Experimental research on mechanical properties of prestressed truss concrete composite beam encased with circular steel tube

Tests of 4 simply supported unbonded prestressed truss concrete composite beams encased with circular steel tube were carried out. It is found that the ratio of the stress increment of the unbonded tendon to that of the tensile steel tube is 0.252 during the using stage,and the average crack space of beams depends on the ratio of the sum of the bottom chord steel tube's outside diameter and the secondary bottom chord steel tube's section area to the effective tensile concrete area. The coefficient of uneven crack distribution is 1.68 and the formula for the calculation of crack width is established. Test results indicate that the ultimate stress increment of unbonded tendon in the beams decreases in linearity with the increase of the composite reinforcement index β0. The pure bending region of beams accords with the plane section assumption from loading to failure. The calculation formula of ultimate stress increment of the unbonded tendon and the method to calculate the bearing capacity of normal section of beams have been presented. Besides,the method to calculate the stiffness of this sort of beams is brought forward as well.

圆钢管型钢再生混凝土组合柱滞回性能非线性有限元分析

基于圆钢管型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验研究,采用OpenSees软件对该组合柱进行了滞回性能数值分析,获取了组合柱的滞回曲线及抗震性能指标,并与试验结果进行了比较,验证了组合柱数值模型的合理性。在此基础上,对组合柱的滞回性能开展了参数影响分析。结果表明:再生骨料取代率从0增大到100%,组合柱的峰值荷载下降了7.78%,延性略有降低;提高再生混凝土强度、型钢强度及圆钢管强度,对于提升组合柱的承载力及刚度是有利的,但却使组合柱的脆性增大;随着轴压比的增大,组合柱的承载力呈现先上升后下降的趋势,而延性逐渐变差;型钢配钢率从5.54%增至9.99%,组合柱的峰值荷载提高了24.34%,但对于改善组合柱的延性不明显;增大钢管壁厚对组合柱的承载力和延性均是有利的。

内置工字型CFRP型材高强圆钢管高强混凝土轴压短柱组合效应分析

目的 研究内置工字型CFRP型材的高强圆钢管高强混凝土短柱在轴心压力作用下三种材料的组合效应。方法 采用有限元分析软件ABAQUS对其进行数值模拟,通过相关试验验证模型的准确性,并对典型构件的破坏形态、受力全过程曲线进行分析,揭示构件各组成部分之间的相互作用和工作机理,评估CFRP配置率、钢材屈服强度、混凝土抗压强度、约束效应系数对组合效应的影响。结果 在高强圆钢管高强混凝土柱中内置CFRP型材,对构件的延性及安全裕度有显著提高,并改善了高强圆钢管对高强混凝土的约束,提高了构件的组合效应。结论 CFRP配置率控制在5.9%~8.4%,约束效应系数在1.2~1.4,钢材屈服强度不大于770 MPa时,构件中三种材料组合效应最佳。

圆钢管型钢再生混凝土组合柱水平承载力计算方法研究

通过对11个圆钢管型钢再生混凝土组合柱进行低周反复荷载试验,分析再生粗骨料取代率、型钢截面形式、轴压比、型钢配钢率及圆钢管壁厚参数对组合柱水平承载力的影响规律;观察了组合柱的破坏形态及特征,研究了圆钢管、型钢翼缘及腹板应变的发展规律,分析了组合柱的地震破坏特征。研究表明,在水平地震作用下组合柱发生典型的压弯塑性铰破坏。在此基础上,结合现有规范提出了基于叠加原理的圆钢管型钢再生混凝土组合柱水平承载力计算方法。计算结果表明,其水平承载力计算值与试验值吻合度较好,能较为准确地预测组合柱的水平承载力。

反复荷载下圆钢管型钢再生混凝土组合柱耗能能力及延性分析

对11个圆钢管型钢再生混凝土组合柱试件进行了低周反复荷载试验,观察了组合柱的破坏形态及特征,获取了组合柱的滞回曲线、等效粘滞阻尼系数、延性系数及侧向位移角等性能指标,分析了再生粗骨料取代率、型钢截面形式、轴压比、型钢配钢率和圆钢管径厚比等参数对组合柱耗能能力及延性的影响规律。结果表明:反复荷载作用下组合柱呈压弯塑性铰破坏模式;组合柱的荷载-位移滞回曲线饱满呈纺梭形,屈服位移后的等效粘滞阻尼系数在0.30~0.48之间,平均位移延性系数大于3.0,极限侧向位移角介于1/30~1/20之间且均大于规范限值1/50,组合柱表现出良好的耗能能力和延性。此外,组合柱的耗能能力和延性受再生粗骨料取代率的影响较大,全再生混凝土较普通混凝土耗能能力下降14.5%;增加钢管壁厚或型钢配钢率有利于提升组合柱的耗能能力和延性,而增大轴压比则对组合柱的延性和变形不利;内置型钢采用箱型截面时,组合柱耗能及延性最优,与工字型钢相比,采用箱型截面型钢的组合柱耗能能力和延性分别提升了23.5%和51.9%。

内置工字形CFRP的高强圆钢管高强混凝土纯弯构件抗弯刚度研究

目的研究内置工字形CFRP型材高强圆钢管高强混凝土纯弯构件的抗弯刚度,为该类构件的设计和工程应用提供参考。方法设计3个CHCFHST-CFRP构件,对其进行纯弯试验;应用ABAQUS有限元软件建立了纯弯构件数值模型,在数值模拟结果与试验结果吻合的基础上,分析各参数对构件抗弯刚度的影响;并且推导了适用于纯弯构件的抗弯刚度和挠度计算公式。结果试件均未出现断裂,钢管也未产生局部鼓曲,卸载后纯弯段有明显回弹;随着混凝土强度、钢管壁厚和型材尺寸的增长,构件抗弯刚度略有增长;与未配置CFRP型材的构件相比,配置CFRP型材后构件的抗弯刚度有了明显的增长。结论试件整体呈弯曲破坏模态,具有良好的变形能力,具有较强的耗能能力及刚度退化能力;利用笔者推导的公式得到的计算值与试验结果吻合较好,公式可用来计算此类构件的抗弯刚度与挠度。

圆形截面钢管混凝土受弯构件塑性发展系数的双因素计算模型研究

为了综合考虑截面几何和材料特性对圆形截面钢管混凝土(CFST)受弯构件抗弯强度的影响,选择截面厚径比和材料强度比作为自变量,研究建立了圆CFST受弯构件截面塑性发展系数的二元函数计算表达,并建立了截面抗弯强度计算模型。首先在确定厚径比和强度比取值范围的基础上,设计1 656个圆CFST受弯构件的数值模型,利用纤维模型法计算确定每个构件的截面抗弯强度和塑性发展系数。然后选择截面钢管壁厚与外径之比、钢管强度与核心混凝土强度之比作为自变量,通过回归分析建立圆CFST构件的截面塑性发展系数的二元函数表达式,据此提出了圆CFST构件截面抗弯强度的计算模型。最后通过与试验数据、现行设计规范和研究文献中不同计算模型进行对比分析,验证了建立的圆形截面钢管混凝土受弯构件的截面塑性发展系数和抗弯强度计算模型具有更高的精度和适用性。

细长焊接圆钢管轴心受压稳定承载力研究

为研究细长焊接圆钢管轴压稳定性能,对30根试件进了轴压试验,分析了试件失稳变形的特征,比较了试件的稳定系数与我国规范中稳定曲线的关系,并考虑钢管几何初始缺陷和残余应力对其稳定承载力进行了有限元分析。研究表明:细长焊接圆钢管的几何初始缺陷具有较大离散性,与我国规范规定值不同,正则化长细比在1.0~1.3区间时,试验得到的稳定系数低于规范值,最大相差-24.4%;几何初始缺陷小于1/500杆长时,可采用规范值进行设计;而几何初始缺陷大于1/500杆长时,建议重新制定压杆曲线。最后,给出了细长焊接圆钢管在8种初始缺陷下的压杆稳定曲线。

新型开洞圆钢管混凝土柱-混凝土梁连接节点受力性能研究

传统的钢-混凝土混合结构的圆钢管混凝土柱-混凝土梁连接节点存在钢筋交错、纵横向需与钢构件避让或开孔等情况,节点构造复杂,施工难度较大,连接节点成为钢-混凝土混合结构的设计及施工难点。对此提出了新型开洞圆钢管混凝土柱-混凝土梁连接节点,并结合近年来采用钢-混凝土混合结构的项目经验,对该类节点进行有限元分析,研究了柱顶轴压力和柱端水平力对节点各部分构件受力性能的影响,结果表明,柱顶轴压力的变化显著影响了圆钢管混凝土柱钢管开洞位置各构件的应力,且偏心力对圆钢管混凝土柱承载力有一定的折减。最后考虑到钢管壁开洞对圆钢管混凝土柱存在一定程度的削弱,采用了四种加强措施,分析了四种加强措施下钢管荷载-应力曲线,结果表明,开洞位置钢管壁加厚效果最为显著,设置内环板对缓解应力集中效应也有一定的效果,设置竖向断开加劲肋与设置竖向连续加劲肋荷载-应力曲线基本一致,考虑到设置竖向断开加劲肋所需钢材更少,认为设置竖向断开加劲肋具有较为显著的优越性。

圆形钢管混凝土柱轴压承载力及承载力组成研究

为了研究相互作用下圆形钢管混凝土(circular concrete-filled steel tube,CCFST)柱中钢管和混凝土各自的承载力贡献,通过ABAQUS软件中的VUMAT子程序导入一种新的混凝土材料本构,建立了能够反映CCFST柱中钢管和混凝土相互作用的三维有限元模型,并通过试验数据验证了模型的荷载-位移曲线、钢管和混凝土的荷载-变形曲线以及侧向变形曲线。在此基础上分析了混凝土强度、钢管屈服强度、径厚比以及套箍系数对CCFST柱承载力及其组成的影响。然后结合有限元模型推导了CCFST柱在轴压荷载下峰值承载力的数学模型,模型中提出的钢管环向应力比例系数和混凝土承载力贡献系数可以评估钢管和混凝土的受力状态。将计算模型与现行规范及现有研究进行对比,发现提出的计算公式具有良好的计算精度,且可以评估钢管和混凝土各自的承载力贡献。

圆钢管再生镍铁渣混凝土柱冲击性能试验

为研究掺镍铁渣钢管再生混凝土柱抗冲击性能,以粗骨料替代率、轴压比、落锤质量及冲击能量为变化参数,设计并制作了11根圆钢管再生混凝土柱。通过落锤冲击试验,得到了试件的破坏形态、位移时程曲线及冲击力时程曲线,研究了轴压比、粗骨料取代率、冲击能量和落锤质量对钢管再生混凝土柱侧向冲击性能的影响。结果表明:钢管再生混凝土柱抗冲击性能良好,能量吸收率基本恒定在67%左右;与取代率为0%相比,再生粗骨料取代率为30%时,试件跨中挠度平均降低8.9%;再生粗骨料取代率为70%时,试件跨中挠度平均降低11.4%;随着冲击能量的增加,试件跨中残余位移显著增大;轴压比在0~0.4以内,轴向力对钢管再生混凝土抗冲击性能有提高作用;落锤质量由330 kg增加至430 kg,冲击持续时间增加16%;套箍系数增大,跨中挠度减小。

钢管再生混凝土偏压柱受力性能及承载力计算

为了研究钢管再生混凝土偏压柱的受力性能,设计15个试件进行静力单调加载试验,考虑了再生粗骨料取代率、长细比和偏心距3个变化参数。观察试件的破坏形态,获取试件受力的全过程曲线,给出截面应变的分布情况,分析各变化参数对钢管再生混凝土偏压柱受力性能的影响,利用相关理论方法计算钢管再生混凝土偏压柱的极限承载能力。研究结果表明:钢管再生混凝土偏压柱与普通钢管混凝土偏压柱的受力过程及破坏形态相似,钢管最终表现为鼓曲破坏;钢管再生混凝土偏压柱具有较高的承载能力和良好的变形性能;偏心距、长细比对钢管再生混凝土偏压柱的受力性能影响显著,而再生粗骨料取代率对其影响不大。

配有圆钢管的钢骨混凝土柱轴压比限值的试验研究

根据配有圆钢管的钢骨混凝土柱正截面承载力的试验结果 ,并从界限破坏时内力的平衡条件出发 ,经理论分析得出了轴压比限值的理论计算公式及实用计算公式。

钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究

为研究钢管再生混凝土柱的抗震性能,设计并制作10根圆形试件进行拟静力试验。考虑再生粗骨料取代率、长细比、轴压比和含钢率等4种变化参数,观察试件受力的全过程和破坏形态,获取滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能性能和刚度退化等各项抗震性能指标,并采用数部相关规程计算低周反复荷载作用下圆钢管再生混凝土柱的压弯承载力。试验研究和计算结果表明:试件破坏过程以及破坏形态均与普通钢管混凝土柱相似,主要表现为钢管底部的鼓曲破坏;试件的滞回曲线比较饱满,滞回曲线的形状从梭形发展到弓形;在现有的取代率参数变化范围内,试件的滞回曲线受其影响不大,基于抗震性能需求,再生混凝土可以应用于工程承重结构之中;试件的位移延性系数大于3;破坏时等效黏滞阻尼系数介于0.305~0.460之间;建议采用规程DL/T5 085—1999用于反复荷载作用下圆钢管再生混凝土柱压弯承载力的设计计算。研究结果可为钢管再生混凝土结构的进一步推广和应用提供参考。

轴心受压下钢骨-钢管混凝土组合短柱承载力研究

目的提出钢骨-钢管混凝土柱的概念.解决钢骨-钢管混凝土组合柱的破坏机理、受力性能问题,合理确定其承载力.方法对3个含钢率不同的轴心受压钢骨-钢管混凝土短柱进行试验,并利用试验研究和理论分析的方法进行了分析.结果通过试验,明确了钢管-钢骨混凝土柱的破坏特征.试验表明,含钢率越大,构件的承载力及延性相应增加.通过理论研究得到承载力的计算公式,计算得出理论值与试验值吻合较好.结论当含钢率大于0.36%时,钢管混凝土柱与其外测的钢骨混凝土能够共同工作直至破坏,其承载力明显高于钢管混凝土核心柱的承载力,根据试验结果推导的钢骨-钢管混凝土柱承载力计算公式,为组合结构的发展提供了一种新的结构型式.

圆钢管高强再生混凝土柱重复加载偏压试验

为研究圆钢管高强再生混凝土柱偏心受压性能,完成了4个试件的单调重复加载试验.4个试件分为两组,第一组试件包括圆钢管普通混凝土柱和圆钢管再生混凝土柱,偏心距100 mm;第二组试件与第一组试件相同,区别在于偏心距为160 mm.通过试验,得到了荷载-位移曲线、荷载-应变曲线、应变沿截面高度分布情况,分析了各试件的破坏特征、承载力、刚度、延性和耗能等.利用国内外相关规程对圆钢管再生混凝土偏心受压柱进行承载力计算,并与试验结果比对.研究表明:圆钢管高强再生混凝土偏心受压柱的损伤破坏过程与普通混凝土柱相似,承载能力和变形性能较普通混凝土试件有所提高;截面应变分布与平截面假定符合较好;随着偏心距增大,试件承载力降低,刚度退化加剧,变形能力增强.

基于刚度退化和滞回耗能的圆钢管混凝土柱损伤模型

由于现有的钢管混凝土柱损伤模型中存在损伤计算不收敛、缺乏对构件不同性能水平量化分析等问题,本文结合64个圆钢管混凝土试件,以试件钢管破坏现象、承载力变化和侧移等指标,建立了钢管混凝土柱试件损坏程度、破坏现象与损伤指数对应关系,并提出基于刚度退化与滞回耗能指标的S-E双参数损伤模型(S与E分别为stiffness和energy的缩写),最后通过低周反复试验试件、低周疲劳试验试件以及一榀框架结构试验试件验证了S—E损伤模型的合理性。结果表明,本文提出的损伤模型计算曲线与试件实际损伤曲线吻合良好,能合理评估构件不同阶段的损坏程度,为进一步研究地震作用下钢管混凝土柱的损伤评估提供参考。

圆中空夹层钢管混凝土柱轴压工作机理研究

利用有限元软件ABAQUS建模,并对圆中空夹层钢管混凝土轴心受压时的荷载-变形全过程关系曲线进行计算,计算结果与试验结果符合良好。同时,对轴压时荷载-变形全过程中内外钢管和混凝土所承担的荷载及其相互作用力进行分析,并对空心率、名义含钢率和材料强度等因素对相互作用力的影响进行分析。

改进贴板加强的钢管受弯连接节点试验研究

由于国家游泳中心多面体空间刚架的杆件与节点之间采用全熔透的对接焊缝连接,为避免焊缝脆性破坏先于钢材破坏,实现"强节点弱构件"的设计思想,确保结构具有良好的延性,有必要对焊缝连接节点进行适当加强。采用低周反复加载方法对改进贴板加强的方钢管及圆钢管杆端受弯连接节点进行试验研究。改进的贴板加强方式对4面围焊的矩形贴板作了两方面的改进:贴板形状由矩形改为下部矩形、上部梯形的形式;取消贴板前端的焊缝,由4面围焊改为3面围焊。研究表明,改进贴板加强方式可有效减少由于焊接引起的母材材性改变所带来的不利影响,节点的破坏形式则由钢材拉裂改变为钢管的局部压曲,节点的耗能能力更强、延性更好。

内配圆钢管的钢骨混凝土核心柱承载性能参数分析

采用非线性有限单元法,考虑钢管对核心混凝土和箍筋对外围混凝土的约束作用,计算了内配圆钢管的钢骨混凝土核心轴压柱完整的荷载-应变曲线,详细分析了纵筋配筋率、箍筋配箍率、混凝土强度和钢骨配骨率等参数对轴压极限承载力和延性的影响,提出了使核心柱达到最佳承载和变形能力的参数范围,可直接应用于工程设计。最后根据所提出的合理参数范围推导了计算内配钢管壁厚的简化公式,从而使内配圆钢管的截面得以优化。工程实例计算表明简化公式具有良好的适用性。