地震作用下变截面钢管混凝土单桩动力响应

为了探讨桥梁位于软弱土层时,地震作用下变截面钢管混凝土桩基的动力响应,以翔安大桥为工程背景,利用FLAC3D有限元软件建立地震作用下桩-岩土体-钢管耦合作用的数值模型,研究在不同强度的地震作用下变截面钢管混凝土单桩和变截面普通混凝土单桩桩身加速度、桩身位移、桩身弯矩的动力响应差异.结果表明:变截面钢管混凝土单桩在地震作用下的桩身加速度、加速度放大系数、桩身位移最大值和桩身弯矩变化规律均同变截面普通混凝土单桩类似,但钢管使桩身加速度放大系数降低、桩基抵抗侧向变形能力和抗弯承载力提高.因此,钢管可以显著提升地震作用下桩基的抵抗变形能力和承载力.

新型钢管混凝土梁柱节点力学性能试验研究

为研究内加强环式圆钢管混凝土柱与矩形钢管混凝土梁这种新型连接节点的力学性能,设计了缩尺钢管混凝土梁柱节点试件,开展了相同梁柱节点试件的静力加载试验和低周往复加载试验。通过研究该节点试件的破坏模式、荷载-位移曲线以及拟静力加载试验的骨架曲线、核心区剪切变形等,分析了节点试件的承载能力、延性和耗能能力,全面考察了同一梁柱节点在静力加载和低周往复加载两种工况下的受力性能和破坏模式。结果表明:钢管混凝土梁柱节点试件核心区强度较强,破坏模式主要为梁端破坏,低周往复加载试验时试件梁柱连接处附近的梁端钢板发生拉裂破坏和钢板鼓曲,静力加载试验时试件梁端焊缝发生拉裂破坏;试件延性较好,加载过程中经历了弹性、弹塑性和塑性发展阶段。最后提出了该类钢管混凝土梁柱节点核心区的抗剪强度计算公式。

钢管混凝土双块式轨枕无砟轨道结构疲劳性能试验研究

新型钢管混凝土(CFT)双块式轨枕克服了桁架钢筋双块式轨枕存在的生产制造复杂、存放易锈蚀、运营阶段易开裂等问题,可广泛应用于高速铁路和城市轨道交通无砟轨道结构。为检验CFT双块式轨枕无砟轨道结构的疲劳性能,采用11根预制CFT双块式轨枕现浇制作足尺无砟轨道结构节段模型,开展橡胶隔振垫式减振轨道和现浇整体式轨道节段的疲劳试验,揭示其疲劳损伤特性,分析典型疲劳加载循环次数后静载作用下轨道结构应变和变形分布及其演化规律。研究结果表明:1.5倍静轴重的疲劳荷载累计作用500万次后,减振节段及整浇节段CFT双块式轨枕无砟轨道结构混凝土均未出现肉眼可见的裂缝,轨枕与现浇道床整体工作性能良好,疲劳性能满足规范要求;停机开展静载试验过程中轨道结构各测点混凝土横向应变值随荷载增大而近似线性增大,最大拉压应变值均远小于混凝土的极限应变值,工作状态良好;轨道整浇节段道床板中处于整体受拉的状态,可见设置层间连接钢筋实现了道床与底座的共同工作;疲劳试验过程中轨道结构测点竖向位移值总体随着静载的增大而逐渐增大,位移量级较小,满足规范要求,减振轨道节段竖向位移值及其变化率大于整浇轨道节段。研究结果可供类似研究及钢管混凝土双块式轨枕无砟轨道结构工程应用参考。

RPC外包方钢管混凝土柱轴压受力性能研究

为了研究活性粉末混凝土(Reactive powder concrete,RPC)外包方钢管混凝土柱的轴压受力性能,以RPC厚度和长细比为参数,对6根构件开展轴压试验研究,探讨该类组合柱的破坏模式、受力机理、套箍效应和承载力。试验结果表明:外层RPC可为内部方钢管混凝土柱提供较强的约束力,在受力后期套箍效应凸显。随着RPC厚度的增加,组合柱的承载力逐渐提高;随着组合柱长细比的增大,虽然其弹性刚度和承载力逐渐降低,但延性改善。采用ABAQUS软件建立RPC外包方钢管混凝土柱的有限元模型,分析RPC强度、RPC厚度、钢管强度等级、含钢率、内部混凝土强度和长细比等参数对组合柱承载力的影响规律,可得方钢管混凝土柱发挥系数的变化幅值为0.78~1.01。在试验研究、有限元参数分析和理论探讨的基础上,借鉴钢管混凝土结构技术规范,提出了RPC外包方钢管混凝土轴压短柱和长柱的承载力简化计算方法,公式计算值与已有数据样本吻合良好。

钢管混凝土键连接框架梁和剪力墙的受剪性能

目的 研究钢管混凝土键连接框架梁和剪力墙的受剪性能,为工程应用提供设计依据。方法 应用有限元分析软件ABAQUS对比钢管混凝土键连接与现浇连接梁墙的结构受剪性能,分析前者受剪机理及不同因素对受剪性能的影响。结果 钢管混凝土键连接梁墙的结构承载力和延性系数较现浇结构分别提高约10%和34%;钢材强度从Q235到Q390,初始刚度增加8.44%;截面高度从100 mm到120 mm,延性系数提高17.73%;截面厚度每增加2 mm,承载力提高约15%;截面长度和混凝土强度等级对承载力、初始刚度和延性系数的影响均小于15%,纵向距离对其受剪性能几乎无影响。结论 采用钢管混凝土键连接梁墙的结构总体受剪性能优于现浇结构;钢材强度和截面厚度分别是影响初始刚度和承载力的主要因素。

圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱偏压性能分析

目的研究圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱的偏压性能,提出其偏压承载力计算方法。方法以长细比、偏心率、混凝土强度、纵筋配筋率及外钢管直径为参数,利用ABAQUS有限元分析软件建立相应的有限元模型,考察不同参数对荷载-挠度曲线和荷载-弯矩曲线的影响,并进行工作机理分析;最后基于叠加理论给出偏压承载力计算方法。结果圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱在偏压状态下的受力全过程可分为弹性、弹塑性和塑性3个阶段;长细比和偏心率是影响偏压承载力的主要因素,其中长细比由40增加到50和60时,承载力分别降低9.4%和18.9%;偏心率由0.2增加到0.4和0.6时,承载力分别降低31.0%和50.3%;由偏压承载力计算方法所得的结果与有限元模拟结果吻合较好。结论圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱在减轻自重的情况下具有一定的承载能力和延性,偏压性能良好。

侧向冲击荷载作用下CFRP型材-方钢管混凝土柱的动力响应

为了研究CFRP型材-方钢管混凝土固简柱的抗侧向冲击性能,采用水平撞击装置对3个CFRP型材-方钢管混凝土柱进行侧向冲击试验.根据柱的破坏模式、局部变形、整体变形及冲击力分析柱的动力响应,研究了CFRP型材、边界条件、冲击能量与冲击冲量对试件动力响应的影响规律.结果表明,CFRP型材-方钢管混凝土固简柱呈现弯曲破坏,具有良好的抗冲击性能,且随着支座约束能力的增大,抗侧向冲击性能增大.增加单位冲击冲量可使悬臂试件的峰值位移下降7%,而两端固支试件峰值位移仅变化1%.随着支座约束能力的下降,冲击冲量对试件变形的影响程度增大.在钢管混凝土固简试件中内置CFRP型材可使冲击位置处峰值位移下降9%,且降低程度随着支座约束能力的下降而增加.

花瓣形钢管混凝土柱轴压受力机理和承载力研究

花瓣形钢管混凝土柱具有造型美观的优点,为具体研究其受力机理和承载力,定义了其截面组成,提出了截面偏移比和截面对称系数以反映花瓣形截面性质,提出在花瓣柱中设置十字形加劲肋以增强其组合效应。基于某工程中墩柱和有限元模型,研究了花瓣形钢管混凝土短柱在轴压荷载作用下的受力机理,分析了加劲肋厚度、混凝土强度、钢材强度、加劲肋开孔直径和间距等参数对轴压性能的影响,研究了加劲肋厚度与钢管壁厚的匹配关系。根据理论分析和大量有限元参数分析结果,建议了加劲肋厚度与钢管壁厚之比和钢管名义径厚比的取值范围,提出了花瓣形钢管混凝土短柱的轴压承载力计算式。

双层圆钢管混凝土长柱压扭滞回性能试验

为研究双层圆钢管混凝土长柱在压、扭荷载作用下的力学性能,利用研制的Stewart六自由度加载平台,进行了两个普通圆钢管混凝土长柱和两个双层圆钢管混凝土长柱试件在纯扭、压扭作用下的低周往复试验。对比分析了各试件的承载力、扭转变形、耗能、滞回性能,进行了有限元参数分析。研究表明:普通圆钢管混凝土长柱和双层圆钢管混凝土长柱均具有较好的抗扭能力;与普通圆钢管混凝土长柱相比,双层圆钢管混凝土长柱的初始刚度和承载力略有提升,滞回曲线更饱满,耗能能力和延性大幅提升;参数分析表明含钢率一定时,内层钢管径厚比越大,对抗扭越有利;一定范围内的轴向荷载,可提高钢管混凝土柱的抗扭能力。

局部环向变厚度方钢管混凝土柱偏压力学性能研究

针对海洋环境中飞溅区造成的钢管混凝土柱局部环向腐蚀现象,采用机械削减方式模拟钢管壁厚局部环向腐蚀,进行了7个方钢管混凝土柱偏压试验,揭示了削弱率和偏心率对其偏压承载力的影响,并通过数值模拟对削弱率进行拓展分析.提出了基于削弱率的偏压承载力降低系数,代入中、美规范进行偏压承载力计算.结果表明:钢管的局部环向变厚度严重削弱了方钢管混凝土柱的偏压承载力和侧向挠曲能力;较大的加载偏心率也降低了其偏压承载力,但增大了其侧向挠曲能力.引入偏压承载力降低系数后,根据中、美规范计算得到的偏压承载力与试验值均吻合较好;相比于我国规范,美国规范在计算偏压承载力时相对更加保守.

大跨度上承式钢管混凝土拱桥受力性能分析

研究目的:为系统地掌握西北地区大温差、峡谷风、高震区共存的复杂建设条件下上承式钢管混凝土拱桥的力学性能,以一座净跨400 m的公路同类型拱桥为例,按照现行设计规范,采用统一模量法建立三维杆系有限元模型,对概率极限状态设计方法要求的静力性能、稳定性、动力特性、抗震性能的组合工况进行全面、系统地分析和计算,为同类型桥梁设计提供参考。研究结论:(1)温度效应大于汽车荷载效应,拱脚处横风效应突出;(2)双向偏压、偏拉组合受力为单弦杆控制设计状态,拱顶为桁式拱肋承载力的薄弱位置;(3)腹杆、横撑、平联等构件与弦杆构造匹配性较好时,承载力及疲劳性能等易满足受力需求;(4)温度、徐变预拱度比车道荷载大很多;(5)主拱圈在材料、几何、双重非线性下稳定性分别下降了5.5%、11.9%、17.1%;(6)振型相对密集、频率值较小,主振型为面外弯扭振动,具有多方向和多角度耦联性;(7)时程分析结果大于反应谱分析结果,但小于静力工况,拱桥抗震性能好;(8)上承式钢管混凝土拱桥在复杂建设条件下具有良好的受力性能。

集中荷载作用下弹性支撑矩形钢管混凝土翼缘工字形梁稳定性能研究

为研究弹性支撑刚度对矩形钢管混凝土翼缘工字形梁稳定性能的影响,开展了集中荷载作用下3根带有不同弹性支撑刚度的矩形钢管混凝土翼缘工字形梁的稳定性能试验,研究试验梁的位移及应变的变化规律,获得梁的失稳形式和稳定承载力。试验结果表明,整个加载破坏过程分为三个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段,3根试验梁均发生整体弯扭屈曲失稳。随着弹性支撑刚度增加,梁稳定承载力增大,验证了设置弹性支撑可有效地提高该梁的稳定承载力。在试验基础上,利用ANSYS有限元软件对该梁进行非线性屈曲分析,将获得的稳定承载力与试验结果进行对比,误差均小于5%,从而验证有限元分析方法的正确性。最后,研究了混凝土强度、上翼缘含钢率和腹板高厚比等参数对该类梁稳定性能的影响规律。研究表明,增大上翼缘钢管含钢率和减小腹板高厚比均可明显提高该类梁的稳定承载力,而增强混凝土强度对梁的稳定承载力提高较小。

新型波纹管连接方钢管混凝土拼接柱抗震性能试验研究

为研究一种新型波纹管连接方钢管混凝土拼接柱的抗震性能,以不同节点配筋率、不同节点锚固长度和轴压比为主要研究变量,对1个整浇柱和4个装配柱进行低周往复加载试验。研究分析了整浇柱与装配柱在破坏模式、滞回性能、位移延性等方面的抗震性能差异。结果表明:装配柱与整浇柱破坏模式类似,采用不同节点构造的装配柱与整浇柱在滞回曲线、骨架特性和刚度退化等方面差异不大,装配柱的耗能性能优于整浇柱。各装配柱极限位移角为1/16.7~1/25,满足规范设计要求。在较大轴压比下,装配柱的承载力提升,延性降低。在较大位移角下,装配柱节点抗震性能受焊缝质量的影响较大,建议实际工程中加强焊接质量管理,以保证构件具有足够的变形能力。

矩形钢管混凝土束风机塔筒风振特性研究

随着风电资源优势区开发逐渐饱和,风电开发的重心开始向风资源条件相对恶劣的低风速地区转移,分布式、大功率、高塔筒和长叶片已经成为风电行业发展趋势。基于此提出了一种新型的矩形钢管混凝土束风机塔筒,该塔筒由矩形钢管混凝土束拼接而成,具有强度高、刚度大和耗能能力强的优点。为研究该塔筒结构的风振响应特性,选用Kaimal脉动风速功率谱,采用谐波合成法模拟风荷载时程曲线,对其进行了动力时程分析,并计算了风振系数及等效静力风荷载。结果表明:该新型塔筒在额定风速下位移塔顶位移最大值为911.84 mm,对应的水平位移角为1/154,符合规范要求。塔筒各构件的强度较好,且具有较大的安全富余度。基于位移等效的阵风荷载因子法计算得到的风振系数值较低;在惯性风荷载法计算得到的等效静力风荷载作用下,结构位移、基底剪力与结构随机振动分析得到的基本一致。

新型钢管混凝土枕式无砟轨道动力响应试验研究

采用钢管混凝土构件连接轨枕块形成钢管混凝土轨枕,基于钢管混凝土轨枕设计城市轨道交通用钢管混凝土枕式无砟轨道结构。为掌握钢管混凝土枕式无砟轨道结构在城市轨道交通列车运行条件下的力学性能,验证结构设计的安全性、合理性,分别在减振地段、普通地段铺设钢管混凝土枕式无砟轨道,通过行车试验,测试分析不同列车行驶速度下无砟轨道钢轨、轨枕、道床结构的动力响应。研究结果表明:在列车车速为40、60和80 km/h运行条件下,轮轨垂向力最大值为86.18 kN,横向力最大值为13.99 kN,脱轨系数最大值为0.21,轮重减载率最大值为0.23,测试值均明显小于相应的安全限值,无砟轨道结构满足行车安全性要求;在列车动荷载作用下,钢管混凝土轨枕钢管压应力最大值为3.55 MPa,拉应力最大值为3.77 MPa;轨枕块压应力最大值为1.32 MPa;道床钢筋压应力最大值为2.30 MPa,拉应力最大值为3.54 MPa;道床底压应力最大值0.22 MPa。这些动力响应结果均满足材料的的限值,表明结构保持了良好的力学性能,结构设计合理可行。

爆炸荷载下预制节段拼装双层钢管混凝土墩柱的动力响应数值模拟

为提升装配式公路桥梁的抗爆防护能力,提出了一种新型预制节段拼装双层钢管混凝土(PS-CFDST)组合墩柱.基于非线性显式动力分析程序LS-DYNA建立了新型PS-CFDST墩柱在爆炸荷载作用下动力响应分析的精细有限元模型,并通过已有试验结果验证了模型的准确性.对爆炸荷载作用下PS-CFDST墩柱的动力响应进行数值模拟分析,研究了PS-CFDST墩柱在爆炸荷载作用下的破坏过程、损伤机理和耗能机制.运用参数化分析方法,研究了爆炸距离、节段数量和预应力水平等关键参数对PS-CFDST墩柱动力响应的影响,并在此基础上提出了PS-CFDST墩柱的抗爆设计建议.结果表明:PS-CFDST墩柱除通过材料塑性损伤耗能之外,节段接缝界面滑移耗能机制对耗能贡献可达40%以上;增大墩柱可接近距离是提升墩柱抗爆安全性的有效手段,增大预应力有利于减小柱中最大水平位移和墩底剪切滑移,从而提升PS-CFDST墩柱的抗爆性能.

大高宽比矩形钢管混凝土柱压弯性能研究

为了研究大高宽比矩形钢管混凝土柱的压弯性能,对大高宽比钢管混凝土短柱进行偏压试验并结合有限元模拟补充了4组试件进行对比,包括不同偏心率、高宽比、钢管壁厚度、截面尺寸情况下柱性能的对比分析。最后参考常用的4本国内外规范进行柱承载力计算,对比并判断现有规范是否适用。结果表明:试件破坏模式均为长边鼓曲,当荷载小于极限承载力的80%时,横截面高度上的应变分布服从平截面假定;随着偏心率增大,柱延性提升,在偏心率超过0.205后,柱延性开始下降;随着壁厚增加,柱延性提升,在壁厚达到8 mm后,柱延性开始下降;随着高宽比提升,柱延性降低;随着截面尺寸增大,在壁厚不变的情况下,柱延性降低,在壁厚等比例增大时,柱延性变化不大;随着高宽比、截面尺寸、钢管壁厚度的增大,柱承载力提升;随着偏心率升高,柱承载力降低;参考规范JGJ 138—2016对大高宽比钢管混凝土柱偏压承载力的计算更为准确。

冲击荷载下内配圆形钢管混凝土的方形叠合柱剩余承载力研究

为研究内配圆形钢管混凝土方形叠合柱侧向冲击后剩余承载力性能,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了叠合柱冲击后受压承载力数值模型。对经典侧向冲击试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好地模拟结构柱的破坏形态、冲击力和挠度。基于该模型研究了不同参数下叠合柱侧向冲击后剩余承载力特性,对比了未遭受冲击叠合柱轴心受压承载力,分析两者轴压极限承载力差异,并提出损伤程度评价指标(D_(dag)),量化分析了剩余承载力。结果表明:侧向冲击后叠合柱进行轴压加载直至破坏时易发生弯剪破坏,所消耗的能量相比于未遭受冲击叠合柱降低较多;在相同冲击条件下,冲击速度、轴压比和长细比对叠合柱耐冲击性能和冲击后剩余承载力影响最为显著和全面,而边界条件和钢管壁厚影响较小,但也不可忽视;基于损伤程度评价指标(D_(dag))及对应的损伤描述,可以快速地判定叠合柱的损伤程度,为结构安全提供应对策略。

火灾后高强钢管混凝土柱轴压的参数化分析

为研究不同参数对火灾后高强钢管混凝土柱受轴压时的性能影响,利用ABAQUS有限元软件模拟火灾后高强钢管混凝土柱轴压模型,对该构件以钢管屈服强度、受火时间、混凝土强度为主要参数进行承载力-位移曲线分析,并剖析火灾后高强钢管混凝土柱典型曲线。结果表明:随着钢管屈服强度和混凝土强度增大,构件极限承载力增大;随着受火时间增加构件极限承载力出现下降趋势;从整体上看,受火时间分别为60、90、120 min时,构件中的混凝土承担主要载荷。

中空波纹夹层钢管混凝土柱抗震性能拟静力试验研究

为了研究中空波纹夹层钢管混凝土柱的抗震性能,以轴压比、空心率、长细比和截面形式为试验参数,开展了中空波纹夹层钢管混凝土柱的拟静力试验,分析了试件的破坏模式、承载能力、延性与耗能能力、刚度退化和强度退化等性能指标.结果表明:中空波纹夹层钢管混凝土柱的水平承载力较高,滞回曲线饱满,无明显捏缩现象,延性和耗能能力良好,同级循环荷载作用下性能稳定;试件的破坏模式为延性破坏,具体表现为柱底钢管鼓曲变形、混凝土压溃、局部缺陷处管壁撕裂;空心率较小的试件承载力较高,耗能能力较强;当长细比由20增至30时,试件位移延性系数降低了47.49%,承载力也明显下降;随着轴压比的增大,试件耗能能力逐渐降低.