第 1 章 绪论
1.1 本研究课题的工程背景及实际意义
装配式结构是以预制构件为主要受力构件经装配连接而成的结构，按其组成材料可以分为装配式混凝土结构、装配式木结构、装配式钢结构，目前建筑工程中使用最多的是装配式混凝土结构，如图 1-1 所示。其结构具有节能、环保、节省模板等优点，同时装配式混凝土结构也存在着许多缺点，如自重大，运输、堆放困难，拼缝渗水难以控制，抗震性能差，延性差等[1]。
装配式钢结构是由钢结构构件组成的装配式结构，如图 2-2 所示。其结构具有较高的强度、自重较轻、使用跨度大、抗风性能及抗震性能好的优点。装配式钢结构主要是以焊接及螺栓连接作为梁柱的节点连接方式，故其施工效率和质量都比较高，并且绿色环保，经济效果也比较好[2]。但因钢结构耐热不耐火，遇火钢材的承载力会急速下降，导致构件丧失承载力，引起整个结构的突然性倒塌，危害很大，需要长期在表面涂防火材料。同时钢材易受腐蚀，表面还需涂防腐材料来减少或避免腐蚀，提高结构耐久性，投入的维护成本比较高。
装配式木结构体系的优点很多，如抗震性能较好、取材方便、环保，施工速度快等等[3]。2017 年李艳敏[4]设计了一栋 6 层的装配式正交胶合木结构宿舍楼，利用ABAQUS 有限元分析软件对其进行静力性能和动力性能分析，结果表明装配式木结构建筑在竖向荷载作用下的受力性能良好，在小震作用下，承载力具有较大的安全储备，层间剪切变形较小。但装配式木结构的缺点也比较多，如不耐火、易腐蚀、可用的木料供应紧缺等等。
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1.2 钢管混凝土结构的研究现状
1.2.1 钢管混凝土结构在国内的研究现状
在我国，对钢管混凝土结构的开发利用已有 60 多年的历史。1959 年原中国科学院土木建筑研究所最先对钢管混凝土结构的基本性能展开了试验研究[7]。1966年成功的将钢管混凝土柱用于北京地铁中的“北京站”和“前门台”站台柱[8]。20 世纪70 年代，钢管混凝土结构又在冶金、造船、电力等行业的单层厂房和重型构架中得到成功的应用[9]。为建设北京地铁，1963 年建筑材料工业部建筑材料科学研究院水泥制品研究室与北京地下铁道工程局合作，对钢管混凝土短柱的基本静力性能进行了试验研究[10]。1970 年清华大学抗震抗爆工程研究室与北京地下铁道工程局合作，又对钢管混凝土短柱的抗爆性能进行了试验研究[11]。1984 年中国建筑科学研究院结构所与海军工程设计研究局协作，对内填发泡混凝土为 C75~C85 级的钢管高强混凝土的基本性能进行了试验研究[12]。最近 10 年，在国家自然科学基金会和建设部、铁道部、国家建材局等联合资助的“七五”重点科技项目“高强高性能混凝土材料的结构与力学性态研究”中，都有关于钢管高强混凝土的研究子项，先后由中国建筑科学研究院、清华大学和重庆建筑大学等承担[13]。近几年国内学者对钢管混凝土结构的研究主要有：
2005 年王佩琼，汤跃超[14]等人结合河北潘家口蓄能电厂变电站钢管混凝土纵向开裂破坏情况及加固处理，对钢管混凝土结构的开裂破坏机理、构造缺陷、裂缝发生及发展规律等进行了深入探讨和分析，并提出了加固处理的原则和措施。对已建的钢管混凝土结构的加固处理和今后同种结构的设计与施工提出了十分有意义的理论依据。
2012 年周维，李成玉[15]采用有限元分析软件 ANSYS 对圆钢管混凝土柱-钢梁带软钢段节点的受力性能进行了非线性有限元分析，结果表明：圆钢管混凝土柱-钢梁带软钢段节点的抗震耗能情况良好。并给出了软钢段起点至加强环边缘距离的合理取值范围。
2013 年崔明娟[16]结合试验与有限元的方法对两个含有初始疲劳裂纹的 T 型圆钢管混凝土节点和一个无初始裂纹缺陷的 T 型圆钢管混凝土节点(见图 1-4)在支管轴向拉伸荷载作用下进行了静力试验测试，研究表明：(1)两个试件的裂纹均呈对称性出现在主管冠点附近的焊缝处；(2) 裂纹的出现会大幅度降低节点的极限承载力；(3)节点在破坏前有较好的塑性性能。
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第 2 章 有限元分析方法介绍
2.1 钢管发泡混凝土结构的有限元求解方法
有限元分析中使用的有限单元法，其原理是以结构力学中的位移法进行拓展而得到的，它的基本思路就是将某个单元节点上的连续问题演化为由有限个单元组成的整体，而计算机应用数值计算分析方方法对整体中的有限个单元进行逐一求解
土木工程、岩土工程等学科中的弹塑性、粘弹性、粘弹性力学，水利、码头工程等的流体力学和流体—固体耦合作用，交通和桥梁隧道工程中的层状介质路面力学、大型桥梁结构分析等都是力学学科的重要分支，其研究结果最终归结为求解数学物理方程边值或初值问题。但遗憾的是，这些科学传统的研究成果只对较为简单、规则的问题才能获得解析解答，大量实际科学、工程计算问题，由于数学上的困难无法得到解决。随着有限元法的出现，无论是简单的一维杆件体系结构，还是承受复杂荷载和不规则边界情况的二维平面问题、轴对称问题、三维空间块体问题等的静力、动力和稳定性分析，考虑材料具有非线性力学行为和有限变形的分析，如温度场、电磁场，流体、液-固、结构与土壤相互作用等工程复杂问题的分析，有限元法都能得到较满意的解答。
随着科技的进步，研究者对结构的非线性有限元分析不仅仅再止步于理论分析上，计算机和有限单元法的结合使得非线性问题得到重大的突破，如 ANSYS、ABAQUS、SAP、NASTRAN 等有限元软件的使用，使得一般的工程问题均可获得有效的解决。本文中对柱、梁等构件以及其节点的受力性能的研究都是基于非线性问题的基础上，而 ABAQUS 具有高效的非线性求解器，相比于其他有限元软件，
对于非线性问题的求解更为容易，并且 ABAQUS 操作界面比较简单，容易上手，求解过程比较系统，故本文选择 ABAQUS 有限元软件来研究本文的构件及节点的受力性能。
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2.2 材料的本构关系
反映物质宏观性质的数学模型，最熟知的反映纯力学性质的本构关系有胡克定律、牛顿粘性定律、圣维南理想塑性定律等；反映热力学性质的有克拉珀龙理想气体状态方程、傅里叶热传导方程等。把本构关系写成具体的数学表达形式就是本构方程。在许多文献中，往往都不把本构关系和本构方程区别开来。建立本构方程是理性力学研究的重要内容之一。
为确定物体在外部因素作用下的响应，除必须知道反映质量守恒、动量平衡、动量矩平衡、能量守恒等自然界普遍规律的基本方程外，还须知道描述构成物体的物质属性所特有的本构方程，才能在数学上得到封闭的方程组，并在一定的初始条件和边界条件下把问题解决。因此，无论就物理或数学而言，刻画物质性质的本构关系是必不可少的。
2.2.1 发泡混凝土的应力应变关系
发泡混凝土属于轻质多孔混凝土中的一种，在有限元分析中，其本构关系模型可借鉴混凝土本构模型。在 ABAQUS 有限元分析中，常用的本构模型有弥散裂纹模型、脆性断裂模型和塑性损伤模型等等。混凝土受拉时，采用弥散裂纹模型；混凝土受压，采用弹塑性损伤本构模型；混凝土脆性断裂模型仅考虑混凝土受拉的非线性行为，适用于少筋混凝土和素混凝土结构中混凝土本构关系的模拟，应用范围较窄[36]。
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3.1 柱模型的设计 ................................... 18
3.2 有限元模型创建 ............................................ 19
3.2.1 部件的创建 ..................................... 19
3.2.2 模型的荷载约束以及网格的划分 .............................. 19
第 4 章 梁截面选择及受力分析 ....................................... 73
4.1 梁模型的设计 ...................................... 73
4.1.1 梁部件的创建 .................................. 73
4.1.2 定义截面接触 ................................... 74
第 5 章 节点的连接方式及其力学性能分析 ................................. 85
5.1 节点的连接方式 ............................ 85
5.2 节点受力性能分析 ................................ 89
第 5 章 节点的连接方式及其力学性能分析
5.1 节点的连接方式
本文参照上述结构模型的杆件内力，进行节点受力分析。并选取合理的梁柱节点连接方式，利用 ABAQUS 有限元软件对其抗震性能、延性性能、破坏形式进行分析，最终确定节点的合理性。本次节点研究的梁柱构件皆为前文分析的梁柱构件。
根据梁柱节点受力变形特征以及刚度性能的不同，其节点形式一般分为刚性连接、铰接连接和半刚性连接。
(1) 刚性节点
梁柱构件连接处能承受弯矩作用，并且无相对转动的连接形式被称为刚性连接。一般来说，当连接旋转约束达到理想刚接的 90%时，可以将其视为刚接[42]。其构造形式可分为：①全焊连接②栓焊混合连接③全栓连接。三类连接形式中，虽然节点处承载力相同，但在地震作用下，吸能和散能的能力却有很大不同。其中①类节点的延性和刚度最好。②类节点由于腹板滑动而导致其刚度稍差，但其性能与全焊接连接相差不大。③类节点由于翼缘和腹板均会发生滑动，因而在地震作用下，全栓连接的刚度及承载性能较差。
(2) 铰接连接
铰接连接，也就是说，梁端可以自由地转动，但没有线性位移，可以传递剪力和轴力。当连接旋转约束达到理想铰接的 80%时，可以将其视为铰接。这种梁柱连接之间有相对转动，但不能承受弯矩的节点形式又称之为柔性连接。铰接连接形式简单、传力简单、施工也比较方便[43]
(3)半刚性连接
半刚性连接介于刚性连接和铰接连接之间，梁柱之间有相对转动，连接能承受弯矩。
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6.1 结论
本文对装配式钢管发泡混凝土结构框架结构的构件及节点利用 ABAQUS 有限元软件进行了受力分析，主要内容如下所示。
(a) 分析了方钢管发泡混凝土柱、圆钢管发泡混凝土柱、方套圆中空双层钢管发泡混凝土柱、圆套圆中空双层钢管发泡混凝土柱四种不同截面类别的柱的轴心受压和偏心受压的受力性能，并考虑宽厚比(径厚比)、钢管强度、发泡混凝土强度对其轴心受压和偏心受压承载力提升率的影响。
(b) 设计了两种不同截面类型的梁，并对比设计了 H 型梁，利用 ABAQUS 有限元软件分析其受力性能，并选择合理的梁构件截面类型和尺寸。
(c) 根据分析得到的梁柱截面形式及尺寸，选择外加强环板的梁柱节点连接方式，利用 ABAQUS 有限元软件对其节点进行受力分析。
通过对上述的分析，得到如下结论：
(1) 宽厚比大小和发泡混凝土强度对四种截面形式柱的轴心受压和偏心受压承载力提升率的影响最大，钢管强度的影响则比较小。
(2) 外钢管为方钢管截面形式的柱，外钢管管壁厚度不宜过薄，管壁厚度最好在 4mm 以上；外钢管为圆钢管截面形式柱，外钢管管壁厚度不宜过厚，管壁厚度最好在 6mm 以内；且不宜用于大偏心受压构件和构件高度比较高的建筑。
(3) 发泡混凝土的填入对梁应力大小、抗剪强度、竖向挠度等因素的改变没有多大的影响，但是能增大上翼缘的刚度，使得上下翼缘受力更均匀，不会出现上翼缘失稳的现象。箱型截面钢管发泡混凝土梁更适合用于梁高比较小的梁。
(4) 外加强环板作为方钢管发泡混凝土梁柱的连接方式，其抗震性能和延性比较好。
(5) 外加强环板作为边节点的连接方式时，可适当增大发泡混凝土的强度，并将外环板的上下环板延长，使用高强螺栓对其进行连接，防止边节点在低周反复作用下，梁与节点发生突然撕裂的脆性破坏。
(6) 在一定范围内，钢管壁厚越大，其抗震性能越好，刚度退化的越慢，其延性也越好，但随着钢管壁厚继续增大，其抗震性能并没有多大改变；发泡混凝土强度的改变对该节点的抗震性没有多大影响。
参考文献（略）