锥形高强中空夹层薄壁钢管混凝土构件的抗弯性能试验研究

考虑内钢管径厚比(35~100)、外钢管径厚比(50~120)、空心率(0.72~0.85)及是否配置纵向加劲肋等因素,对5组共10个采用Q690D钢材和C120混凝土的锥形高强中空夹层薄壁钢管混凝土试件进行纯弯试验研究。分析了构件的破坏模式、弯矩-挠度关系曲线、承载力、刚度及应变发展等力学行为,研究了现有规范对锥形高强中空夹层薄壁钢管混凝土构件抗弯承载力和抗弯刚度计算的适用性。结果表明:受拉区外钢管屈服后,试件进入弹塑性阶段;中和轴位置随着荷载的增加逐渐上移,各试件变形发展符合平截面假定。随着空心率和内、外钢管径厚比的增加,试件极限抗弯承载力和刚度降低;设置纵向通长加劲肋可以有效提高试件极限抗弯承载力,与无肋试件相比,带肋试件的极限抗弯承载力提高了7.29%~20.18%。对于空心率和内(外)钢管径厚比未超限的试件,T/CEC 185—2018的承载力计算结果偏于保守;对于超限试件,T/CEC 185—2018和EC 4的承载力计算结果偏于不安全。对于空心率小于0.82的试件,T/CEC 185—2018和EC 4的抗弯刚度计算值与试验值接近。

锥形高强中空夹层薄壁钢管混凝土构件的弯扭性能研究

采用有限元软件ABAQUS对内、外钢管和加劲肋采用Q690钢材,混凝土采用C120高强混凝土的锥形高强中空夹层薄壁钢管混凝土构件弯扭性能进行数值模拟分析,得到了构件的扭矩-转角关系曲线,分析了构件的破坏形态.研究了不同参数对锥形高强中空夹层薄壁钢管混凝土构件弯扭受力性能的影响.结果表明:弯扭比对构件刚度影响较小,但对构件的破坏形态影响较大.随着弯扭比增大,构件的抗扭承载力降低,抗弯承载力提高,抗扭延性降低,构件更早发生断裂.空心率、锥度、内外钢管径厚比对锥形高强中空夹层薄壁钢管混凝土弯扭构件的抗扭承载力影响较为显著,混凝土强度和内钢管强度对弯扭构件的抗扭承载力影响较小.

中空夹层钢管混凝土构件轴压性能有限元分析

为探明中空夹层钢管混凝土(CFDST)构件轴压性能的影响因素,在已有钢管混凝土柱轴压试验基础上,构建数值分析模型,开展长径比、空心率、内钢管壁厚、夹层混凝土抗压强度等参数对中空夹层钢管混凝土构件轴压性能的影响规律的研究。研究结果表明:研究参数范围内,轴压极限承载力随内钢管壁厚、夹层混凝土强度的增大,空心率、长径比的减小而增大。内钢管壁厚增大1 mm,轴压极限承载力提高2.9%~3.7%,承载力增长系数增大约0.7%;混凝土强度从C40增加到C90,圆截面试件轴压承载力增大了68%;方截面试件轴压承载力增大了53%;空心率每增大0.1,轴压极限承载力降低3.4%~8.7%,承载力增长系数减小约5%;圆截面试件长径比从2.2增大到7.2,承载力下降了3%。方截面试件长径比从2.2增大到5.7,承载力下降10%。长径比对构件的极限承载力影响,明显低于空心率、内钢管壁厚和内填混凝土强度对构件极限承载力的影响程度。随着试件长径比的增加,试件承载力峰值有所下降,但其承载力达到峰值时的位移量不断增大,表明构件延性有所提高。随内填混凝土强度的提高,试件的承载力峰值和达到峰值时的位移都有所提高,说明增大内填混凝土强度在提高钢管混凝土承载力的同时还能改善试件的延性性能。

中空夹层钢管钢渣混凝土T形节点抗震性能研究

将钢渣混凝土灌入中空夹层钢管混凝土结构,充分利用钢渣混凝土的微膨胀性和中空夹层内外钢管对混凝土的约束作用,有效解决了钢渣混凝土工程应用中的安定性问题。以混凝土类型、空心率、支主管直径比和轴压比为参数变量,共进行了5个中空夹层钢管混凝土T形节点试件(1个普通混凝土试件、4个钢渣混凝土试件)拟静力试验研究。试验结果表明:与灌注普通混凝土相比,灌注钢渣混凝土对试件节点承载力影响不大,但位移延性和耗能能力明显增加,提高幅度分别达69.46%和48.20%;当空心率从0.3增大到0.5时,试件位移延性系数提高9.69%;当支主管直径比从0.40增大到0.68时,位移延性系数提高82.44%;当轴压比从0.1增大到0.2时,试件位移延性系数降低17.98%。建立有限元模型对试件的滞回性能进行了模拟,模拟结果与试验结果基本符合,验证了所建有限元模型的有效性。进而开展了节点承载力影响参数分析,得到最佳空心率为70%左右。钢渣在钢管混凝土结构中应用,可大幅提高其抗震性能。

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.

基于粒子群优化BP神经网络的中空夹层钢管混凝土柱轴压承载力研究

圆中空夹层钢管混凝土(concrete filled double-skin steel tube,CFDST)柱因其独特的结构形式与优异的力学性能,已成为现代工程结构中的主要受力构件。然而外钢管、内钢管与核心混凝土之间的相互约束作用导致其受力比较复杂。为此,采用PSO-BP混合神经网络算法对圆CFDST柱的轴压承载力进行了研究。收集了167组数据建立数据库,并选取8种影响因素作为输入层参数,轴压承载力作为输出层参数,分析了传统BP神经网络模型所存在的缺陷,建立了PSO-BP神经网络模型。此外,将机器学习模型与3种规范的结果进行比较,结果表明机器学习模型的精度比3种规范的精度更高。相较于BP神经网络模型,PSO-BP神经网络模型具有更好的预测能力,更有助于预测CFDST柱的轴压承载力,对工程上研究CFDST柱的力学性能有着重要意义。

矩形中空夹层钢管混凝土叠合长柱轴压性能研究

目的 研究矩形中空夹层钢管混凝土叠合长柱的轴压性能,提出轴压稳定承载力实用计算方法。方法 基于ABAQUS有限元分析软件,建立矩形中空夹层钢管混凝土叠合长柱有限元模型,分析其在不同参数下的工作机理;采用叠加原理并结合现行相关规范,给出适用于矩形中空夹层钢管混凝土叠合长柱的轴压稳定承载力计算公式。结果 矩形中空夹层钢管混凝土叠合长柱的破坏形态表现为在构件的中间位置产生侧向挠曲,最终因丧失稳定而破坏;长细比λ和外围混凝土强度fcu, out是影响叠合长柱轴压峰值荷载的关键参数;当λ由29增加到42和55时,峰值荷载分别降低7.3%和15.3%;当fcu, out由40 MPa提高到60 MPa和80 MPa时,峰值荷载分别提高21.4%和44.8%;轴压承载力简化计算公式与有限元模拟所得结果之比的均值和变异系数分别为0.927和0.017。结论 矩形中空夹层钢管混凝土叠合长柱具有良好的抗压性能和初始刚度,所提出的简化计算公式可为实际工程应用提供计算依据。

不同截面中空夹层钢管混凝土中长柱偏压分析

为探究方套方、方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱偏压受力性能,利用ABAQUS有限元软件,创建方套方、方套圆两种截面中空夹层钢管混凝土中长柱有限元模型,以长细比、偏心距、核心混凝土强度、外钢管含钢率、内钢管含钢率作为变化参数,对上述两种截面中空夹层钢管混凝土中长柱进行偏压受力分析。对比分析了不同截面中空夹层钢管混凝土中长柱的荷载-跨中挠度曲线、压弯承载力、初始刚度的变化。研究结果表明:方套方、方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱的极限承载能力,初始刚度随长细比,偏心距的增大而减小,随核心混凝土强度等级,内、外钢管含钢率的提高而增大;偏心距、核心混凝土强度、外钢管含钢率对方套方、方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱的极限承载能力影响较大;长细比、核心混凝土强度对方套方、方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱的初始刚度影响较大;相同条件下,方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱受力性能优于方套方截面。

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。

考虑有效混凝土强度的中空夹层钢管混凝土短柱轴压性能研究

随着混凝土强度的提高,因为混凝土的脆性导致其强度折减而降低利用效率。然而,现存的中空夹层钢管混凝土(CFDST)柱数值分析模型并没有考虑混凝土强度的折减效应,导致这些模型在分析高强度混凝土填充CFDST柱的性能时出现较大的离散性,从而影响实际工程设计。为了更加有效和准确地分析CFDST柱的力学性能,建立了考虑有效混凝土强度的CFDST轴压短柱纤维单元分析模型,同时,一个考虑混凝土脆性对混凝土强度影响的强度折减系数被引入在该模型中。进一步,通过对比笔者前期试验结果和收集的试验数据,以及现有的纤维单元分析模型,验证了该文提出的纤维单元分析模型具有较高的预测精度。基于验证的纤维单元分析模型,研究了各柱的参数对CFDST柱轴压性能的影响,结果发现:混凝土强度、空心率、外钢管屈服强度和外(内)钢管径厚比影响CFDST柱的承载力和延性,而内钢管屈服强度仅影响CFDST柱的承载力而对延性几乎没有影响。最后,基于试验和数值分析结果,提出了CFDST柱轴压承载力计算公式,并与试验和数值结果吻合较好。

外包不锈钢管中空夹层钢管混凝土压弯构件N_(u)-M_(u)相关曲线研究

外包不锈钢管中空夹层钢管混凝土构件结合了中空夹层钢管混凝土(CFDST)与不锈钢的优点,在桥墩、海洋平台与输电塔结构中有广泛应用前景。为此,该文基于前期试验,采用自编纤维模型法程序对225个外包不锈钢管CFDST压弯构件进行了系统分析。研究了各参数对该类压弯构件典型N/N_(u)-M/M_(u)曲线的影响,并将相关曲线与普通外包碳素钢管CFDST构件进行了对比,最后提出了该类压弯构件N/N_(u)-M/M_(u)相关曲线方程。分析结果表明:该文自编纤维模型法程序可较好预测外包不锈钢管CFDST构件压弯承载力以及N/N_(u)M/M_(u)曲线的发展;混凝土强度、内管径厚比、钢材屈服强度、空心率、名义含钢率与长细比影响N/N_(u)M/M_(u)曲线的形状;由于不锈钢材料明显的应变强化效应,相比于外包碳素钢管CFDST构件,外包不锈钢管CFDST构件的N/N_(u)-M/M_(u)曲线接近于钢结构;基于试验与参数分析结果以及外包碳素钢CFDST计算公式,得到了外包不锈钢CFDST相关曲线特征点公式和曲线方程,与程序计算结果吻合较好。

大空心率中空夹层钢管混凝土构件的抗撞性能研究

大空心率中空夹层钢管混凝土构件的抗撞击性能有其自身特点,利用有限元软件ABAQUS建立考虑初始几何缺陷的中空夹层钢管混凝土构件的侧向撞击模型,对比了不同初始几何缺陷组合下空心率范围为0.2~0.9构件的抗撞击性能;在此基础上讨论了初始几何缺陷对空心率为0.8构件撞击响应的影响,并对影响大空心率构件撞击响应的主要参数进行分析;最后基于参数分析结果和静态荷载作用下的荷载-局部压痕关系,给出大空心率中空夹层钢管混凝土构件在侧向撞击荷载作用下撞击力-局部变形简化预测公式。结果表明:与无几何缺陷构件相比,考虑初始几何缺陷时构件的撞击力平台值降低,局部变形增大,当空心率达到0.8时,几何缺陷的不利影响最显著,构件的撞击力平台值下降10.6%,跨中局部变形增大20.4%。提高名义含钢率和减小内钢管径厚比可有效减小初始几何缺陷对该类构件抗撞击性能的不利影响,而改变材料强度对该类构件抗撞性能影响相对较小。给出的简化计算公式可以较好地预测有无初始几何缺陷的大空心率构件在侧向撞击荷载下的撞击力-局部变形曲线。

中空夹层钢管混凝土柱外钢管轴压局部失稳的简化计算模型

轴压作用下中空夹层钢管混凝土短柱的外钢管失稳临界应力计算公式还不够完善。分析认为,中空夹层钢管混凝土短柱的外钢管与实心钢管混凝土短柱的外钢管受力情况基本相同。因此,基于张耀春等的理论模型研究了中空夹层钢管混凝土短柱外钢管的局部失稳。构件夹层混凝土与外钢管条形单元相互作用模型取为文克尔弹性地基上的长梁模型,进而可以利用文克尔弹性地基梁理论计算外钢管的弯曲波长λ。根据实际工程中的钢管厚度t与圆柱构件横截面半径r之比远小于1∶t/r?1的情况,和外钢管失稳波长约为弯曲波长λ,简化了张耀春等模型中的理论推导。类比该模型,推导得出中空夹层钢管混凝土短柱外钢管局部失稳临界应力简化计算公式。该简化计算模型中局部失稳波长与其他学者的试验数据对比,平均误差为7.7%,临界应力计算值的相对误差值为2.7%,表明该简化计算公式可行,可以为工程实践提供参考。

自复位预制节段拼装中空夹层钢管混凝土桥墩地震易损性分析

为评估自复位预制节段拼装中空夹层钢管混凝土(Concrete-filled Double Skin Steel Tubular,CFDST)桥墩在地震动作用下的易损性,本研究基于现有的低周反复荷载试验数据,采用有限元分析方法,选用墩顶水平位移角和残余位移角2个指标作为评估标准进行定量分析。针对3种不同类型地震动(远场、近场无脉冲和近场有脉冲),分别建立了关于水平位移角和残余位移角2个指标的易损性曲线,并分析了不同损伤指标和地震动类型对其地震易损性的影响。研究结果表明,在自复位预制节段拼装CFDST桥墩地震易损性分析中,仅采用水平位移角作为损伤指标是安全可靠的;相比远场地震动和近场无脉冲型地震动而言,近场脉冲型地震动对自复位预制节段拼装CFDST桥墩的变形和自复位有显著影响。

圆中空夹层钢管混凝土叠合构件纯扭性能研究

目的 研究圆中空夹层钢管混凝土叠合构件的纯扭性能,为工程应用提供理论依据。方法 利用ABAQUS软件建立圆中空夹层钢管混凝土叠合构件纯扭有限元模型,分析其工作机理和各参数对构件纯扭性能的影响规律;最后采用叠加法提出抗扭承载力简化计算公式。结果 受扭全过程可分成弹性、弹塑性和塑性3个工作阶段;外钢管的强度、直径以及径厚比是影响构件抗扭承载力的关键参数,外钢管强度由Q235提高到Q345、Q420,抗扭承载力分别增大了21.0%和35.2%;外钢管直径由134 mm增大到154 mm、174 mm,抗扭承载力分别增大了26.9%和67.0%;外钢管径厚比由51.3减小到38.5、30.8和25.7,抗扭承载力分别增大了16.0%、31.9%和46.7%;简化计算公式得出的抗扭承载力与模拟结果的平均比值为0.903,公式计算结果偏于安全。结论 圆中空夹层钢管混凝土叠合构件具有良好的抗扭性能和延性性能,简化计算公式能满足工程设计需求。

圆中空夹层钢管再生陶瓷混凝土压弯构件力学性能研究

以空心率、混凝土类型、长细比和偏心率为参数变量,共进行12根圆中空夹层钢管再生陶瓷混凝土压弯构件和4根圆中空夹层钢管普通混凝土压弯构件的对比试验研究。试验结果表明:试件均为整体失稳破坏,中长柱外钢管屈曲出现在端部及中部截面附近,偏心率越大,挠度发展更快,同时承载力和刚度降低,延性增大;长柱未出现屈曲现象,与中长柱相比,其承载力和刚度降低,延性变化不明显;本次试验的空心率对刚度和延性影响不明显;与普通试件相比,再生试件在弹塑性阶段刚度略有下降,二者后期延性接近。采用本文提出受钢管约束的再生陶瓷混凝土本构关系建模能较好地模拟出本次试件的破坏形态,模拟的荷载-挠度曲线与试验结果接近,计算的峰值荷载与试验值的之比差值均在5%以内;采用再生陶瓷混凝土本构关系与普通混凝土本构关系进行有限元模拟对比:与普通试件相比,再生试件承载力略微降低,弹塑性阶段刚度有所下降,但后期延性略有增加。荷载达峰值时,随着偏心率增大,混凝土承担的荷载比例逐渐增大;与长柱相比,中长柱承担荷载比例更大;由于内管承担了部分荷载,中空试件中混凝土承担荷载小于实心试件。

装配式中空夹层钢管混凝土构件节点有限元模拟研究

为研究基坑内支撑应用中空夹层钢管混凝土构件下的节点连接方法,设计了一种新型的节点结构形式。本文利用有限元软件建立节点的力学模型,并对其施加实际工程所受荷载,最后进行数值分析,以探究在实际工程应用下节点构件以及各部件的承载能力与变形幅度。结果表明:对节点施加中空夹层钢管混凝土构件极限承载力的情况下,变形最大位置为侧向钢板处,其变形数值达到容许值的86%;应力最大位置为中部钢板处,达到钢材屈服应力的90%,证明节点可以满足承载力的需求并晚于构件破坏。此种节点设计的研究成果可为中空夹层钢管混凝土构件在基坑内支撑中应用提供参考。

风电混合塔筒中空夹层钢管混凝土转接结构轴压性能试验研究

在风电机组预应力钢-混凝土混合结构塔筒中,转接结构是用于连接上部钢塔段与下部混凝土塔段的过渡结构,其受力复杂,采用传统的钢筋混凝土结构形式容易产生裂缝甚至发生破坏。提出了一种中空夹层钢管混凝土转接结构,并进行了4个中空夹层钢管混凝土转接结构试件及1个钢筋混凝土转接结构对比试件的轴压试验。结合有限元及理论分析揭示了中空夹层钢管混凝土转接结构的承载能力及隔板、栓钉等因素对其受力性能的影响。结果表明:在相同用钢量下,中空夹层钢管混凝土结构形式显著提高了转接结构的承载能力及变形能力;隔板和栓钉的设置增强了钢与混凝土的连接,限制了内外钢板的局部屈曲、延缓了混凝土的压溃,进一步提升了结构的轴压受力性能;其中,栓钉对于增强结构整体性更为有利,使结构延性增加更为显著。

中空夹层钢管混凝土风力机塔架风振性能研究

传统风力发电机组塔架大多为锥形单管钢薄壁细长结构,此类结构在叶片转动及风荷载作用下易发生大的变形和振动。为克服传统风电塔自身发展的局限性并发挥中空夹层钢管混凝土(CFDST)结构优良的力学性能,基于某锥形钢塔筒,通过承载力等效提出CFDST塔筒结构形式,利用ABAQUS软件建立其风振性能有限元模型,对比了两种塔筒的振动模态。从时域和频域对二者在不同荷载工况下的动力响应特征进行对比分析,并对塔筒与叶片是否共振及瞬态冲击荷载下的振动进行了研究。结果表明:CFDST塔筒在保证原有钢塔筒抗弯承载力和刚度的同时,底部截面尺寸减小了25.6%,且不会与叶轮转动产生的谐波激励发生共振;阻尼对风机塔筒位移、速度、加速度及应力响应幅值影响显著;与钢塔筒相比,CFDST塔筒在正常运行荷载工况下峰值位移、加速度幅值和最大等效应力分别降低21.1%、30.2%和41.6%,而在暴风荷载工况下,分别减小14.4%、32.2%和36.3%;研究成果可为相关塔筒的设计优化提供参考。

方中空夹层钢管陶瓷再生混凝土柱偏压力学性能研究

为研究粗骨料类型、空心率、长细比和偏心距对方中空夹层钢管陶瓷再生混凝土柱偏压力学性能的影响,进行了16根试件的偏压试验,其中粗骨料类型分别为废弃陶瓷和天然碎石。试验结果表明:所有试件均表现为弹塑性失稳破坏;试件的极限承载力和抗弯刚度随长细比和偏心距的增大而降低,其中中空夹层试件的极限承载力高于实心试件的相应值;陶瓷再生混凝土试件展现出了较好的延性和变形能力,其极限承载力与普通混凝土试件接近。使用有限元软件对试验进行模拟,模拟得到的荷载-跨中挠度曲线整体与试验曲线接近。采用T/CCES 7—2020和DB 36/J001—2007分别对中空夹层试件和实心试件极限承载力进行计算,计算结果接近试验值。