本文是一篇土木工程论文，本文基于ABAQUS建立有限元模型，通过合理的CFRP管、钢骨、混凝土本构关系，单元类型、接触方式和边界条件等，对CFRP管钢骨超高强混凝土柱轴压和偏压构件进行受力分析。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
近几年来，各类建筑在全球各地迅猛发展，如大跨度的桥梁结构、大跨度空间结构，复杂的海上工程，超高层建筑等。随着结构跨度增加，建造技术的复杂化，使用材料建造一定形式的建筑体存在一定的难度，这是由材料自重和强度二者的矛盾所决定。跨度和高度增加时材料增加，建筑体自身重量随之增加，当增加的材料不足以支撑增加材料的自重时，结构跨度和高度受到限制。为了减轻建筑重量和成本，理想的选择是使用轻质高强的材料，合理结构形式，提升材料的力学性能。
钢骨混凝土（steel reinforced concrete，SRC）结构指的是将工字钢、槽型钢、T型钢等预加工处理后，在立柱的模板中作为骨架，然后浇注混凝土，是钢材和混凝土组合的重要结构，与钢筋混凝土结构相比，可以降低重量，减小截面尺寸，增加延性等，但存在腐蚀和裂化等问题。碳纤维复合材料（carbon fiber reinforced plastic，CFRP）是由碳纤维布与结构胶等在特定角度下缠绕压模而成，具有重量轻，强度高，抗疲劳，耐腐蚀及便于施工等优点，可以与钢骨混凝土相结合，一方面可以降低内部钢骨混凝土的腐蚀裂化，另一方面可以提升整体承载力。
纤维增强复合材料形成的结构体系，由于本身重量较轻，仅仅是钢材的20%-25%，并且具有较高的强度，可以大大降低工程上的建造难度。复材也用于港口工程中船墩、基桩、防撞桩等。例如Creative Pultrusions公司在2015年开发的复材基桩在港口工程上的应用，它将复合材作为外覆层，合理利用复材环向受拉以抵御内压力，充分发挥了建筑材料的轻量化特性，且大大降低了二氧化碳的排放，如图1.1所示。此外，在CFRP管约束下，结构具有一定密闭性，可保护钢骨混凝土在腐蚀性环境不产生劣化，可充当模板使用[1]。CFRP管与钢骨超高强混凝土的结合对实际设计具有重要的工程意义。
.............................
1.2国内外研究现状
1.2.1超高强混凝土
国内外学者关于超高强混凝土的研究主要在制备方法，配合比设计，原材料选择，微观结构和力学性能等方面。1981年，丹麦的Bache[2]创建紧密堆积理论，核心是：硅灰等超细粉在混凝土中充分分散，填充在水泥颗粒堆积的孔隙中，使混凝土实现密实化，这是混凝土技术的突破性进步，为超高强混凝土配制提供可靠的理论依据。Aldahdooh等[3]基于一种响应面法，开发新型绿色超高性能纤维增强水泥基复合材料，其中超细棕榈油燃料灰占比50%，最大限度地减少水泥生产过程中释放的温室气体。在90天时，抗压强度可达158.28MPa、抗拉强度可达13.78MPa、抗弯强度可达46.69MPa。Lee等[4]采用降粘度方法，研发了强度为150 MPa-180 MPa低粘度超高强混凝土，共对其进行了525 m的全规模抽水试验。结果表明。粘度越小，单位管道长度的压力越大，排放量越大。Anna等[5]为了分析了骨料对超高强度混凝土性能的影响，对混凝土配合比的稠度、抗压强度、抗弯强度和硬化混凝土的吸水率进行了试验研究。结果表明，在含量600 kg/m3 CEMI 52.5R硅酸盐水泥中使用玄武岩骨料，并添加硅灰和粉煤灰，使混凝土抗压强度超过150MPa，同时可以保持混凝土混合料的稠度。
蒲心诚等[6]通过加入活性矿物掺合料和高效化学外加剂改善混凝土内部微结构。邓宗才等[7]通过砂胶比、矿物掺和料及外加剂掺量不同影响因素，制备出抗压强度为160MPa且流动性最佳的混凝土。林琳[8]利用Dinger-Funk公式与Fuller曲线对超高强混凝土配合比进行优化，优化后混凝土28d抗压强度达到105.8 MPa。
...............................
第2章有限元模型
2.2有限元模型的建立
2.2.1单元选取
根据选定的构件尺寸，分别建立CFRP管、钢骨、混凝土和两端盖板各个部件的模型，设定盖板的边长要比CFRP管混凝土截面半径大30mm，按选取CFRP管、钢骨、混凝土本构关系，对所有部件赋予相对应的属性，再把各个部件进行组装，形成一个完整的CFRP管模型。整个CFRP管钢骨高强混凝土构件中每个部件的尺寸、截面形式、受力方式和材料属性都不同，所以分别设置适合的结构单元。CFRP管的壁厚要远小于混凝土的直径，因此，在每个层的厚度方向上，使用四节点缩减积分（S4R），Simpson积分为3，通过ABAQUS属性模块快速建立复合层，例如设计的缠绕角度[45°/-45°]，如图2.2所示；混凝土和钢骨都采用八节点减缩积分（C3D8R）三维实体单元，这种单元模式计算精度高，且耗时短。盖板采用C3D8R三维实体单元，视为刚体，不易发生变形，需要将两端盖板的泊松比设置成较小数值，弹性模量设置成较大数值，模拟中将泊松比设置为0.0001，弹性模量设置成1×1015MPa。
2.2.2接触面的定义
CFRP管钢骨超高强混凝土构件间的接触可以分为两端盖板和外层CFRP管之间的接触，上下两端盖板和混凝土之间的接触，钢骨、钢筋和箍筋与混凝土的接触，以及CFRP管与混凝土的接触。在这种情况下，将上、下端的盖板与CFRP管进行“壳和实体耦合”（Shell to solid）的接触，与混凝土在法向上设定为“硬接触”（Hard contact），而在切向上设定为“无摩擦”。钢骨、钢筋和箍筋采用“内置区域”（Embed）嵌入混凝土。混凝土与CFRP管法向上为“硬接触”，而在切向上采用库伦摩擦模型，其摩擦因数为0.4[58]，主平面为CFRP管，从平面为混凝土；以上的接触关系中都选择刚度相对较小的作为从表面，刚度较大的作为主表面。
..................................
2.3有限元模型验证
采用上小节介绍的有限元分析模型的建立方法，以及提到的材料本构关系，进行了CFRP管钢骨混凝土受压构件的有限元分析。对文献[32]、[39]、[56]、[61]中的部分试验构件进行模拟，对模拟结果数据进行后处理分析和整理，得到各构件的曲线和极限承载力值，再分别与各文献中的实际试验结果进行对比验证，具体参数见表2.1。
土木工程论文怎么写
..................................
第3章CFRP管钢骨超高强混凝土柱轴压性能分析............................23
3.1参数分析....................................23
3.1.1 CFRP管管壁厚度..................................23
3.1.2 CFRP管缠绕角度................................24
第4章CFRP管钢骨超高强混凝土柱偏压性能分析.................................48
4.1参数分析........................48
4.1.1偏心距........................................48
4.1.2 CFRP管管壁厚度............................50
第5章结论与展望...................................75
5.1结论.............................................75
5.2展望..............................76
第4章CFRP管钢骨超高强混凝土柱偏压性能分析
4.1参数分析
通过建立相关构件模型，研究各个参数对CFRP管钢骨超高强混凝土柱偏压性能的影响。本节模型外直径取值为D=150mm，构件高度均为L=450mm，主要研究了偏心距为10、20、30和40mm，加载方式为强轴加载和弱轴加载，纤维缠绕角度为单向缠绕角度和组合缠绕角度，单向缠绕角度为0°、15°、30°和45°，组合缠绕角度为0°、15°间隔缠绕，0°、30°间隔缠绕，0°、45°间隔缠绕，0°、90°间隔缠绕，超高强混凝土强度C110-C140，CFRP管厚度为1.20-2.70mm，长细比为12-40，研究这几个参数对CFRP管钢骨超高强混凝土偏压构件极限承载的影响。4.1.1偏心距
CFRP管钢骨超高强混凝土偏压柱基本参数为长细比为12，含钢率为8.2%，混凝土强度为110MPa，缠绕角度为0°，研究不同偏心距以及相同偏心距下，不同加载方式下的参数对偏压构件极限承载力的影响，各构件具体参数见下表4.1，采用有限元方法得到强轴加载与弱轴加载方式下的载荷-位移关系曲线如图4.1与图4.2所示。可以看出：在加载初期，构件的初始刚度随偏心距的增加而减小；当载荷增加时，曲线的斜率开始减小，在强轴加载方式下，构件偏心距为10mm、20mm、30mm、40mm与轴心受压构件CSE0，极限承载力分别下降了19.35%、37.17%、52.38%、63.84%。在弱轴加载方式下，构件偏心距为10mm、20mm、30mm、40mm与构件CSE0相比，极限承载力分别下降了41.32%、63.45%、75.85%、82.41%。偏心距从10mm增加到40mm，构件极限承载力呈非线性下降。
土木工程论文参考
................................
第5章结论与展望
5.1结论
本文基于ABAQUS建立有限元模型，通过合理的CFRP管、钢骨、混凝土本构关系，单元类型、接触方式和边界条件等，对CFRP管钢骨超高强混凝土柱轴压和偏压构件进行受力分析，得到如下结论：
（1）以管壁厚度、混凝土强度、含钢率、缠绕角度和长细比为主要参数，对CFRP管钢骨超高强混凝土轴压柱进行研究，分析表明：构件的极限承载力随着缠绕角度的增加而降低；随着管壁厚度的增加而提高，增加含钢率，也可以增加构件的极限承载力；在一定范围内增加混凝土强度可以提高构件极限承载力。其中，管壁厚度、缠绕角度对组合柱承载力影响最大，长细比次之，含钢率和混凝土强度对组合柱影响较小。
（2）以偏心距、加载方式、管壁厚度、混凝土强度、缠绕角度、含钢率和长细比作为主要变化参数，对CFRP管钢骨超高强混凝土偏压柱构件进行分析，分析表明：构件的极限承载力随着混凝土强度、管壁厚度和含钢率的增加而增加；随着偏心距、单向缠绕角度和长细比的增加而降低。且对于组合缠绕角度0°、90°间隔缠绕的构件极限承载力优于0°缠绕角度。其中，偏心距、长细比和加载方式对组合柱承载力影响最大，缠绕角度和含钢率次之，管壁厚度和混凝土强度对组合柱影响较小。
（3）构件的荷载-位移，荷载-应变曲线基本呈双线性，分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段，并且有明显的拐点。整个构件的承载力基本可以看成钢骨、混凝土和CFRP管所受轴向荷载的叠加。
（4）利用极限平衡法、统一理论法结合现有回归系数公式，计算CFRP管钢骨超高强混凝土柱的承载力值，与模拟值吻合较好，可为此类型组合柱的承载力计算提供参考。
参考文献（略）