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海洋平台摇摆柱体系摇摆柱构造研究及抗剪性能研究

海洋平台摇摆柱体系摇摆柱构造研究及抗剪性能研究

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作者：王剑阁青岛理工大学

学位级别：硕士

我国是一个拥有海上石油资源极其丰富的国家,特别是南海海域的海上油气资源还尚待开发。作为海上油气资源勘探和开采的基础建设设施的海洋平台,保证海洋平台在海上安全作业和人身安全成为要面对的关键性问题。海洋平台-摇摆柱体系是一... 详细信息

我国是一个拥有海上石油资源极其丰富的国家,特别是南海海域的海上油气资源还尚待开发。作为海上油气资源勘探和开采的基础建设设施的海洋平台,保证海洋平台在海上安全作业和人身安全成为要面对的关键性问题。海洋平台-摇摆柱体系是一种新型高防灾减灾高性能结构体系,此体系可以有效地减小海洋平台在海冰作用和地震作用下的振动和位移,有效控制结构振动。摇摆柱作为海洋平台-摇摆柱结构体系的重要构件,其构造至关重要,要保证摇摆柱能随海洋平台自由运动的同时,还要保证摇摆柱的刚度,满足结构的变形能力。为研究海洋平台摇摆柱结构体系的摇摆柱构造形式,研究制作了16个组合型钢管混凝土构件,采用圆钢管、圆钢管-工字型、圆钢管-圆筒、方钢管、方钢管-工字型、方钢管-圆筒六种截面形式,内部混凝土采用C50、C70两种强度,进行三点弯曲试验。研究了不同形状、截面形式和内部混凝土强度等级的组合型钢管混凝土在三点弯曲试验过程中的破坏过程,包括破坏形态、承载能力和变形能力;并且通过局部横纵比和局部应变分析加载后试件内部变化和受力特征。试验结果表明,试件在加载过程中,钢管与混凝土以及在钢管混凝土中增加的中间截面构件在不同阶段有着不同的受力特征和协同工作机理;圆钢管混凝土更有利于钢管对混凝土发挥套箍作用,从而提高构件承载能力和变形能力;内部增加圆筒的双圆筒截面形式构件抗剪性能最好;提高内部混凝土强度可以减少钢管混凝土的变形和约束混凝土的侧移;高强度混凝土可以和外部钢管更好的协同工作,充分利用材料的性能。本课题还利用了ANSYS大型有限元分析软件对C50混凝土强度的钢管混凝土进行了非线性分析。先对钢材和混凝土的本构关系进行了研究,钢材的本构关系对所用钢材进行了拉伸试验,混凝土的本构关系利用了混凝土在单轴受压作用下的理论推导。然后利用ANSYS大型有限元分析软件建立了圆钢管、圆钢管-工字型、圆钢管-圆筒、方钢管、方钢管-工字型、方钢管-圆筒六种截面形式的有限元模型,模拟试验条件进行加载与求解。得到了六种有限元模型的承载能力、破坏形态、荷载—中点位移曲线和外部钢管、内部混凝土、内置工字钢与圆筒的应力云图。对比试验结果和数值模拟结果,发现加入中间截面可以有效地增强钢管混凝土试件的抗剪承载力和变形能力;利用本文建立的有限元模型可以很好地模拟钢管混凝土的破坏形态、荷载—位移曲线;对于有焊缝的钢管混凝土组合结构,增加焊缝强度可以提高结构的整体抗剪性能;内置截面钢管混凝土可以充分发挥钢管与混凝土的材料属性,充分发挥材料强度;内置截面构件在钢管混凝土试件承受荷载时只参与一定的工作,没有达到极限应力状态,有进一步利用的空间。

关键词：海洋平台-摇摆柱体系摇摆柱钢管混凝土组合型钢管混凝土 ANSYS 非线性分析

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