本文是一篇土木工程论文，本文采用数值仿真分析与理论研究相结合的方法，详细研究了该类组合柱在经历冻融循环后的轴向受力性能和抗震性能。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
随着建筑体系向大跨、重载、超高的方向发展，传统的钢筋混凝土结构已不能满足现代化建筑的需求，轻钢结构体系虽具有重量轻、施工周期短及价格低廉等诸多优点，但其稳定性及耐火性较差且易腐蚀，容易发生屈曲变形，导致结构失稳破坏。为满足现代社会对建筑结构在大跨、超高、抗火、抗风、抗震等方面的需求，应运而生了钢管混凝土结构。钢管混凝土结构具有自重轻、跨度大、承载能力强、施工周期短及抗震性能好等诸多优点，被广泛应用于大跨度、超高层及重载结构体系中。结合现代化建筑的需求及钢管混凝土结构的优点，课题组提出了一种新型装配式框架结构体系，如图1.1所示。该体系由矩形钢管高强混凝土翼缘蜂窝钢腹板组合柱及矩形钢管高强混凝土翼缘蜂窝钢腹板组合梁组成。框架体系中的组合柱主要由蜂窝钢腹板连接两个矩形钢管高强混凝土柱组成；钢管可使核心混凝土处于三向受压状态，从而提高柱子的承载力及稳定性，混凝土可以减少或延迟钢管发生局部屈曲，延长柱子的使用寿命；采用蜂窝钢腹板不仅可以使建筑结构更加美观，同时可以减小结构自重。由此可见，该类组合柱在大跨、重载及超高层建筑中应用前景广阔，众所周知，严寒区建筑结构受冻融作用的影响显著，传统的钢筋混凝土结构在冻融条件下易出现混凝土剥落现象，严重影响结构的使用性能和承载能力。为确保课题组提出的新型框架结构在严寒区推广应用，掌握该类新型框架体系在冻融循环作用下的力学性能是至关重要的。
鉴于目前对框架体系中矩形钢管高强混凝土翼缘-蜂窝钢腹板H形截面组合柱冻融循环后的力学性能研究尚少，冻融循环后该类组合柱的破坏机理尚不明确，开展该类新型组合柱在冻融循环后的力学性能研究具有重要的理论价值，并能为工程实际应用提供技术支持。
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1.2国内外研究现状
1.2.1冻融循环下混凝土的研究现状
自21世纪以来，国内外学者开展了众多有关混凝土冻融破坏机理的研究，提出了很多冻融破坏理论，其中最具代表性的破坏理论如下：
2001-2001年德国教授Setzer提出微冰破损理论[1]。该理论认为混凝土在冻融循环过程中存在吸水现象，混凝土饱水度随循环次数而增加，当达到一定限值时，结构发生冻胀破坏。
钢筋混凝土结构表面存在细微裂缝，随着时间的推移，水气会侵入结构内部的孔隙之中，在低温环境下使得孔隙水体积膨胀，孔隙不断扩展，使得结构孔隙率增大，降低结构承载力，同时造成结构外部混凝土保护层脱落，钢筋锈蚀，降低结构使用寿命，如图1.2所示。
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2009年，段安[2]开展了冻融环境下素混凝土及箍筋约束混凝土受压应力-应变全曲线试验研究。并提出了应用于冻融循环后立方体抗压强度为30MPa~50MPa的混凝土应力应变曲线方程和受冻融循环作用后箍筋约束混凝土的应力-应变全曲线方程。
2014年，肖前慧等[3]研究了混凝土在冻融和酸雨侵蚀作用下的质量损失和相对动弹性模量的变化情况。试验结果表明，冻融-酸雨复合环境下混凝土所产生的损伤大于单一情况下的损伤。在复合条件下，建立了不同水灰比的混凝土质量与冻融循环次数之间的函数关系和混凝土损伤演化方程。
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第二章钢管混凝土翼缘蜂窝钢腹板H形截面组合短柱的试验验证
2.2有限元软件介绍
ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。
ABAQUS有两个主求解器模块：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块（ABAQUS/CAE）。ABAQUS对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。
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2.3钢材与混凝土本构模型
2.3.1钢材本构模型
在钢材的塑性变形中，应力-应变关系取决于形变或应变的增量。通过使用流动法则和Von Mises屈服条件，可以推导出钢材的应力-应变关系，该方法可以很好地反映钢材的性质[67,68]。
用以下3个假设来确定塑性阶段应变增量的计算公式：
（1）存在屈服面；（2）存在强化规律；（3）存在应力和塑性应变的流动规律。
钢材的本构模型，如图2.2所示。应力-应变曲线可以分为5段：弹性段（OA）、弹塑性段（AB）、塑性段（BC）、强化段（CD）和二次塑流段（DE）。由于钢材在三向上具有类似的受力特性，因此可以假设其达到屈服点后的行为为一条直线，简化为一个理想的弹塑性本构模型。本文采用简化后的钢材本构模型，如图2.3所示。
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第三章 冻融循环下高强混凝土本构模型的试验验证 ........................ 21
3.1 引言 ................................... 21
3.2 冻融循环下混凝土本构模型 ......................... 21
3.3 有限元模型的建立 ........................ 23
第四章 冻融循环下矩形钢管高强混凝土翼缘-蜂窝钢腹板组合柱轴压性能分析 ................................. 30
4.1 引言 ................................. 30
4.2 试件设计 ........................... 30
4.3 冻融循环下足尺组合柱轴压有限元模型的建立 ........................ 31
第五章 冻融循环下矩形钢管高强混凝土翼缘-蜂窝钢腹板组合柱抗震性能分析 ............................. 60
5.1 引言 ................................... 60
5.2 试件设计 ......................................... 60
第五章冻融循环下矩形钢管高强混凝土翼缘蜂窝钢腹板组合柱的抗震性能分析
5.2试件设计
5.2.2试件参数
为研究冻融循环下矩形钢管高强混凝土翼缘蜂窝钢腹板组合柱的抗震性能，以冻融循环次数（nd）、截面含钢率（α）、混凝土强度（fcu）、剪跨比（λs）、轴压比（n）、高宽比（D/B）、距高比（s/hw)和孔高比（d/hw）为主要参数，设计了60根足尺STHHC组合柱试件。利用ABAQUS软件和前文给出的建模方法，开展组合柱的拟静力分析，得到组合柱的滞回曲线及特性，明确不同参数对组合柱骨架曲线、耗能能力、抗力衰减、刚度退化的影响规律。最后，建立该类组合柱的荷载-位移弹塑性恢复力模型并给出相应的工程设计建议，为该类新型组合柱在寒区实际工程中的推广应用提供技术支撑。
本章开展冻融循环下STHHC组合柱滞回性能的研究，主要参数包括冻融循环次数（nd）、截面含钢率（α）、混凝土强度（fcu）、高宽比（D/B）、剪跨比（λs）、轴压比（n）、距高比（s/hw)和孔高比（d/hw），通过分析以上参数的变化对的冻融循环后试件抗震性能的影响规律，了解试件经历冻融循环后的抗震性能，为实际工程中试件的设计提供依据，试件的设计参数如表5.1所示。
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结论与展望
结论
矩形钢管高强混凝土翼缘蜂窝钢腹板组合柱，充分发挥了钢管高强混凝土以及H型柱的结构优势。在此基础上。本文采用数值仿真分析与理论研究相结合的方法，详细研究了该类组合柱在经历冻融循环后的轴向受力性能和抗震性能。最终得出以下结论：
（1）本文采用简化后的钢材本构模型及混凝土本构模型，对14个矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板组合柱进行有限元计算，获得已有试验试件的荷载-位移曲线，与试验曲线对比，二者吻合良好，峰值荷载最大误差为4.91%，满足工程精度的要求，验证了有限元模型及建模方法的准确性。此外采用简化后的钢材本构模型及冻融循环后约束混凝土本构模型建立15根方钢管混凝土短柱，获得其在轴压荷载作用下的的荷载-应变（N-ε）曲线，并与试验N-ε曲线进行对比，峰值最大误差为8.14%，满足工程精度的要求，验证了本构模型的准确性。
（2）本文开展了冻融循环后的48根足尺STHHC组合柱的轴压性能分析，结果表明：所有试件都表现出了优异的承载能力及抗冻融性能，试件的极限承载力及延性随冻融循环次数的增加均有不同程度的下降。冻融循环前后试件的破坏形式基本一致。当约束效应系数(ξ)处于0.23至0.48之间时，约束效应系数(ξ)的增加有助于减缓试件因混凝土冻融而导致试件承载力的下降，钢管对长细比(λ)较大的试件约束作用较弱。混凝土强度（fck）越高，冻融循环对其的影响程度越小。当长细比(λ)不变时，组合柱的延性随冻融循环次数(nd)的增加而逐渐降低，但数值变化不大，影响较小。距高比(s/hw)及孔高比(d/hw)对试件延性影响较小，但距高比(s/hw)过大会降低冻融循环作用后试件的延性性能。长细比(λ)越大，试件冻融循环后的极限承载力下降幅度也会变得更大。
参考文献（略）