馆。项目设有 2 层地下室，层高 5.4m。本工程建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为γ=1.0，抗震设防类别为丙类。塔楼钢筋混凝土核心筒抗震等级为一级，钢管混凝土框架柱抗震等级为一级，其它钢结构构件为二级。裙楼抗震等级为三级（框架）和二级（剪力墙）。由于结构的规则性较好，结构计算采用建研院编制的 PKPM 系列软件，并用由澳大利亚 Strand7 公司研究开发的大型有限元仿真软件 Strand7 进行校核。PKPM 整体模型见图 2-2，Strand7 塔楼模型见图 2-3。由于项目的场地位于 8 度抗震设防区，设计地震加速度为 0.30g，为了减少地震作用和提高结构的延性及抗震性能，结合建筑的立面要求和功能要求，项目的高层塔楼部分采用框架+支撑+钢筋混凝土核心筒的结构体系，其中柱为钢管混凝土，梁和支撑为型钢结构，如图 2-4 所示。裙楼拟采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，地下室结构拟采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系。
.......
第 3 章 单调荷载下节点有限元分析........31
3.1 引言......... 31
3.2 加载方式和边界条件..... 31
3.2.1 加载方式........ 31
3.2.2 边界条件........ 32
3.3 分析结果....... 32
3.3.1 应力应变分布...... 32
3.3.2 节点破坏........ 37
3.4 本章小结....... 39
第 4 章 低周反复荷载下节点有限元分析......41
4.1 引言......... 41
4.2 加载方式和边界条件..... 41
4.3 分析结果....... 434.4 本章小结....... 52
第 5 章 基于 PUSH-OVER 的节点有限元分析.........54
5.1 引言......... 54
5.2 Push-over 简介..... 54
5.3 整体结构 Push-over 分析..... 56
5.4 基于整体结构 Push-over 计算结果的节点分析..... 59
5.5 本章小结....... 64
第5章 基于 PUSH-OVER 的节点有限元分析
5.1 引言
目前结构弹塑性分析已经成为结构抗震设计的一个重要部分，其中 Push-over 分析是较为实用的分析方法之一，越来越受到设计人员的青睐。《建筑抗震设计规范》[67]中也对该方法进行了相关的规定。本章主要对本文所研究节点在其所在结构中的抗震性能进行研究。使用PKPM中的PUSH模块对整体结构模型进行Push-over静力弹塑性分析，以其分析结果作为计算边界条件，利用 ABAQUS 分析在不同方向水平地震作用下节点的受力状态，对该节点在结构中的抗震性能作出评价。
5.2 Push-over 简介
Push-over 又称静力推覆法，是通过对整体结构施加某种侧向荷载来考察结构整体性能的一种分析方法。结构在受到侧向力过程中，其侧向位移不断增大，当位移超过某设定限值或者当结构接近破坏而不能在承受更多荷载时，加载结束。设计人员通过观察整个过程，能对结构的破坏形式有所了解，从而对结构的抗震性能进行评价。对于结构在强震下的性能，当前设计方法并不能对其进行有效的评估，静力推覆法正好弥补设计方法上不足，其分析结果接近实际，而且分析所需的人力物力以及时间较少，因此该方法得到了广泛的应用。
.....
结论
本文主要对中国移动通信集团海南有限公司指挥调度中心塔楼西南角的钢管混凝土分叉柱-钢梁节点进行研究。首先在 ABAQUS 有限元软件中对所研究节点进行建模，选择合适的材料本构模型以及对相关计算参数进行设置，然后在整体计算模型 49 种荷载设计组合中选出 6 种最不利组合，对节点进行加载并对其静力性能进行研究。随后对节点梁端施加低周反复荷载，通过多种抗震指标对其抗震性能进行评价。最后基于整体模型中 Push-over 结果，对节点在该结构中的抗震性能进行评价。经过分析后，本文主要有以下结论：
（1）节点模型在各不利荷载组合作用下，基本处于弹性阶段，节点区受力均匀，节点整体性能好，满足设计要求。
（2）节点模型在各不利荷载组合作用下，破坏模式均为 Z1 柱顶受弯破坏，这是因为所选不利荷载组合均为柱端弯矩较大的荷载组合，而且该处为刚度突变处，其相对于上面部分较为薄弱。节点在不同荷载设计组合作用下有足够的安全储备，发生破坏时节点核心区仍处于弹性阶段，体现出“强节点，弱构件”的设计原则。
（3）在往复荷载作用下，各节点抗震性能指标均表示节点具有良好的抗震性能，各节点最终破坏均发生在梁柱连接处的梁端，而各节点核心区此时均未进入塑性阶段，形变较小，节点满足“强节点，弱构件”的设计原则，
（4）节点处加劲肋能加强节点的转动性能，从而使延性得到提高。
（5）节点在 X 和 Y 方向大震推覆作用下的性能点以及整体结构破坏点均表现出良好的抗震性能，说明该节点在整体结构中满足“强节点，弱构件”的设计原则。
（6）利用整体结构模型中 Push-over 结果对节点有限元模型进行加载分析，能对节点在整体结构中的抗震性能进行验证，同时为工程设计提供参考。
............
参考文献（略）
