《钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法》的理解与应用——矩形钢管混凝土柱

截面高宽比h/b大于2.0的矩形钢管混凝土柱具有较好的外观优势,能避免室内出现凸柱现象,随着实际应用日渐增多,对其的研究也越发深入。根据《隐式钢管混凝土结构技术规程》(T/CECS 951—2021)和《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159:2004)两本规范给出的条文对构件的计算结果及构造要求进行了对比。计算对比包括截面塑性发展能力、单向压弯荷载作用下的截面强度及单向压弯荷载作用下的平面内稳定承载力等三个方面。计算结果将再与多组实际试验结果进行对比,根据两者计算偏差判断规范公式的合理性。构造方面主要对比截面尺寸、长细比、宽厚比、轴压比及强柱弱梁验算公式和免除强柱弱梁验算的条件。结果表明,相比于CECS 159:2004,T/CECS 951—2021更接近实际试验结果,计算公式更合理,构造要求规定更全面。

轴心受压约束钢管柱温度应力试验研究

为揭示轴心受压钢构件温度应力的变化规律,利用自行研制的专用设备,采用恒载连续升温试验方法,设13级约束刚度,3级初应力,6种长细比,对215根Q345钢管柱进行试验研究。结果表明:①温度应力是最重要的作用效应,在钢结构耐火设计与评估中必须考虑。升温后期温度应力虽下降,但此前试件已经失效。②约束刚度和长细比越大,温度应力越大,试件的破坏温度越低,反之相反;约束刚度越大,长细比越小时,温度应力-温升曲线塑性平台越长。③长细比影响试件的破坏特征:长细比较大时,破坏后侧向残余变形较大,轴向变形较小,为失稳破坏;反之相反,为强度破坏。④不同的初应力下在温升初期曲线基本重合,斜率相同;初应力越低,温度应力越大,曲线从初始重合曲线上分离越晚,反之相反。⑤随温升增大,曲线呈现4个阶段:温升较小时,温度应力与温升呈线性关系;随后应力增长变缓,呈非线性关系;温升继续增大,温度应力保持不变,试件进入塑性阶段;最后随温升增大而温度应力变小,试件失效破坏。

钢结构节点断裂的研究现状

对钢框架梁柱节点及钢管节点断裂的研究现状进行了综述,指出现有研究多是基于传统断裂力学方法采用应力强度因子、裂纹尖端张开位移(CTOD)或J积分等预测断裂,这种方法主要适用于研究脆性断裂或局部塑性损伤程度极其有限的伪脆性断裂问题,而对强震作用下构造无明显缺陷部位发生较大尺度屈服时的延性断裂问题并不适用;介绍了近年来发展的基于微观机制的断裂预测方法,可以考虑节点区显著的应力三轴度因素,且适用于无初始裂纹或处于明显塑性阶段的节点延性断裂预测问题,可用于预测强震作用下钢结构焊接节点的超低周疲劳断裂。

强约束轴心受压钢管柱耐火性能试验研究

为正确评估强约束钢管柱的耐火性能,利用自行研制的杆系结构构件温度轴力测量装置,采用恒载升温试验方法,设5级初应力水平,6种长细比,对30根Q345钢管柱进行试验研究,揭示轴心受压钢管柱在强约束下的耐火性能。试验结果表明:强约束钢管柱在温升作用下的温度应力相当大,对钢管柱破坏有决定性作用,在耐火设计与评估中必须考虑。钢管柱在高温作用下,破坏前其弹塑性性质较为明显。相同长细比的构件,在较高的初始应力水平作用下,极限承载力大、温度应力小、临界温度低;反之相反。在相同初应力水平下,长细比对强约束钢管柱的极限承载力和温度应力的影响并不敏感,但长细比大的试件为失稳破坏,破坏后变形很大;长细比较小的试件为强度破坏,破坏后变形较小。以试验数据为基础给出两端固定Q345钢管柱的下限临界温度回归计算公式,可用于火灾中约束刚度不变的钢结构耐火设计与评估。

不同升温速率下钢管柱构件抗火试验

分别进行5个薄壁钢管柱构件在恒载升温条件下和3个构件在轴向位移约束条件下的抗火试验。在恒载升温试验组,升温速率分别设定为4.0、7.0、10.0、14.0、17.5℃/min,达到目标温度300℃后再恒温10min;在轴向位移约束试验组,试验升温速率分别为3.9、6.2、13.0℃/min,温度持续上升无恒温阶段。试验表明,恒载升温过程中,升温速率越大,构件变形随温度增量的变化越小;轴向位移约束试验中,升温速率越大,构件的内力随温度增量变化同样越小。

方钢管、高强箍筋双重约束下混凝土柱强度取值研究

为深入探究双重约束下混凝土柱的受力性能,分析钢管和高强箍筋单独约束下混凝土正截面受力机理,在此基础上研究方钢管、高强箍筋双重约束混凝土的受压性能,利用叠加原理和数据线性拟合方法提出双重约束混凝土柱正截面抗压强度取值计算公式。通过试验验证,采用该方法计算结果与试验值较接近。

升温速率对强约束钢管柱温度内力影响的试验研究

对5个国产Q345无缝钢管柱试件进行轴向位移约束的升温试验,预设升温速率分别为13.0,8.7,6.2,4.9,3.9℃/min,研究升温速率对强约束轴心受压钢管柱温度内力的影响规律。试验结果表明:升温速率越大,单位时间温度增量越大,单位时间温度内力越大,温度内力随时间的变化是二次函数。而温度内力虽然随温度增量变化也是二次函数,但是升温速率越大,构件内部单位温度增量引起的温度内力增量反而越小。试验研究可为进一步研究钢结构构件在火灾中的温度内力规律提供新的思路。

高层钢框筒结构截面尺寸预估的新方法

高层钢框筒结构通常由水平荷载起控制作用,用轴压比和等效实膜筒法确定的截面尺寸较粗糙,需反复试算和调整,耗费大量人力与机时.针对这个问题,提出了高层钢框筒构件截面尺寸预估的新方法,综合考虑了强柱弱梁思想、结构受力特性和设计经验,并用2个算例验证了预估方法的有效性,同时对它们进行了倒三角分布、SRSS分布和高度等效分布侧向力模式下的Pushover分析和比较,讨论了考虑摇摆柱影响的放大系数简化计算和预估轴压比计算的可行性.该预估方法可较快预估出满足规范要求的构件尺寸,对不同抗震设防区的高层钢框筒结构的构件尺寸预估均适用,不过初始截面尺寸仍需进一步优化.该方法可供其他高层钢结构形式的构件尺寸预估参考.

钢管橡胶集料混凝土短柱轴压性能的试验研究

为解决橡胶集料混凝土强度和弹性模量过低所导致的工程使用局限性,本文以橡胶集料等体积替换细骨料,制备12根圆钢管橡胶集料混凝土短柱组合构件并完成轴心受压试验。试验结果表明:与普通混凝土相比,核心橡胶集料混凝土对钢管的侧向约束作用减弱,钢管更容易发生局部屈曲破坏;组合构件的轴压承载力随着橡胶集料替换率的增加而降低,但其延性性能提升明显,采用相同钢管厚度的钢管橡胶集料混凝土短柱轴向荷载-位移曲线在峰值后更易出现强化段。最后采用欧洲Eurocode 4、美国AISC 360—2005和中国GB 50936—2014规范计算了各组合短柱的轴压承载力,并与试验结果进行对比发现:美国AISC 360—2005和中国GB 50936—2014计算结果过于保守,误差较大;而考虑约束效应的欧洲Eurocode 4规范计算结果与实测结果吻合较好。

内埋圆形钢管空间钢构架混凝土短柱轴压承载力计算

为研究内埋圆形钢管空间钢构架混凝土短柱的轴压承载力,探索这种组合柱混凝土的约束机理,建立了轴压承载力与内埋钢管混凝土套箍指标ξ1和外部空间钢构架混凝土约束系数ξ2之间的关系.同时,考虑钢管对核心混凝土的侧向约束作用,以及空间钢构架对钢管外混凝土的侧向约束作用,建立了内埋圆形钢管空间钢构架混凝土短柱轴压承载力计算公式.试验结果表明,该文公式较好地反映了组合柱各部分的相互作用关系,可用于内埋圆形钢管空间钢构架混凝土短柱的轴压承载力计算.

钢管混凝土结构及钢结构单层单跨框架力学性能分析

为了对比分析方钢管混凝土柱-工字钢梁和方空钢管柱-工字钢梁两种框架结构的力学性能,运用有限元软件分别对上述两种框架结构进行了全尺寸建模,完成非线性有限元计算分析.结果表明,计算结果与实验数据吻合较好,验证了所建模型的准确性;两种框架结构的滞回曲线均为饱满的梭形,无明显的捏缩现象,且方钢管混凝土柱-工字钢梁框架梁端水平极限承载力高于方空钢管柱-工字钢梁框架结构.

钢管约束钢筋再生混凝土柱三面受火下的耐火极限

目的研究三面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土柱的耐火极限。方法采用ABAQUS有限元软件建立了在ISO834标准火灾作用下三面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土温度场及耐火极限有限元分析模型,分析了三面受火过程中取代率、荷载比、混凝土强度、长细比、含钢率、荷载偏心率对构件截面温度及其耐火极限的影响。结果荷载比对试件耐火极限影响显著,随荷载比增大耐火极限降低;含钢率在一定的范围内可以调高构件耐火极限,荷载比为0.6时,当含钢率由5.55%增加至7.02%时,耐火极限提升了14.77%;当含钢率由7.02%提升到8.51%时,耐火极限仅提升了3.09%。荷载偏心率对于构件耐火极限影响较为复杂,当荷载比低于0.5时,荷载偏心率对于构件耐火极限的影响主要取决于构件由于受火所引起的挠曲方向。结论适当减小构件荷载比、增大含钢率,可有效提高三面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土柱耐火极限。

单面受火的方钢管约束钢筋混凝土柱耐火极限

目的研究单面受火的方钢管约束钢筋混凝土柱火灾下的力学性能,解决方钢管混凝土柱在该条件下力学性能显著下降的问题,为钢管混凝土约束柱在单面受火后的修复加固方面提供理论指导。方法通过ABAQUS建立方钢管约束钢筋混凝土单面受火的有限元模型,研究单面受火过程中混凝土截面温度云图的变化,及构件受力过程中钢管、钢筋、混凝土的应力分布特征;在此基础上分析一定参数范围内试件的含钢率和配筋率,单面受火过程中试件受到的荷载比和荷载偏心率对截面温度分布规律和耐火极限的影响。结果荷载比、荷载偏心率对试件耐火极限影响显著,含钢率、配筋率对构件耐火极限影响较小;当荷载比为0.4,偏心率由0到0.4时,耐火极限提升了28.8%,偏心率由0到-0.2时,耐火极限降低了38.76%;当含钢率为0.4,荷载比从0.6降低至0.5时,耐火极限提升了42.68%。结论通过适当增大构件荷载偏心率、减小荷载比,可有效提升单面受火的方钢管约束钢筋混凝土柱耐火极限。

轴向往复荷载作用下钢管混凝土柱抗震性能试验研究

为了探究斜交网格结构体系中外筒斜柱的破坏机制,对8个钢管混凝土柱和2个钢管柱试件进行了轴向往复加载试验,研究加载路径、长径比、混凝土强度和含钢率对其抗震性能的影响,分析了钢管混凝土柱的破坏机制、破坏形态和滞回性能,并讨论了钢管与混凝土间的相互作用。结果表明:轴向往复荷载下钢管混凝土柱的破坏均由钢管断裂引起,核心混凝土整体保持完好,只在钢管屈曲处存在混凝土压碎现象;相比于空钢管柱,钢管混凝土柱受拉时混凝土对钢管的支撑作用,以及受压时钢管对混凝土的约束作用,保证了其具有更高的承载力、变形能力和耗能能力;钢管混凝土柱在轴压和轴拉荷载下的抗震性能存在显著差别,在轴拉荷载下具有更好的延性和耗能能力,而在轴压荷载下具有更高的承载力和刚度。钢管混凝土柱屈服后钢管对混凝土的约束作用持续增强,并当钢管纵向应变达到8×10-3时,不同参数对其约束效应的影响达到最大。

不同低加载速率下圆钢管混凝土轴压柱的试验研究

为研究低加载速率对强围箍作用下圆钢管混凝土柱的影响,分别采用2mm/min、10mm/min、20mm/min和25mm/min的加载速率对20个短柱试件进行轴心受压试验,得到了不同低加载速率下钢管混凝土柱的荷载-位移曲线与荷载-应变曲线。基于试验结果分析了低加载速率对强围箍作用的钢管混凝土短柱轴压力学性能产生的影响,揭示了钢管混凝土柱在轴压作用下初始损伤以及二次强化效应的机理。结果表明:不同低加载速率条件下钢管混凝土柱的破坏形态相似,极限承载力随着套箍系数的增大而增大,相同套箍系数的钢管混凝土柱的荷载-位移曲线和荷载-应变曲线的趋势基本相同,极限承载力相差不大,强围箍作用的钢管混凝土轴压短柱对低加载速率的变化不敏感。

输电线路四柱钢管杆主杆管型优化分析

针对华东地区常用220kV四柱钢管杆,选取典型杆型进行结构及杆件受力分析,获得其应力分布情况,发现钢管杆主杆存在明显的y轴方向弯矩远大于x轴方向弯矩的特征。从改变主杆截面强弱轴的角度出发,通过选用椭圆形主杆截面,试算了长短轴比例分别为1.5∶1及2∶1两种情况下的主杆选型结果。与原圆钢管对比,主杆的整体重量明显降低,长短轴1.5∶1及2∶1情况下分别降重9.7%及14.7%,主杆截面优化效果明显,具有明显的经济效益。