结构试验考核小论文.doc

结构试验考核小论文一、题目：的试验研究(或试验分析)二、字数：3500字以上(不包含图片、表格、公式)三、要求：参考文献5篇以上，论文具有一定的创新性，如果被检索与网上论文有雷同、或者同学之间互相抄袭，均考核为“不合格”。四、排版：严格按后面范文进行排版。在作者简介处写姓名、学号和电话。五、成果提交：按班级统一收A4打印件和交电子版(用于检索)，交交给周春利老师。六、成果提交时间：2017年5月12日。结构试验作业一、结构试验的加载方法都有哪些？二、结构试验加载过程中通常需要测出哪些数据？三、无损检测常用的方法有哪些？并说明每种方法所检测的内容。要求：用A4纸手写，注意页边距，于2017年5月12日按班级收齐之后交给周春利老师，电话预应力矩形钢管混凝土桁架的探讨与有限元分析(范文)周春利1,2，张茜1，焦涛1,2(1攀枝花学院土木工程学院，攀枝花617000；2攀枝花学院工程结构研究所，攀枝花617000)摘要 预应力矩形钢管混凝土桁架结构是一种新型的桁架结构，通过对其受力特点、应用范围和材料本构关系初步探讨的基础上，进一步对该结构的设计计算和有限元分析进行了研究，利用ANSYS程序分别对相同结构形式、不同跨度的矩形钢管桁架、矩形钢管混凝土桁架、预应力矩形钢管桁架、预应力矩形钢管混凝土桁架进行了整体受力有限元分析，绘出了各种桁架的荷载挠度曲线，把相同跨度的桁架曲线汇总在一个图上，进而得出了三种跨度的荷载变形关系图，然后对三幅关系图进行对比分析，最后得出主要结论。关键词 预应力；矩形钢管混凝土；桁架；设计计算；有限元分析中图分类号：TU398 文献标识码：ADiscussion and Finite Element Analysis on PrestressedConcrete-Filled Rectangular Steel Tube TrussZhou Chunli1,2, Zhang Qian1,Jiao Tao1,2(1 Department of Civil Engineering，PanZhihua University，Panzhihua 617000, China；2 Institute of Engineering Structure , PanZhihua University，Panzhihua 617000, China)Abstract: Prestressed concrete-filled rectangular steel tubular truss is a new type of trusswork. Through that based on the preliminary study of mechanical characteristics、Applications and Material constitutive relation, we study Design calculation and Finite element analysis of the trusswork further, and use ANSYS Program to Finite element analysis of the overall force in the same structure forms、different rectangular steel tube truss span、concrete-filled rectangular steel tubular truss、prestressed rectangular steel tube truss、prestressed concrete-filled rectangular steel tubular truss, as a result of drawing a variety of truss load - deflection curves. Then summarize these same curves of the truss span in a chart, so as to obtain three span load - deformation diagram. Through the three diagrams are analyzed, finally the main conclusions are derived in this paper.Keywords: prestressed force；concrete-filled rectangular steel tube；truss；Design calculation；finite element analysis0 引言目前，国内只有少数学者曾提出过预应力圆钢管混凝土空间桁架结构，对此类结构只是定性地进行了初步的分析和研究探讨，并没有进一步深入地进行理论分析和试验研究。而从国外的研究文献来看，目前并未发现有人对此类结构进行过研究。近年来，预应力技术在混凝土结构应用中获得前所未有的发展而日渐成熟，张拉技术、大吨位张拉设备及锚具等方面成系列的开发与运用，这些都为预应力钢管混凝土桁架结构的研究和发展奠定了良好的基础，而工程实际中对大跨、承受重荷载结构日益强烈的要求也为预应力钢管混凝土桁架结构的应用创造了有利条件。钢管混凝土结构发展的一个重要的方向是矩形钢管混凝土结构。大量的试验研究和有限元分析表明，压弯构件当相对偏心距大于0.10.2时，矩形钢管混凝土截面承载力高于圆钢管混凝土截面（如图1），并且具有较好的延性和抗震性能1-2。与圆钢管混凝土相比，矩形钢管混凝土构件连接构造简单，与墙体连接方便，建筑室内便于使用，并容易采用价格便宜的平板防火板材。因此，在房屋建筑工程中采用矩形钢管混凝土结构具有更显著的优势。预应力矩形钢管混凝土桁架结构是一种新型的桁架结构，它是指受压杆件（主要指上弦）采用矩形钢管混凝土、受拉杆件（主要指下弦）采用预应力矩形钢管的桁架结构。该结构将钢管混凝土的优点与预应力技术相结合，大大扩展了其应用范围。此类结构最适合于大跨、重载、抗震、抗爆等复杂恶劣环境的建筑结构中，可广泛用于各种单层的楼屋盖、桥梁等工程中（如图2和图3），大大提高了结构的刚度和强度，改善结构性能，提高其静、动力特性，综合成最佳效益。图1 矩形、圆形截面钢管混凝土压弯构件承载力比较 图2 矩形钢管桁架屋顶 图3 矩形钢管混凝土桁架桥1 材料的本构关系1.1 钢管混凝土轴心受压时的本构关系文献3采用了两种全过程分析法，即合成法和有限元法来分析轴心受压时的应力应变关系，并提出了截面平均应力()与纵向应变的全过程曲线(如图4所示)。此曲线包括3个作者简介：周春利，副教授，工学硕士，.。阶段：1）弹性阶段(0A)，钢管和核心混凝土一般均为单独受压力，A点大致相当于钢材进入弹塑性阶段的起点；2）弹塑性阶段(AB)，核心混凝土在纵向压力作用下，使横向变形系数超过了钢管的泊松比，因此产生的紧箍力随着纵向变形的增加而不断增大。B点时钢材一般进入弹塑性阶段；3）塑性强化阶段BC。 图4 钢管混凝土轴心受压时的本构关系1.2 钢管材料的本构关系钢管材料的应力-应变()关系模型简化为如图5所示的曲线4。此曲线包括4个阶段：1）弹性阶段(0A段)，是以弹性模量E为斜率的斜直线；2）屈服平台(AB段)，是一条水平直线；3）强化阶段(BC段)，是条一斜直线；4）二次塑性流动阶段(CD段)，是一条水平直线。图5 钢管材料的本构关系1.3 预应力钢材的本构关系碳素钢丝或钢绞线均属硬钢，其应力-应变关系()模型见下图5。此曲线包括4个阶段：1）弹性阶段(0A段)，是以弹性模量E为斜率的斜直线，此阶段的终点为钢丝的比例极限(习惯上采用残余应变为0.01%时的应力)；2）弹塑性阶段(AB段)，当钢丝拉伸到超过比例极限后，关系呈非线性变化，没有明显的屈服点，简化成一条斜直线，此阶段的终点为钢丝拉伸至(残余应变为0.2%)；3）强化阶段(BC段)，后应变增加较快，此阶段的终点为钢丝的极限强度，也简化成一条斜直线；4）塑性流动阶段(CD段)，后应变继续发展，在关系上呈现为一水平段，然后断裂。图6 预应力钢材的本构关系2 设计计算方法实际的预应力钢管混凝土桁架结构的构造和受力情况一般比较复杂。为简化计算，通常采用以下几个基本假定：1）材料处于弹性状态，即符合胡克定律；2）索为完全柔性，只承受轴向拉力，交接于桁架的锚固点上；3）将索离散为索段，每个索段按直线处理；4）索段之间节点按铰节点处理，每节点有三个自由度；5）索与桁架相交点均能自由滑动，故拉索张力沿索长不变；6）组成桁架的所有杆件都是直杆，所有杆件的中心线(轴线)都在同一平面内，这一平面称为桁架的中心平面；7）桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点；8）所有外力(包括荷载及支座反力)都作用在桁架的中心平面内，并集中作用于节点上。对桁架中个别构件施加预应力，此构件在施加预应力荷载作用下要么受压要么受拉，可按预应力轴拉或轴压构件计算，一般分二阶段设计、三阶段设计或多阶段设计。采用二阶段设计，分预应力阶段和荷载阶段。采用三阶段设计，还需将荷载适当地分成两部分(恒载和活载)，在施加预应力前后分别作用于桁架。无论采用哪种设计方法，基本准则是应尽可能使大多数构件在各工作阶段都能处于最佳受力状态，充分发挥作用。设计基本表达式6：拉杆： （1）压杆： （2） （3）预应力索： （4）式中，为永久荷载引起的应力，为预张力引起的应力，为可变荷载引起的应力，为钢材抗拉强度设计值，为为钢管混凝上组合强度。上标H，C和P分别指构件的净应力、考虑稳定时构件的应力和高强度预应力构件的应力。除此之外，还要按正常使用极限状态进行验算。对刚度要求较高的屋架，需验算其挠度，计算式为： （5）式中，、分别为屋架挠度验算处单位力作用下引起的第i杆和钢索中的内力，、分别为屋架受最大荷载作用时（有效活荷载）引起的第i杆和钢索中的内力，为结构或构件的变形容许值。张拉端尚应进行局部受压计算。3 有限元分析图7为任意拉索式预应力钢管混凝土桁架计算简图，图中虚线表示施加预应力的钢索，且作为布索方案的一般性讨论，桁架的所有结点仍按先前假设为理想铰接，计算的拉索有效预应力为考虑预应力损失之后的值。图7 计算简图拉索的预应力可能为多次施加，但不管分几次施加，最终的桁架内力由两组内力叠加而成。一组内力由钢拉索预拉力产生；另一组内力由作用于屋架结点的外荷载产生。若各单元杆件内力为，由施加预应力产生的内力为，由外荷载作用产生的内力为，预应力钢管混凝土桁架任意单元的最终内力为7： （6）的计算相对比较简单，即可通过由如下平衡方程得到的桁架结点位移列阵确定。 （7）式中，为桁架的整体刚度矩阵，为钢索预拉力产生的外荷载列阵。的计算相对比较复杂，根据极小势能原理可得到带有拉索的钢管混凝土桁架平衡方程： （8）式中，为外荷载列阵，即为对应于的拉索刚度矩阵的扩展形式。由方程（8）求出。桁架各单元的内力为： （9）这里为单元e的结点位移 （10） （11） （12）式中，、分别为单元杆件的弹性模量、截面面积、杆件长度、方向角。4 利用ANSYS程序分析预应力矩形钢管混凝土桁架结构4.1 分析步骤8-9（1）建模进入前处理器/PREP7，预应力矩形钢管混凝土桁架弦杆和腹杆单元类型选用Beam188单元，预应力筋选用三维杆单元Link8，所有杆件之间视为铰接连接，采用直接建模方法。单元实常数包括弦杆和腹杆的截面尺寸、预应力筋的截面面积。（2）施加荷载和边界条件并求解进入求解器/SOLU，节点荷载和边界条件如图8所示。结构为简支桁架，左端固定铰支，右端活动铰支；节点荷载为P，为了降低结构基本构件中的内力峰值、减小结构变形，采用三阶段设计，即预应力分两次张拉，ANSYS用降温法来模拟预应力的施加方法，温度荷载为T；重力加速度g10N/kg。图8 预应力矩形钢管混凝土桁架的节点荷载和边界条件（3）求解结果根据所研究的需要，可以查看各种形式的求解结果（如变形图、轴力图、应力图等）。4.2 举例分析利用ANSYS程序分别对结构形式相同的三种跨度(24m、36m、48m)预应力矩形钢管混凝土桁架进行受力分析。为了更好地研究预应力矩形钢管混凝土桁架的受力性能，每种跨度又是通过对比矩形钢管桁架、矩形钢管混凝土桁架、预应力矩形钢管桁架、预应力矩形钢管混凝土桁架进行分析的，最终得出研究的主要结论。加载制度为：自重 自重，T0，P100kN自重，T-130，P100kN自重，T-130，P200kN自重，T-260，P200kN自重，T-260，P300kN，也就是图10中的A4C4D4E4F4B4所表达的加载过程。三种跨度杆件（包括弦杆、腹杆、预应力筋）的截面尺寸见表1。 桁架杆件截面尺寸 表1桁架杆件24m桁架36m桁架48m桁架上弦杆腹杆端腹杆下弦杆预应力筋250160810010062001608200160822353001801012012082501801025018010244540025010140140830020010300200102775注：矩形钢管混凝土桁架和预应力矩形钢管混凝土桁架只需在上弦杆和腹杆中添加C40混凝土，下弦杆仍为矩形钢管。材料基本性能参数如下：钢管：普通Q235钢，fa200N/mm2，Ea2.06105N/mm2混凝土：C40，fc19.5N/mm2，Ec3.25104N/mm2钢管混凝土：根据文献10可算得fsc =41.8N/mm2，Esc4.7104N/mm2预应力筋：碳素纲丝，fptk1670N/mm2，fpy1180N/mm2，Es2.0105N/mm2，=2.010-5-1各种材料的泊松比均取，取下弦索的预应力度0.7，桁架的容许挠度11 (为桁架的跨度)。有限元分析的结构变形图如图9(此图为48m跨度预应力矩形钢管混凝土桁架当加载至P300kN时的结构位移图，其它跨度的桁架分析过程详见文献12)，相同结构形式、不同跨度(24m、36m、48m)的矩形钢管桁架、矩形钢管混凝土桁架、预应力矩形钢管桁架、预应力矩形钢管混凝土桁架荷载位移关系曲线如图10所示。图9 结构变形图 （a）48m跨 （b）36m跨（c）24m跨 图10 桁架荷载位移关系图 5 结语文章提出了一种新型的桁架结构预应力矩形钢管混凝土桁架结构，通过对该结构的探讨和有限元模拟分析，得出以下主要结论：（1）同一跨度相同结构形式的四种桁架中，钢管桁架和钢管混凝土桁架当加载至挠度达到挠度容许值l/400时，桁架杆件各个截面均未达到或者远远尚未达到设计强度，且此时的加载并不是很大，亦即说明钢管桁架和钢管混凝土桁架随着荷载的增加挠度增大得很快，很难使杆件材料得到充分的利用。而预应力钢管桁架和预应力钢管混凝土桁架当加载至使基本构件截面或预应力构件截面接近于设计强度时，挠度并未达到挠度容许值l/400，此时的所加的荷载已经达到相同跨度的钢管桁架和钢管混凝土桁架承载力的22.5倍，亦即说明预应力钢管桁架和预应力钢管混凝土桁架随着荷载的增加挠度增大得比较慢，使各个杆件材料均能得到充分有效的利用。（2）钢管桁架和钢管混凝土桁架的承载力一般由挠度容许值来控制，而预应力钢管桁架和预应力钢管混凝土桁架的承载力一般由桁架杆件和预应力索截面强度设计值来控制。同一跨度相同结构形式的四种桁架中，承载力由大到小的顺序依次是预应力钢管混凝土桁架、预应力钢管桁架、钢管混凝土桁架、钢管桁架，其中，钢管混凝土桁架略大于钢管桁架，而预应力钢管混凝土桁架与预应力钢管桁架相比，前者的承载力不但高而且挠度也小得多。在承载力范围内，荷载越大预应力钢管混凝土桁架比预应力钢管桁架挠度减小得越明显。（3）不同跨度相同结构形式的四种桁架中，跨度越大预应力钢管混凝土桁