基于统一理论的配筋钢管混凝土柱承载力研究

尽管配筋钢管混凝土(R-CFST)构件因其优越的力学性能越来越引起工程界的重视,但其承载力计算方法仍存在不合理之处。为此,采用非线性数值模拟方法研究R-CFST短柱基于统一理论的承载力。首先基于既有模型修正得到适合R-CFST的混凝土本构模型和非线性数值模拟方法,并用试验数据验证模型的可靠性;然后基于统一理论修正得到R-CFST的套箍指标,再以套箍指标为参数分析了108个试件模型;最后给出基于统一理论的R-CFST短柱承载力公式。结果表明:R-CFST的承载力随套箍指标的变化规律与常规钢管混凝土(CFST)相似,呈二次抛物线关系,而其塑性变形能力优于常规CFST;所提出公式的形式与规范公式相匹配,计算结果安全、可靠,符合工程实际。

箍筋对方形配筋钢管再生混凝土受力性能的影响机理

为探究再生骨料100%取代率时方形配筋钢管再生混凝土(R-RACFST)箍筋的影响机理,以箍筋形式和间距为变量,进行了轴压试验,分析了破坏模式、荷载位移、荷载应变、延性和断裂韧性。结果表明:所有试件均呈现多折腰鼓破坏,与钢管混凝土(CFST)试件相比,钢管再生混凝土(RACFST)试件的承载力、延性和断裂韧性分别降低7.77%、35.31%和15.30%;与RACFST试件相比,R-RACFST试件的承载力、延性和断裂韧性最大可分别提高25.63%、123.76%和56.35%。箍筋形式和间距对峰值荷载前的受力性能无显著影响。与平行式箍筋相比,螺旋式箍筋展现了更优越的延性和断裂韧性。随着箍筋间距的减小,试件的延性、断裂韧性更为优越。本文推荐的计算公式可以较安全地预估试件承载力。

配筋对方钢管再生混凝土短柱轴压性能的影响

为了明确再生粗骨料100%替代率下配筋对方钢管再生混凝土短柱(recycled aggregate concrete-filled tube,RACFST)轴压性能的提高作用,进行了试验研究。以5种配筋率为变化参数设计了5组配筋方钢管再生混凝土(reinforcement and recycled aggregate concrete-filled steel tube,R-RACFST)试件,同时设计相应的钢管混凝土(concrete-filled steel tube,CFST)与钢管再生混凝土(RACFST)试件作为对照组。通过分析配筋率对破坏模式、受力性能、延性、刚度退化和屈强比等关键力学特性的影响规律,发现钢筋笼对核心混凝土产生二次套箍效应,因而明显改善核心再生混凝土的脆性;在一定配筋率范围内,配筋对提高构件极限承载力和延性等力学性能有显著贡献,并在一定程度上延缓再生混凝土的刚度退化。结果表明:配置适量钢筋可将再生粗骨料替代率提高到100%并能保证R-RACFST具有较好的结构适用性;推荐配筋率合理范围为1.34%~3.02%;现行规程可计算再生粗骨料100%取代率下的R-RACFST承载力,但计算结果过于保守;修正得到R-RACFST承载力计算公式,其结果与试验值更吻合,结果稳定可靠。

木核心钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

为探索木核心对实心和空心钢管混凝土柱(CFST和H-CFST)受力性能的改善作用,进行了试验研究。设计了与CFST和H-CFST对应的空心夹层钢管混凝土、空心配筋钢管混凝土以及圆形和方形木核心钢管和配筋钢管混凝土(T-CFST和T-RCFST)试件,并进行轴压试验。通过对各试件的破坏模式、断裂韧性、延性、组合效应和承载力等特性的综合分析,发现T-CFST和T-RCFST的力学性能明显优于对应的空心构件并接近于对应的实心构件,并给出承载力计算公式。研究结果表明,CFST内配置木核心是可行的;T-CFST有助于改善CFST的自重大和H-CFST的脆性大等问题,配筋则可进一步提升TCFST的受力性能;本文给出的公式可预估T-CFST和T-RCFST短柱的轴压承载力。

配筋钢管混凝土短柱中环向箍筋的受力机理

通过轴压试验和数值模拟手段,研究了箍筋对配筋钢管混凝土轴压短柱(R-CFST)力学性能的影响机理及承载力计算方法,旨在提出R-CFST设计方法和了解R-CFST施工时能否适当减少箍筋用量以降低成本。试验参数有平行式和螺旋式两种箍筋形式,其中,平行式箍筋有3种间距,共准备4组、8根R-CFST和3根钢管混凝土试件。试件在受力性能、承载力、断裂韧性、延性、套箍效应和破坏模式等方面的分析结果表明:构件在最大荷载前的受力特性和承载力与箍筋间距和形式无关,承载力计算时可不予考虑;平行式箍筋纵向间距的变化不会对构件的力学性能产生明显影响,因而推荐使用较大的箍筋间距以获得较好的经济效益;螺旋式箍筋有助于提高构件最大荷载后的受力性能,尤其是对延性的提高作用更为显著,因而推荐使用螺旋式箍筋以获得构件较好的延性和抗震性能。在试验结果的基础上,进行了数值分析研究,提出了可靠和有效的核心混凝土本构方程和此类构件的数值模拟方法,结合模拟结果进一步验证了试验结论的准确性。最后,研究了R-CFST的承载力计算方法,发现美国规范给出的公式过于保守,提出了与中国规范的设计习惯相匹配的R-CFST承载力计算公式,与试验结果对比分析表明提出的公式可以用于工程设计。

纵筋配筋率对配筋钢管混凝土柱受压性能的影响

为选用合适的纵筋配筋率,以提升配筋钢管混凝土(R-CFST)柱的受压性能,制作5组不同配筋率的R-CFST(每组2根)和3根钢管混凝土(CFST)试件进行轴压试验,对比分析其破坏模式、整体受力特性、钢管受力特性、断裂韧性、强度因子。并根据相关试验数据对多国已有或修正后的规范承载力公式进行评估。结果表明:R-CFST的各项力学性能均显著优于CFST;随着配筋率的增大,R-CFST破坏形态由剪切破坏转变为多折腰鼓形破坏,峰值荷载和塑性性能增大,断裂韧性和强度因子反而趋于降低;综合考虑试验结果,推荐配筋率合理范围为1.32%~3.5%。评估R-CFST的承载力时,美国规范承载力公式较为保守,修正后的欧洲规范承载力公式偏危险,修正后的我国和日本规范承载力公式能较好地评估R-CFST的承载力。

同含钢率钢管与配筋钢管混凝土柱的受力性能分析

为阐明含钢率对构件的力学特性的影响规律,基于有限元分析方法研究了配筋钢管混凝土(reinforced concrete-filled steel tube,R-CFST)和钢管混凝土(concrete filled-steel tube,CFST)短柱的轴压性能。首先建立了适合R-CFST的材料本构模型和分析方法并用既有的实验数据验证模型的可靠性,之后进行了36根6种不同含钢率的R-CFST和对应的CFST有限元分析,通过分析荷载-位移响应、承载力、单位面积钢材对构件承载力提高量和延性等指标,最终发现:当混凝土强度较低时,含钢率越低CFST的承载力和延性比同含钢率R-CFST高,但随着混凝土强度的提高,含钢率越大反而使得R-CFST的性能得以显著提高;单位面积R-CFST纵筋对承载力的贡献率都大于单位面积的CFST钢管的贡献率,而且随着混凝土强度的提高R-CFST的这种贡献更为明显;填充高强度混凝土时,R-CFST比CFST更有效。由此得出结论:CFST内配筋比增加钢管壁厚更有效,尤其是填充高强度混凝土时配筋的效果更为明显。

配筋薄壁钢管高强混凝土柱的轴心受压性能研究

为了探索配筋对薄壁钢管高强度混凝土柱轴心受力性能的改善机理,进行了18根试件的轴心受压试验。试验中设计了2种混凝土保护层厚度的配筋钢管混凝土及对应的钢筋混凝土、钢管混凝土和素混凝土等6组试件,以弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破坏阶段的荷载与位移或荷载与应变关系、承载力、套箍系数为评价参数,研究了此类构件的基本力学特性,并发现:核心混凝土内配置钢筋后采用薄壁钢管是可行的;要提高钢管混凝土的工作性能,配置钢筋的效果明显优于增加钢管壁厚的效果。最终提出了适合此类构件的承载力计算公式。

配筋圆钢管再生混凝土短柱箍筋的作用机理

为探究100%再生粗骨料取代率下配筋钢管再生混凝土(R-RACFST)短柱中箍筋的作用机理,以箍筋形式和间距为变量,进行了轴压试验,分析了破坏模式、受力响应、延性、断裂韧性和套箍作用等,结果表明:无论采用何种箍筋形式和间距,此类构件破坏模式均表现为剪切破坏;R-RACFST各力学性能均优于钢管再生混凝土(RACFST);箍筋形式和间距对构件峰值荷载前的受力性能、承载力和套箍作用无显著影响;就形式而言,螺旋式箍筋的延性和断裂韧性更为优越;就间距而言,随着箍筋间距的减小,构件的延性、断裂韧性更为优越。因此,就轴心受压承载力而言,求解时可不考虑箍筋形式和间距的影响,而为了获得更好的能量吸收和塑性变形性能,还是推荐采用较小间距的螺旋式箍筋。

不同壁厚钢管再生混凝土短柱轴压力学性能研究

为了明确100%再生骨料取代率下钢管壁厚对钢管再生混凝土短柱(RACFST)受力性能的影响规律,开展了试验研究.分别设计了10根圆形截面的钢管混凝土试件(CFST)和RACFST试件并进行轴压试验.根据试验结果进行了对比分析,研究了钢管壁厚对破坏模式、荷载位移和荷载应变曲线、刚度、断裂韧性、延性、离散性等关键指标的影响机理,同时对承载力计算方法进行了探讨.结果表明:壁厚的增加能有效改善RACFST的力学性能并降低其性能的离散性;随着单位含钢率的增加,CFST和RACFST的承载效率趋于劣化;随着钢管壁厚的减少,规范公式承载力预测可靠度降低.最终,推荐圆形截面RACFST承载力计算公式,并验证了其准确性和稳定性;推荐套箍系数合理的取值范围为1.22~1.41.

配筋增强钢管混凝土柱尺寸效应和承载力分析

进行了不同尺寸配筋增强钢管混凝土(R-CFST)短柱的轴压试验,旨在明确尺寸效应对受力性能的影响及R-CFST短柱承载力计算方法。将横截面的尺寸作为主要变化参数,制备了大尺寸和小尺寸两组试件,其中对应每一组包括两根R-CFST重复试件,为了对比分析同时准备对应于R-CFST的普通钢管混凝土(CFST)试件。对大、小尺寸试件的破坏模式、受力、刚度、约束效应和承载力等特性开展对比分析,结果表明:套箍系数因径厚比而产生的尺寸效应对以上性能指标产生显著影响;可以忽略R-CFST箍筋的贡献而将承载力的提高归因于纵筋,依此修正规范CFST公式给出R-CFST的统一理论公式,新公式的结果同样偏安全且稳定。

钢筋增强钢管混凝土短柱的轴心受压性能

为了探究混凝土强度对钢筋增强钢管混凝土短柱(R-CFST)轴压性能的影响规律,进行了试验研究.试验中,将混凝土的强度等级作为主要参数,制备了6种混凝土强度的R-CFST、钢管混凝土和普通钢筋混凝土等54根圆形截面短柱试件.根据试验结果,分析了混凝土强度对受力性能、破坏模式、延性、套箍效应和峰值荷载的影响.结果表明:由于钢筋的贡献,R-CFST轴压性能的退化不随混凝土强度的提高而增加,具有较好的塑性性能;钢筋对R-CFST延性、套箍效应和强度的改善随混凝土强度的提高而变得更加明显;混凝土强度的提高不造成破坏模式的改变;高强度混凝土填充时配置适量钢筋可以有效增强R-CFST的受力性能;给出的计算公式能合理计算R-CFST承载力.

配筋圆钢管再生混凝土短柱轴压试验研究

为探明再生粗骨料100%取代率下配筋对圆形钢管再生混凝土(RACFST)短柱受力性能的改善作用,进行了以不同纵筋配筋为参数的配筋RACFST(R-RACFST)的轴压试验。对比分析破坏模式、荷载-位移曲线、刚度、屈强比和组合效应等关键力学特性后发现:钢管与钢筋骨架的双重约束作用能有效改善核心再生混凝土的脆性,明显提升峰值荷载和塑性变形能力,有效减缓刚度退化;就屈强比与组合效应而言,并非配筋率越大越好,在一定配筋率范围内时,可使构件各部分组合效应更好,并能充分发挥钢筋的性能。由此得出结论:配置少量钢筋既可保证构件在再生骨料取代率100%时的各项力学性能,又可达到再生骨料100%利用的目的;推荐R-RACFST合理配筋率范围为0.84%~3.9%;修正的承载力计算式稳定可靠。

配筋方钢管混凝土柱纵筋配筋率的试验研究

为了明确配筋方钢管混凝土(R-CFST)柱的纵筋对其轴心受压性能的影响规律,以5种纵筋配筋率为变化参数,对13根(包括5种配筋率的10根R-CFST和3根方钢管混凝土)短柱试件进行了轴心受压试验。以受力性能、承载力、塑性变形能力、破坏模式、延性和组合效应等为评判标准,分析了试验数据,探索了R-CFST轴压柱纵筋配筋率的设计规则。结果表明:配筋对R-CFST轴压柱受压性能影响明显,纵筋配筋率过小得不到配筋带来的构件性能上的提升,配筋率过大会导致构件因组合效应和延性性能降低而得不到充分利用、产生材料浪费。因此,要获得性能和经济上合理的R-CFST轴压柱,其合理的纵筋配筋率取值范围推荐为1.54%~3.1%;由于配筋率对承载力的影响明显,此类构件的承载力计算方法必须充分考虑纵筋的贡献,从而提出了物理意义明确、形式简单且与现行规范统一理论公式匹配的R-CFST短柱轴压承载力计算公式。