结构工程硕士选题报告

1、a / / / / /*博士硕士研究生论文选题报告及论文工作计划研究生姓名学科（专业）研究方向指导教师*结构工程个个个个个个个个个个2014年10月26日填选题报告须知一、选题原则（一）博士生：1、应选择学科前沿，对科学技术进步有重要的理论意义或较大理论意义的课题，也可 选择对国民经济发展有重要或较大理论意义或实用价值的课题。2、课题具有很大的难度，便于作者做出创新性成果。3、要有先进的科学实验或运算手段验证理论作保证。4、要尽量结合导师的科研任务进行选题。5、要广泛阅读文献资料，要对本学科及相关学科研究状况和最新进展有全面的了解， 写出文献综述。（二）硕士生：1、应选择有较大的科学研究意义或

2、有一定理论意义的课题，也可以选择对国民经济建 设有较大实用价值或一定价值的课题。2、课题要具有先进性，便于作者提出新见解。3、课题要有一定的份量和难度，同时要考虑在一年内完成。4、要对实验条件，计算手段有恰当的估计。5、要尽量结合导师的科研任务进行选题。6、要广泛阅读文献资料，了解本领域国内外学术研究动态，写出文献综述。二、基本要求1、查阅文献资料一般要：博士生中外文献限于近5年内50篇以上；硕士生30篇以上。2、博士生通过选题报告后与论文答辩申请相隔期为1.5年，硕士生为1年。博士生要在 省级以上科技情报所进行查新。3、书写格式：（1）论文题目（或选题范围）（2）综述（国内外在这一领域已进行

3、的工作及自己要进行的研究）（3）课题的实用价值或理论意义（4）课题研究方案（5）实验、试验设想（6）所阅读的文献、资料（7）论文工作安排选题报告论文题目（或选题范围）设置加劲肋的薄壁方钢管混凝土柱抗火的能的研究一、综述：1研究背景近些年来，随着我国经济的迅猛发展，我国的基础建设方兴未艾，建筑工程结构正逐步向 大跨、高耸、重载发展，新的结构形式也随之不断涌现。在众多新的结构形式中，钢管混凝土 柱以其承载力高，塑性、韧性好，抗震性能佳，施工简单，经济效果显著等优点，正逐渐被应 用于高层建筑、桥梁工程、特种结构等各个土木工程领域，并取得了良好的经济效益和社会效 益1-6，具有广泛的应用前景。钢管混凝

4、土按截面形式不同可分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土和多边形钢管混凝土等刀 如图1-1。（a）方形（b）圆形（c）多边形图1-1钢管混凝土柱的典型截面形式Fig.1-1 Typical types of concrete-filled steel tube column方形钢管混凝土相对圆钢管混凝土具有一些独特的优点凶：（1）节点形式简单。方形截面钢管混凝土柱与梁之间的交贯线在一个平面内，节点形式简 单，便于加工。安装方便，可降低工程造价。（2）建筑及使用功能好。采用方钢管混凝土柱可以使室内空间更规则，更易于室内装修； 此外，方钢管混凝土柱应用于建筑更符合人们的传统审美习惯。（3）截面惯性矩大、抗

5、弯性能好。方形钢管混凝土构件截面相对开展，惯性矩大、稳定性 能好。近年来，采用方形钢管混凝土的建筑在国内外都得到了较多的应用，例如1999年建成的 香港中心大厦（图1-2a），地上建筑高度为292m，地下3层，地上70层，总建筑面积140, 000m2；采用的方钢管混凝土柱最大截面尺寸为800 x800mm，钢材屈服强度为450MPa，混凝 土圆柱体试块抗压强度为45MPa，由周边方钢管混凝土柱组成巨型结构体系，属于世界上最高 的钢一混凝土组合结构建筑。国内最早采用方钢管混凝土的杭州瑞丰商业大厦（图1-2b），总 建筑面积51095m2；分东、西两座楼，西楼为24层，总高度为86.10m；东楼

6、为15层，建 筑总高度为59.10m；裙房5层，高度为23.90m；采用的结构形式为框架一剪力墙结构体系， 分别由方钢管混凝土柱、焊接工字钢梁、压型钢板组合楼板和钢筋混凝土剪力墙组成。位于广 州的新中国大厦，地上高度201.8m，上部结构部分柱为带约束拉杆的方形钢管混凝土组合构件， 核心筒地下室部分采用带约束拉杆异形钢管混凝土组合构件。广州市的名汇商城和康王路的地 下人防工程也采用了方钢管混凝土柱作为其竖向受力构件。在国外如日本东京新宿广场塔楼， 地上31层，柱子全部采用方钢管混凝土构件。此外，还有新大阪菲尼克斯威尔大厦和淀川六 番馆等。(a)香港中心大厦(b)杭州瑞丰大厦图1-2方形钢管混凝

7、土柱的应用实例Fig.1-2 Applications of concrete-filled square steel tubes理论和试验研究表明，由于方形、矩形或多边形钢管截面由多个直边组成，同一截面处钢 管对核心混凝土的约束作用不均匀，角部约束最强，直边中部约束最弱，故方形、矩形或多边 形钢管混凝土的承载力、延性较同等截面尺寸的圆钢管混凝土低，且管壁易发生局部屈曲，使 得钢材和混凝土的强度不能充分利用。这一特点在宽厚比较大的薄壁钢管混凝土结构中尤其明 显9。为避免钢板过早出现局部屈曲，要限制方形、矩形或多边形钢管宽厚比，使钢板管壁较厚， 这增加了用钢量和焊接难度。若能通过一些合理的构造措

8、施防止钢管过早屈曲，在实际工程中 采用一些宽厚比较大的钢管混凝土，就可以减少钢材用量，减轻焊接工作量，从而达到降低工 程造价的目的。一个典型的例子是2005年建成的国家“西电东输”重点工程一贵州省洪家渡水电 站，其主厂房竖向承力构件原设计为钢筋混凝土柱，后来采用宽厚比为4090的矩形钢管混 凝土排架结构，并设置纵向钢板加劲肋以增强钢管与混凝土的协同工作。该结构与钢筋混凝土 相比其结构直接投资基本一致，但考虑厂房装修，则可节约1300余万元；工期提前半年，使 每台机组提前5个月发电，可增加发电量8.350亿kWh，上网电价按0.23元/kWh计，可增 加发电效益1.92亿元。因此，通过对上部结构

9、的设计优化，采用设置钢板加劲肋的钢管混凝土， 在工程总投资中节约1300万元，每台机投产工期提前5个月，共计获得约2亿元的毛利润。由此可见，在工程中如能采取合理的构造措施，防止或延缓宽厚比较大的方钢管混凝土试 件中钢管过早屈曲，提高钢管对混凝土的约束效应，会使得钢管混凝土在实际工程中得到更为 广泛的应用。此前人们已经尝试在方形钢管内设置防止钢板发生局部屈曲和提高钢管对核心混凝土约束 作用的一些措施，如加劲直肋及斜肋、对拉片、约束拉杆、隅撑等(图1-3) 8,取得了一定 的效果。(e)设钢板直肋(g)设直肋用于桥墩(h)设栓钉用于桥墩图(f)设钢板斜肋1-3延缓钢管局部屈曲的构造措施Fig.1-

10、3 Structural measures of delaying local buckling of steel tube本文将以设置钢筋加劲肋的薄壁方钢管混凝土轴压短柱为研究对象进行相关研究，钢筋加 劲肋改善钢管对核心混凝土的约束作用效果10见图1-4。Bc/6 Wi weld图1-4钢筋加劲肋作用机理图Fig 1-4 The effect of rebar stiffeners近些年，核心钢管混凝土柱在建筑工程领域中，对常温下设置加劲肋的薄壁方钢管混凝土 柱轴压以及偏压的受力性能已经有所研究，但其应用不仅仅局限于常温下，对其耐火性能的研 究也有重要的理论意义和实用价值。钢管与混凝土的材料

11、性能与温度有非常密切的关系，随温 度的不同而变化。当结构升温后，混凝土和钢材性能不断恶化，导致结构变形增大，承载能力 降低，同时产生温度应力和应力重分布。随着该类结构构件的应用日益广泛，对其高温下的力 学性能的研究便具有了现实意义11-13。本课题将对该类构件的抗火性能进行试验研究，并利用大型有限元分析软件ABAQUS，结 合试验数据进行模拟分析，为其今后相关结构抗火设计提供依据。2国内外研究现状2.1国外相关研究现状2.1.1国外对常温方形和矩形钢管混凝土轴压短柱的研究1996年，TsudaU4等人对24根轴压和偏压受力的方钢管混凝土长柱力学性能进行了研究。1997年，ShakirKhali

12、lP等人对22根矩形钢管混凝土轴压和偏压构件进行了研究，矩形截面的长宽比为1.5，钢材的屈服强度为358396 N/mm2,混凝土强度为40.145.6N/mm2, 高宽比为2149，长边与短边的截面宽厚比分别为30和20。1998年，Schneider对5根方形、6根矩形钢管混凝土轴压短柱进行了试验研究，并用 ABAQUS通用有限元软件进行了模拟，并与试验结果符合良好。2001年，Uy Briant 17对2根方形空钢管和19根轴压、偏压、纯弯受力的方钢管高 强混凝土构件进行了试验研究，试验结果和欧洲的EC4规程进行了对比，并对EC4规程的计 算公式进行了改进。2001年，Susantha等

13、人定义了适合于纤维模型法分析的混凝土单向应力一应变关系，考 虑了钢管对混凝土的侧压力。2003，年Liu Dalin19等人对22根矩形高强钢管混凝土轴压短柱的力学性能进行了研究， 研究表明：柱子的破坏模式和普通钢材的钢管混凝土柱的破坏模式相近。2.1.2国外对高温方形和矩形钢管混凝土轴压短柱的研究国外从事钢管混凝土柱的抗火研究要早于我国。20世纪90年代，加拿大的一些学者，如 T.T.Lie、M. Chabot和V.K.R.Kodur等就开始对钢管混凝土的抗火性能进行研究。1995 年,T.T.LKi20 3种不同截面尺寸和配筋的方钢管混凝土柱进行耐火极限的试验研究。 研究表明：在核心素混凝

14、土中填充钢筋，钢管混凝土极限承载力损失较小，可大大提高钢管混 凝土柱的抗火时间，满足耐火极限的要求。2001年，Baba21对12根（8根圆形截面和4根矩形截面）足尺钢管钢筋混凝土柱进行耐火 极限试验研究。实验结果表明：火灾作用下，钢管配筋混凝土柱的极限承载力可以简单的看成 是由核心混凝土、纵向钢筋、箍筋三者承载力之和组合而成。2004年K.H.Tan【22先对火灾作用下61根配筋钢管混凝土柱和95根不配筋钢管混凝土柱进 行轴压和偏压的试验研究，然后通过考虑温度的不均匀分布以及火灾作用下材料强度的损失对 试件承载力的影响，最后提出了火灾作用下剩余承载力的简化方法，该方法的计算结果与试验 结果对

15、比，吻合良好。2.2国内相关研究现状2.2.1国内对常温方行和矩形钢管混凝土轴压短柱的研究1999年，吕西林、余勇23等人对6根方钢管混凝土轴压短柱进行了试验研究，并编制了 有限元计算程序分析方钢管混凝土的力学性能。研究表明，方钢管混凝土柱内核心混凝土的承 载能力的提高主要依赖于方钢管四个角部区域对混凝土的约束。2000年，张素梅等人对36根方钢管混凝土轴压短柱的力学性能进行了研究，混凝土强度 为30.8N/mm2，钢材屈服强度为239.8403.3 N/mm2，截面宽厚比为2550。并采用剥离的 方法，从试验中剥离出钢管和混凝土各自承担的纵向应力，分析时考虑了钢材的双向受力，核 心混凝土的三

16、向受力，最后通过试验数据回归出钢管混凝土中钢材和混凝土各自的纵向应力一 应变关系曲线。2001年，张素梅、叶再利进行了 44根矩形钢管高强混凝土轴压短柱的试验研究，考虑了 含钢率、钢管的屈服强度、混凝土强度等级及长宽比等因素的影响，采用数值分析的方法，以 试验为基础，分离出钢管和核心混凝土的受力，提出了方形、矩形钢管高强混凝土中核心混凝 土和钢材的纵向应力与应变的关系25。2001年，清华大学韩林海等人进行了约束效应系数为0.51.3,截面长宽比为1.01.75 的24个矩形钢管混凝土轴压短柱的试验研究。分析了约束效应和截面长宽比对矩形钢管混凝 土力学性能的影响，并与国内外的现有规程计算值进行

17、了比较26。2002年，同济大学蒋涛等人在试验基础上，考虑了矩形截面长宽比的影响，对方钢管混凝 土轴压短柱的计算公式进行了修正，提出矩形钢管混凝土短柱承载力的计算公式27。2003年，桂林工学院王蕾等对四根长宽比为1、1.2、1.36和1.5的矩形钢管混凝土柱进 行了轴压和压弯计算的差异比较，同时对矩形钢管混凝土轴心受压构件承载力进行计算，采用 折减约束系数修正方钢管混凝土轴压承载力的计算公式28。2003年，同济大学余志伟提出了用截面形状系数而不是传统的长宽比来修正圆钢管混凝土 轴压短柱承载力计算公式，通过5个矩形钢管混凝土轴压短柱试验，在分析其试验数据的基础 上，结合前人所得到的13个试验

18、数据，回归出相应的修正系数公式29。2.2.2国内对高温方行和矩形钢管混凝土轴压短柱的研究2000年徐蕾，韩林海30研究了方形截面钢管混凝土柱的耐火性能，分析了材料强度、构件截 面含钢率、截面尺寸、构件长细比及荷载偏心距、保护层厚度等参数对构件耐火极限的影响。 结果表明，材料强度、构件截面含钢率、荷载偏心距对方形截面钢管混凝土柱耐火极限的影响 不大；截面尺寸、构件长细比对方形截面钢管混凝土柱耐火极限的影响较大，且截面尺寸越大， 构件耐火极限越长，长细比越大，构件耐火极限越短。并指出可以通过涂以一定厚度的防火涂料 保证方形截面钢管混凝土柱达到要求的耐火极限。2010年吕学涛31进行了单面、相对两

19、面及三面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限和抗火 性能的试验研究与理论分析，并取得了丰硕成果。2011年陶姓32以相邻两面受火的方钢管混凝土柱为研究对象分析了其温度场、耐火极限、 变形等高温性能，并提出方钢管混凝土柱在相邻两面受火条件下耐火极限的简化计算公式。2013年吕学涛，杨华，张素梅33对单面、相对两面、三面及四面火灾作用下方钢管混凝土柱 截面的典型温度场及其分布规律进行分析，研究方钢管混凝土柱轴向/侧向变形-时间关系曲线，得 到不同受火条件对方钢管混凝土柱抗火性能的影响规律。结果表昵相对两面和四面受火的柱截 面温度场双轴对称，因而截面材料强度场、温度应变、温度应力也呈双轴对称分布,柱受力机

20、理与 常温情况下类似;对于单面和三面受火情况,由于柱截面温度场单轴对称，使得柱受力模式与常温 情况不同,受火过程中柱先弯向受火侧，然后弯向背火侧。与温度梯度产生的非均匀的温度变形和 材料强度偏心相比，受火面的多少在更大程度上决定了试件的抗火性能,即在绝大多数情况下，四 面受火、三面受火、相对两面受火及单面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限依次增大。但在某 些特殊情况（如长细比430下，三面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限可能小于其四面受火情 况，此时如按四面受火对方钢管混凝土柱进行抗火设计，将存在安全隐患。二、课题实用价值和研究意义1实用价值与现实意义火为人类带来了光明，推动了社会的进步。但是，火一

21、旦失去控制，不仅毁坏物质财富， 破坏生态环境，使人造成伤残，甚至夺去生命，给人类和社会造成巨大的灾难。如今随着经济 的快速发展和科技创新日新月异，现代建筑呈现高层化、大规模化、多功能化和智能化的发展 趋势；加之生产、生活的电气化，城市的立体化，燃料的气体化；人口和物质的高度集中，各 类化工企业的迅猛发展等因素，不仅导致火灾发生数量的递增，而且火灾发生后的控制和扑灭 难度增大。火灾对建筑结构危害极大，火灾作用下建筑结构材料强度损失大，可能发生整体倒塌，也 可能造成严重或轻微破坏。而对于没有发生倒塌的建筑，鉴定火灾后建筑物的损伤程度，判定 能否继续使用并提出加固修复方案，具有十分重要的意义。因此研

22、究高温下建筑结构的力学性 能便具有了极其重要的现实价值和意义。设置加劲肋的薄壁方钢管混凝土柱由于其优越的力学性能，正逐渐被广泛应用到各类重大 建筑结构尤其是高层建筑之中。因此研究该类构件抗火性能具有重要的现实价值和意义。2研究意义与学术价值目前，我国对高温下设置加劲钢筋的薄壁钢管混凝土柱力学性能的研究基本空白，本课题 将对该类构件的抗火性能进行试验研究和有限元模拟分析，并总结得到相关重要结论，从而填 补我国该领域的学术空白，并为后续的钢管混凝土结构抗火性能的研究提供依据。三、课题研究方案1研究内容、研究目标1.1研究内容（1）设置加劲肋的薄壁钢管混凝土柱标准火灾试验主要试验参数为截面尺寸、加劲

23、肋设置、荷载比和偏心距。观察试件在火灾实验炉中的试 验现象与试验结束后的破坏模态，并记录失稳时间；测量试件在钢管、核心混凝土、加劲肋各 测点温度；记录试件的轴向变形，绘制试件的轴向变形一一时间（温度）关系曲线；分析截面 尺寸和加劲肋设置对构件耐火极限、变形及破坏模式的影响趋势。（2）设置加劲肋的薄壁钢管混凝土柱高温下有限元分析利用有限元软件ABAQUS建立各种截面尺寸和加劲肋设置的薄壁方钢管混凝土短柱高温 下有限元分析模型，利用所进行的短柱试验验证模型的正确性。之后探究不同荷载和偏心距下 轴心受力带肋薄壁方钢管混凝土柱的钢管、核心混凝土和加劲肋之间的相互作用关系、耐火极 限以及加劲肋和钢管对核

24、心混凝土的约束机理，分析高温下构件局部屈曲模式及破坏模态。1.2研究目标（1）提出带肋薄壁方钢管混凝土柱标准火灾下的耐火极限计算方法根据标准火灾下短柱的试验结果和ABAQUS有限元分析计算结果，进行整理分析，提出所 研究构件标准火灾下的耐火极限简化计算方法。（2）给出设置钢筋加劲肋的薄壁方钢管混凝土柱的抗火设计建议通过试验研究、有限元分析方法，研究构件标准火灾下受力机理，通过参数分析找到主要 影响因素及其影响规律，给出带肋薄壁方钢管混凝土柱抗火设计方法，以及提高其抗火性能的 设计建议，为工程实践提供参考。2拟采取的研究方案、技术路线2.1研究方案本课题将在参考和分析现有常温下设置加劲肋的方钢管

25、混凝土柱和薄壁方钢管混凝土柱静 力性能、其他形式钢管混凝土柱抗火性能的理论与试验研究成果的基础上，以理论分析、有限 元模拟和试验相结合的方法，完成计划的研究内容，并最终实现预定研究目标，具体研究方案 如下：（1）试验研究进行不同截面尺寸、加劲肋设置、荷载比和偏心距下的薄壁方钢管混凝土短柱标准火灾试 验，其目的在于，一是获得标准火灾下该类构件的截面温度场分布规律，为后续相关研究提供 依据和支持；二是为获得其真实的耐火极限，为后续耐火极限影响参数分析以及构件抗火设计 提供依据和支持；三是可为后续有限元模拟模型验证提供数据支持。（2）ABAQUS有限元模拟建立标准火灾下带肋薄壁方钢管混凝土柱的ABA

26、QUS有限元三维分析模型，分析构件高温 下构件截面温度场分布及其受力机理，探寻受火全过程中钢管、加劲肋和核心混凝土之间的相 互作用及其变化。进而分析截面尺寸、加劲肋设置、荷载比和偏心距等重要参数对该类构件耐 火极限的影响趋势。（3）理论分析在合理假定核心混凝土所受约束的分布，建立带肋薄壁方钢管混凝土柱中核心混凝土高温 下等效单轴本构模型的基础上，建立构件耐火极限计算分析模型，推导构件耐火极限简化计算 公式，并进行验证。基于参数分析的结果提出该类构件的抗火设计方法。2.2技术路线3本课题的创新之处对设置钢筋加劲肋薄壁方钢管混凝土柱进行温度场和耐火极限的试验研究，填补我国相关 研究的空白。对加劲肋

27、设置参数对此类构件温度场和耐火极限的影响规律进行研究和分析。采用合理理论并结合试验和模拟数据得到此类构件耐火极限的简化计算公式。四、试验及试验设想本课题试验将借助湖南大学火灾实验室进行。湖南大学火灾实验室属我国比较先进的结构 火灾实验室，相关实验条件比较优越，能实现本课题的有关试验的要求。本课题拟进行不同截面尺寸、加劲肋设置、荷载比和偏心距下的带肋薄壁方钢管混凝土短 柱标准火灾试验。五、参考文献钟善桐.钢管混凝土.第3版.清华大学出版社,2002:1-10,49-59.韩林海.钢管混凝土理论与实践.第2版.科学出版社,2007:31-50.蔡绍怀.现代钢管混凝土.第1版.人民交通出版社,200

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