Axial Bearing Capacity of Short FRP Confined Concrete-filled Steel Tubular Columns

The bearing capacity of FRP confined concrete-filled steel tubular （FRP-CFST） columns under axial compression was investigated. This new type of composite column is a concrete-filled steel tube （CFST） confined with fiber-reinforced polymer （FRP） wraps. Totally 11 short column specimens were tested to failure under axial compression. The influences of the type and quantity of FRP, the thickness of steel tube and the concrete strength were studied. It was found that the bearing capacity of short FRP-CFST column was much higher than that of comparable CFST column. Furthermore, the formulas for calculating the bearing capacity of the FRP-CFST columns are proposed. The analytical calculated results agree well with the experimental results.

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。

CFRP包裹带脱空缺陷圆CFST短柱的偏压受力性能

为了获悉碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)条带对带脱空缺陷圆钢管混凝土(concrete filled steel tube,CFST)短柱的修复加固作用,文章通过ABAQUS软件建立了偏压下CFRP包裹带脱空缺陷圆CFST短柱的数值分析模型,并通过现有试验数据验证了模型的准确性,进而分析了偏心率、钢材强度、混凝土强度、径厚比、CFRP强度、CFRP包裹层数及脱空比等关键参数对偏压构件承载力、破坏模式等基本力学指标的影响规律。研究结果表明:偏压下CFRP包裹带脱空缺陷圆CFST短柱的主要破坏模式包括钢管屈曲、CFRP断裂及混凝土压溃;CFRP条带包裹可以明显提高带脱空缺陷CFST短柱的承载力和延性;构件偏压极限承载力随着钢材强度、混凝土强度及CFRP包裹层数的增加而提高,随着脱空比、径厚比及偏心率的提高而降低。研究结果可为CFRP包裹带脱空缺陷圆CFST柱的设计和应用提供科学依据。

钢管混凝土哑铃型短柱极限承载力的等效单圆管算法

哑铃型截面是钢管混凝土拱肋常用的截面形式。本文根据钢管混凝土哑铃型柱轴压与偏压试验,提出了将哑铃型截面等效成单圆管钢管混凝土截面,然后应用钢管混凝土结构设计规程进行极限承载力计算的等效单圆管法。对试件的计算表明,计算值与实验值吻合良好。这个方法概念清晰、计算简单,可供工程应用参考。

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。

实空心钢管混凝土轴压承载力的统一理论和公式

目前关于钢管混凝土轴压承载力的计算理论和方法很多,其中分别有针对实心或空心截面、圆形或方形及多边形的。按"统一理论"的思想,不论截面是实心或空心,圆形或多边形,它们的性质应该是统一且连续的,那么计算公式也应该是完全统一且连续的,而现有的计算方法多针对其中部分截面形式或有不连续的情况。基于此推论,本文在基于厚壁圆筒理论建立的圆形实空心钢管混凝土承载力统一计算公式的基础上,将其进一步扩展到多边形截面上,最终得到可以同时适用于实心和空心,圆形和多边形的轴压承载力统一计算公式。

内配圆钢管的圆钢管混凝土构件耐撞性能分析

内配圆钢管的圆钢管混凝土是一种新型复合形式的组合构件,由圆钢管混凝土内部配置同心位置的圆管,并在内部圆管的内外两侧均浇筑混凝土而形成的构件。基于有限元软件ABAQUS对内配圆钢管的圆钢管混凝土构件在低速横向撞击作用下的耐撞性能进行了数值模拟,数值结果与其他研究者完成的钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土试件的撞击试验数据进行了对比,验证了模型的正确性。采用该模型分析了此类组合构件在横向撞击作用下的动力响应全过程及其典型破坏模态,对影响其耐撞性能的主要影响参数进行了分析,初步得出了各主要影响参数对此类组合构件耐撞性能的影响。参数分析结果表明,提高外钢管的强度及含钢率可以有效地改善该构件的耐撞性能,而混凝土强度的变化对构件耐撞性能的影响很小;增强构件两端的支座约束,可以增强构件的耐撞性能;构件的内外径之比为0.6～0.8时,构件具有较好的耐撞性能。

圆钢管混凝土轴压短柱在长期荷载-氯盐腐蚀耦合作用下的试验研究

研发了用于钢管混凝土轴压短柱在长期荷载-氯盐腐蚀耦合作用下的试验装置和方法。分别进行了7个圆钢管混凝土轴压短柱和4个圆钢管轴压短柱在浓度为3.5%的Na Cl溶液中腐蚀下的长期荷载试验研究。试验结果表明,长期荷载会使试件刚度降低很多,但对其承载力影响相对较小。腐蚀对试件的承载力和刚度的削弱都很大,且对圆钢管试件的削弱程度高于对圆钢管混凝土试件的;持载-腐蚀耦合作用对试件的承载力和刚度的降低都很大,并且对于圆钢管试件,随着持载等级和浸入程度的增大而更加明显。总体而言,对于钢管混凝土试件,持载-腐蚀耦合作用对其承载力和刚度的降低要大于单纯持载作用和单纯腐蚀作用对其承载力和刚度的降低的简单叠加。

CFRP加固火灾作用后圆钢管混凝土构件的侧向撞击性能研究

建立了火灾作用后和碳纤维增强复合材料(CFRP)加固受火后圆钢管混凝土构件的侧向撞击数值模型,通过不同试验分别验证了模型的准确性。分析了加固受火后构件的撞击全过程,对比了构件的撞击力、跨中挠度和截面弯矩。对构件的抗撞击承载力和抗弯承载力,塑性变形和吸能能力,以及内力分布与发展进行了分析,并给出构件在撞击荷载作用下跨中最大挠度简化计算公式,最后讨论了CFRP加固方式对受火后构件撞击性能的影响。结果表明:采用CFRP加固受火后构件的撞击力平台值和平均截面弯矩提高,跨中挠度和撞击持续时间明显减小,CFRP加固对构件的抗撞击性能和抗弯能力提升显著;构件的抗撞击承载力、抗弯承载力和吸能能力随着受火时间的增加逐渐降低;构件在跨中产生不同程度的塑性变形,其主要通过形成塑性铰吸收能量;在峰值阶段构件的弯矩和剪力分布形态与相应静态荷载作用时差异明显,但在平台阶段时其分布形态与静态荷载作用时一致;简化计算公式可以很好地计算构件撞击后的跨中最大挠度,CFRP加固方式对受火后构件的抗撞击性能影响明显。

带圆弓形脱空缺陷的钢管混凝土构件在压弯扭复合受力作用下的滞回性能试验研究

为研究圆弓形脱空缺陷对钢管混凝土试件在压弯扭复合受力作用下抗震性能的影响,进行了16个钢管混凝土试件(包括8个带脱空缺陷试件、6个无脱空试件和2个空钢管对比试件)在恒定轴压力和反复弯扭耦合荷载作用下的滞回试验,主要试验参数为:脱空率、轴压比和弯扭比。基于试验结果,考察了脱空缺陷对钢管混凝土压弯扭试件破坏模态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能能力和应变发展等的影响,结果表明:圆弓形脱空缺陷对钢管混凝土试件滞回曲线的形状影响不大,但会导致其达到极限荷载后的强化段刚度有所降低。试件的承载力、刚度和耗能能力均随着脱空率的增大而有所降低。变化轴压比对带缺陷试件的力学性能影响并不显著,而随着弯扭比的增大,脱空缺陷对试件极限承载力、刚度和耗能能力的影响有趋于显著的趋势,表明相较于受扭作用,脱空对钢管混凝土受弯性能的影响更为显著。

《钢管混凝土结构技术规范》中承载力公式的一致性研究

国家规范《钢管混凝土结构技术规范》(讨论稿)是基于CECS 254:2012、CECS 28:2012和CECS 159:2004等行业技术规程进行制定,相关承载力的计算公式来自不同的规程,公式表达形式差别较大,因此存在一定的兼容问题。为此,对规范中圆形和矩形钢管混凝土承载力计算方法进行系统的研究,分析不同规程的承载力在公式形式和计算精度上的差异性和一致性。结果表明:不同规程的承载力公式虽然在形式上存在一定的差异,但是其内在本质规律相同;通过和大量试验数据的对比,证明了承载力公式的精度都在工程容许的范围内,且总体偏于安全,初步证明国家规范中相关承载力计算方法的一致性和合理性。

带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件拉弯试验和承载力计算方法研究

为研究球冠性脱空缺陷对钢管混凝土拉弯性能的影响机理,完成了24根钢管混凝土试件在拉弯作用下的试验研究,包括16根带球冠形脱空缺陷试件和8根无脱空对比试件,考察了脱空率和偏心率对带球冠形脱空缺陷试件的承载力、拉力-位移关系曲线、弯矩-曲率关系曲线、应变发展的影响规律。试验结果表明:随着脱空率的增大,带脱空缺陷试件的承载力有所降低;随着偏心率的增大,脱空缺陷对钢管混凝土承载力的不利影响趋于显著。建立了带脱空缺陷的钢管混凝土拉弯构件的有限元分析模型,其计算结果和试验结果吻合良好。采用有限元模型对带脱空缺陷构件的工作全过程进行了分析,揭示了脱空缺陷对钢管与混凝土之间相互作用的影响机理,并对脱空率、混凝土强度、钢材强度和含钢率等重要影响因素开展了参数分析,分析结果表明:随着脱空率的增大、钢管混凝土拉弯承载力总体呈线性下降的趋势,降低混凝土强度、提高钢材强度和含钢率对承载力下降幅度的影响并不显著。最后,基于参数分析结果提出了考虑球冠形脱空缺陷影响的钢管混凝土拉弯承载力简化计算公式。