钢-砼组合长柱全过程分析的数值模拟

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钢-砼组合结构与传统的钢结构和钢筋混凝土结构相比,具有承载能力高,防火抗震性能好,施工方便等诸多优点。钢-砼组合柱是组合结构中的主要承重构件,通常承受双向偏心荷载的作用,其截面形式也多种多样。本文主要研究任意截面的钢-砼组合长柱在双向偏心荷载作用下从加载到最终破坏的全过程的受力与变形特性。 组合长柱从加载到破坏的过程是一个复杂的非线性变形过程,通常采用试验方法才能完全确定,本文则借助计算机采用数值模拟方法预测这一复杂变形过程。本文针对两端铰接的任意截面钢-砼组合长柱,考虑长柱在偏心荷载作用下的附加弯矩影响(二阶效应),提出了一种数值迭代的计算机方法进行全过程分析。运用这种方法时,先将长柱离散成若干等长的柱段,利用差分方法求得各柱段截面上的挠度与曲率的关系,再根据各截面上力及力矩的平衡条件,得到一组关于荷载与变形关系的非线性代数方程组,本文采用曲率增量法求解该方程组。对应每个曲率增量,可求得长柱在相应状态下的一条变形曲线。对各曲率增量进行反复迭代,直至得到收敛解,就获得了长柱从加载到破坏的全过程变形曲线及荷载-挠度曲线。迭代计算过程中混凝土的截面抗力通过对混凝土应力-应变曲线在截面上的精确积分求得,而型钢和钢筋部分的截面抗力则采用纤维元方法求得。 为实现上述数值分析方法,采用Visual Fortran语言编制了相应的计算机程序,同时用Visual Basic语言开发出了可视化输入输出模块,利用该模块可以实现初始数据的交互输入和计算结果的图形输出。 应用编制的计算程序,首先对一配有工字型钢的矩形截面长柱进行了计算分析,获得了长柱的荷载-挠度全过程曲线,并与试验结果作了比较,验证了计算程序的正确性和有效性。在此基础上,对一T形截面长柱的全过程进行了更为详尽的模拟计算,得到了组合长柱在偏心荷载作用下的受力和变形规律,并对影响这些规律的主要因素作了分析。
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