冷弯薄壁方钢管轻质混凝土柱轴压性能研究

为解决冷弯薄壁型钢易失稳和产生局部屈曲等问题,本文提出冷弯薄壁方钢管轻质混凝土柱(LCFCSTC),以试验验证为基础,利用ABAQUS有限元软件对LCFCSTC进行非线性有限元分析,对比分析空钢管柱与LCFCSTC的承载能力;同时,研究长细比、钢管厚度和轻质混凝土强度对LCFCSTC性能的影响,分析典型试件的荷载位移与荷载侧向挠度关系曲线、破坏模式和应力分布等。研究结果表明:在冷弯薄壁方钢管内填充轻质混凝土能有效抑制空钢管产生局部屈曲并提高柱子承载力;LCFCSTC均发生整体失稳破坏,承载力随着轻质混凝土强度等级和钢管厚度增大而增加,随着长细比增加,构件的承载力逐渐减小。基于AISC-LRFD规程和Perry-Robertson公式推导出LCFCSTC承载力计算公式,该公式能够很好地计算LCFCSTC的稳定承载力。

冷弯薄壁方钢管梁柱加腋节点抗震性能研究

汶川地震后在灾区重建过程中大量使用冷弯薄壁方钢管,但其梁柱节点的连接方式和力学性能等尚需进一步研究。基于结构实际受力情况设计了一种三维双节点试验模型,对不同轴压比下冷弯薄壁方钢管梁柱加腋节点和普通节点的8个试件进行了足尺试验,通过对比分析研究了低周往复荷载作用下加腋节点的破坏模式、滞回曲线及评价节点抗震性能的主要参数(承载力、延性、刚度退化和能量耗散系数等)。同时,利用ANSYS对各节点进行了有限元数值计算,并与试验结果进行对比分析进一步对加腋节点进行了研究。结果表明:试验与有限元数值计算结果吻合良好,验证了理论分析的正确性;加劲腋板提高了节点的初始刚度和承载力,钢管梁的弹塑性性能得到了充分发挥,不同轴压比下均出现了塑性铰,导致加腋节点各试件的最终破坏均是由钢管梁塑性变形过大出现局部屈曲引起;加劲腋板提高了节点的延性系数及往复变形次数,延长了变形时间,增大了节点的粘滞阻尼和耗能性性能,改善了节点的抗震性能;随轴压比增加,加腋节点塑性变形减小,脆性破坏特征增加,各耗能系数均相应降低。

冷弯薄壁方钢管长柱轴压性能试验研究

进行了3组共9个试件冷弯薄壁方钢管受压长柱的试验研究与有限元计算分析,截面尺寸均为120 mm×120 mm×2 mm,考察长细比变化时,试件的破坏模式、荷载-位移曲线以及承载力等改变情况,并利用ANSYS软件进行了数值模拟计算,结果表明:1)对于轴心受压柱,在长细比λ≤36.4时,柱发生的是强度破坏,承载力较高;当长细比增大到λ≤65.5时,柱承载力降低近20%,破坏模式为整体破坏。2)有限元计算结果与试验结果较为接近,差值在12%以内,具有较高准确度。

带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱滞回性能研究

对3根带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱进行滞回试验,主要参数为轴压比。试验结果表明:纵向加劲肋有效延缓了钢管壁局部屈曲的发生;其滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力;随着轴压比的增大,柱承载力略有增大,而延性、耗能能力则明显减小;当横向位移大于6倍的屈服位移时,大轴压比的刚度退化速度最快。建立了该类试件的有限元模型,对比可得有限元模拟结果与试验结果吻合较好。基于有限元模型对该类构件开展机理分析和参数分析。结果表明:在带肋冷弯薄壁方钢管的约束下,核心混凝土的强度得到了较大提高;钢管局部屈曲发生在峰值荷载后,局部屈曲只发生在纵向加劲肋和钢管角部间;材料强度、轴压比、钢管宽厚比和长细比等参数对该类构件的承载力有较大影响;混凝土强度、轴压比和长细比对荷载-位移骨架曲线形状有较大影响。基于参数分析建议了该类构件的简化滞回模型,简化计算结果和有限元计算结果吻合较好。

冷弯薄壁方钢管混凝土梁柱节点抗震性能试验研究

冷弯薄壁型钢结构房屋中杆件壁板较薄,梁柱节点连接区域常发生柱板件被拉裂现象。向薄壁柱内灌入低强度混凝土,可有效提高梁柱节点抵抗外荷载的能力。开展4种类型共8个节点在不同轴压比下的低周往复加载试验,探讨节点抗震性能。结果表明:普通空钢管柱焊接节点破坏前所经历的循环次数较少,节点域部位焊缝及焊缝附近板件发生断裂;加腋节点极限承载力比普通焊接节点提高很多,耗能能力较强,破坏时加腋端梁截面局部屈曲,其承载力比螺栓贯穿式节点承载力高;钢管混凝土柱直接焊接节点在一定程度上抑制了节点域柱板件断裂,螺栓贯穿式节点梁端板件发生断裂和梁与端板连接的焊缝也被拉裂;轴压比对空钢管柱节点的抗震性能影响较大,但对钢管混凝土柱节点影响较小。

冷弯薄壁方钢管木组合长柱轴压性能试验研究

进行了4组共36个冷弯薄壁方钢管长柱的轴心压力试验,考虑了长细比、不同填充材料两个变化参数,得到了试件的破坏模式及承载力等。结果表明,试验中空钢管柱发生失稳破坏,由于宽厚比较大,局部失稳发生后迅速导致整体失稳,而填充材料后的试件,局部失稳后承载力降低缓慢,依然可继续承载;空钢管侧向位移值不易满足《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》(JGJ 227—2011)规定限值,尤其是当长细比达到172.9时,侧向位移值更难得到保证,而填充轻质耐压材料后可有效限制其侧向位移发展,构成柱的第二道抗破坏防线。填充材料后的柱,其稳定承载力明显提高;柱长细比越大,承载力提高越明显。

冷弯薄壁方钢管长柱轴压与偏压性能研究

进行了9组共18个冷弯薄壁方钢管受压长柱试件的试验研究,考虑了长细比、偏心距两个变化参数,得到了试件的破坏形态、荷载-位移曲线以及承载力等重要数据,并采用有限元方法进行了数值模拟计算。结果表明:1)对于轴心受压柱,在长细比λ≤36.4时,柱发生强度破坏,承载力较高;对于受压偏心距较大的柱,发生屈曲破坏,且发生局部屈曲后在持荷下迅速丧失承载能力。2)偏心距对受压构件极限承载力影响很大,在长细比λ≥29.1时,极限承载力随偏心距增加而迅速降低;建议在长细比λ≥58.2时,受压柱需加支撑以减小计算长度,提高极限承载力。3)有限元计算结果与试验结果较为接近,差值在12%以内,具有一定准确度。

冷弯薄壁方钢管梁柱新型节点有限元分析

从分散焊缝的角度出发,提出一种新型冷弯薄壁钢管结构梁柱焊接方式。在已有试验基础上,通过有限元分析,研究了该节点极限承载能力、耗能能力及节点域的应力分布状态。结果表明:有限元结果与试验结果比较吻合,平均误差约为4.82%;轴压比对该节点的极限承载能力影响较小,但对延性及耗能能力影响大;C形钢梁下翼缘处于较高的三向复杂应力状态,在往复荷载作用下容易首先发生破坏,在设计时需引起注意;节点的破坏模式为C形钢梁平面外鼓曲、C形钢梁下翼缘焊接处开裂,节点域形成明显的塑性区域,属于延性破坏。

单轴受弯方矩形截面冷弯薄壁型钢构件设计的连续强度法

对单轴受弯的冷弯薄壁方矩形钢管的局部稳定承载力设计方法展开研究。基于试验验证的非线性有限元建模方法,对不同宽厚比和高宽比组配下的单轴受弯方矩形截面钢构件进行参数分析,探究翼缘和腹板的相关作用和应变强化对构件局部屈曲的影响情况。采用等效变形的概念,提出将连续强度法(CSM)应用于冷弯薄壁方矩形钢构件的设计。通过建议承载力计算式与试验、有限元模拟结果及各国规范方法的比较,证明连续强度法的有效性。