圆中空钢管混凝土叠合长柱轴压性能研究

目的建立圆中空钢管混凝土(CHCCFST)叠合长柱轴心受压有限元模型,分析关键参数对其力学性能的影响,为该类叠合构件轴压承载力的计算提供依据。方法首先通过现有试验数据对有限元模型的准确性与合理性进行检验;其次利用有限元模型对典型CHCCFST叠合长柱轴压性能的荷载-柱中挠度曲线特征点进行分析,揭示不同参数下CHCCFST叠合长柱的轴压工作机理;最后基于现有规范中的稳定系数φ提出CHCCFST叠合长柱轴心受压承载力的简化计算公式。结果混凝土强度(f_(cu))和长细比(λ)是影响圆中空钢管混凝土叠合长柱轴压性能的关键参数;当混凝土强度等级由C40增加到C60与C80时,叠合长住轴压承载力分别增加了42.4%和62.8%;当叠合柱长细比由36减少到30与24时,叠合长住轴压承载力分别增加了31.5%和44.4%;CHCCFST叠合长柱轴压承载力简化计算结果与有限元和试验结果均符合较好。结论圆中空钢管混凝土叠合长柱在轴心受压作用下具有较好的承载能力和刚度,是一种满足实际工程需要的新型叠合构件。

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。

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。

中空角钢-钢管混凝土叠合柱轴压性能研究

目的研究中空角钢-钢管混凝土叠合柱的轴压性能,给出相应的轴压承载力简化计算公式。方法采用有限元法对叠合构件荷载-应变关系计算,与已有试验数据对比验证;在此基础上,分析叠合构件破坏模态、内力分布以及接触应力等工作机理;以不同材料强度下空心率和含钢率为主要参数分析叠合柱轴压承载力。结果空心率由30%增加至50%和70%时,叠合柱极限承载力分别降低了9.64%和22.69%;含钢率由5.0%增加至6.0%和7.0%时,叠合柱极限承载力分别增大了8.72%和16.21%。引入混凝土强度增强系数k后得到的轴压承载力公式计算结果与有限元结果最大误差为2.8%,简化计算公式可以较好地预测构件轴压承载力。结论中空角钢-钢管混凝土叠合柱具有较好的轴压承载能力,可满足工程应用。

圆中空夹层钢管混凝土叠合柱偏压力学性能研究

目的研究圆中空夹层钢管混凝土叠合柱在偏心受压作用下的力学性能,为该类构件的设计和工程应用提供参考。方法采用有限元软件ABAQUS建立精细化非线性分析模型,在模型可靠性得到验证的基础上,对构件进行受力全过程分析。研究叠合柱在不同破坏模态下的工作机理,量化组成部件的内力分配和相互作用关系,考察不同参数对N_(u)-M_(u)曲线的影响。结果增大偏心率,试件的初始刚度和偏压承载力降低,延性提高;名义含钢率由7.1%增至19.8%时,偏压承载力提高了87.5%。结论圆中空夹层钢管混凝土叠合短柱在偏心受压作用下界限破坏的标志为外钢管达到受拉屈服时,受压区边缘的混凝土被压碎;增大钢管屈服强度和名义含钢率可提高试件的偏压承载力。

轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究

目的解析轴压下三面受火的中空钢管混凝土叠合长柱的力学行为,建议耐火极限简化计算公式。方法采用有限元分析软件ABAQUS建立轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱温度场和力学分析模型,研究轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱的温度场分布、破坏模态、变形特点、内力分布等,分析空心率、截面边长、荷载比和长细比对中空钢筋混凝土柱耐火极限的影响。结果在高温下中空钢管混凝土叠合长柱发生了内力重分布;截面边长由300 mm分别增加至600 mm、900 mm和1200 mm时,构件耐火极限分别增长了131.83%、221.81%和312.02%;长细比由22增加至44和66时,构件耐火极限分别降低了25.46%和62.77%;荷载比由0.4分别增加至0.5、0.6和0.7时,构件耐火极限分别降低了39.03%、65.71%和85.54%。结论中空钢管混凝土叠合柱的耐火性能优于中空钢筋混凝土柱,提出的耐火极限简化计算公式与有限元模型计算结果吻合程度较好。

方中空夹层钢管混凝土叠合长柱轴压性能

目的 基于方中空夹层钢管混凝土叠合长柱轴压性能有限元分析,阐述轴压长柱受力状态,提出轴压承载力计算方法。方法 建立并验证方中空夹层钢管混凝土叠合长柱有限元模型,定义荷载-变形曲线上6个力学特征点,分析不同特征点处柱中部截面应力分布。研究材料强度、配筋率、空心率、截面径宽比、钢管径厚比及长细比等因素对叠合长柱轴压性能的影响。运用叠加法和折减法计算长柱轴压稳定承载力。结果 方中空夹层钢管混凝土叠合长柱力学性能良好,轴压性能受外钢管径厚比、外部混凝土强度以及长细比影响显著;综合叠加法与折减法计算的叠合长柱轴压承载力与有限元计算结果之比的平均值和标准差分别为1.013和0.038。结论 方中空夹层钢管混凝土叠合长柱具有较好的轴压性能,基于叠加与折减理论提出的计算公式可较好地计算其轴压承载力。

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。

中空夹层钢管钢筋混凝土长柱压弯扭力学性能分析

采用有限元软件ABAQUS研究中空夹层钢管钢筋混凝土长柱在压弯扭共同作用下的力学性能,通过建立圆中空夹层钢管钢筋混凝土长柱模型,分析了偏心率、混凝土强度等级和体积配箍率等参数对构件压弯扭性能的影响。有限元模拟结果表明,偏心率的增加导致构件的抗扭承载力和延性显著降低;偏心率由0.2增大到0.8时,构件抗扭承载力降低13.18%。增大体积配箍率或者提高混凝土强度等级会使提升构件的抗扭能力,但偏心率、体积配箍率和混凝土强度的变化对于构件的刚度影响很小。

圆中空夹层钢管混凝土柱抗剪承载力计算研究

利用有限元软件ABAQUS数值模拟了圆中空夹层钢管混凝土柱受剪切作用时剪应力与剪应变的关系曲线,并通过对大量算例的分析,确定了构件不同破坏形式的剪跨比范围,研究了内外钢管屈服强度、截面名义含钢率、内管径厚比、空心率及混凝土强度对剪应力-剪应变关系曲线的影响规律。研究结果表明:剪跨比不大于0.1时,圆中空夹层钢管混凝土柱抗剪承载力可按纯剪构件计算,并给出了抗剪承载力的简化计算公式。公式计算结果与有限元计算结果吻合较好。

中空钢管混凝土叠合柱偏压力学性能研究

目的研究中空钢管混凝土叠合柱偏压力学性能,并提出承载力简化计算公式。方法采用有限元软件对不同破坏模式下典型构件的荷载-挠度曲线进行分析,定义5个特征点,研究不同特征点处和不同破坏模式下试件的工作机理;通过改变偏心率、钢管直径研究构件约束机理以及荷载-挠度曲线,最后采用叠加理论和极限平衡理论提出中空钢管混凝土叠合柱偏压承载力简化计算公式。结果钢管直径由60 mm增至100 mm和140 mm时,构件极限荷载分别降低0.4%和5.8%;偏心率由0.2增至0.5时,极限承载力降低33%,混凝土对内部钢管的约束作用逐渐提高;建议的承载力简化计算公式计算结果与试验结果吻合较好。结论中空钢管混凝土叠合柱在减轻自重的条件下具有较好的承载能能力和延性,可以满足工程需要。

圆中空夹层钢管混凝土柱单边螺栓端板连接节点试验及数值模拟

进行了4个圆中空夹层钢管混凝土中柱节点的低周反复加载试验,分析了端板类型和柱截面空心率的影响,研究了此类节点的破坏模式和滞回性能。通过有限元软件建立了节点数值分析模型。考虑了材料本构关系和复杂接触问题,对此类节点进行了受力性能分析。分析结果与试验结果对比吻合较好。研究结果表明:圆中空夹层钢管混凝土柱单边螺栓端板连接节点具有良好的滞回性能、延性和耗能能力;根据欧洲规范EC 3,此类节点呈现出半刚性、全强度的特性。研究成果将为圆中空夹层柱钢管混凝土柱结构的设计与工程应用提供一定的理论基础。

圆中空钢管混凝土叠合构件纯弯性能研究

目的对圆中空钢管混凝土叠合构件纯弯性能进行有限元分析,为该类构件设计提供计算依据。方法首先利用已有试验验证模型的准确性;其次应用有限元软件ABAQUS对典型构件的弯矩-挠度曲线进行分析,定义4个特征点,研究不同特征点处试件的工作机理,分析不同参数对构件抗弯承载力的影响;最后应用叠加原理和极限平衡原理推导出圆中空钢管混凝土叠合构件纯弯承载力简化计算公式。结果钢管直径由80 mm增加到100 mm、120 mm,即空心率由0.137增加到0.221、0.325时,承载力分别降低了5.2%和19.5%;建议的纯弯承载力简化公式计算结果与试验结果吻合良好。结论圆中空钢管混凝土叠合构件在减轻自重的条件下具有较好的承载能力和延性,可以满足工程需要。

圆端形钢管混凝土中长柱轴压性能

为研究圆端形钢管混凝土中长柱的轴压性能,考虑了构件千分之一杆长的初弯曲,使用有限元软件ABAQUS建立了圆端形钢管混凝土中长柱精细化有限元分析模型,利用已有试验数据验证有限元模型的合理性与精确性,在此基础上分析了试件的变形模式和承载能力状态,比较短柱、中长柱与长柱性能的不同,得出了圆端形钢管混凝土界限长细比。综合分析了长细比、钢管厚度、混凝土强度、钢材强度、高宽比等参数,提出了圆端形钢管混凝土中长柱极限承载力简化计算公式,并对简化计算公式的准确性进行了验证。结果表明:短柱为强度破坏,中长柱发生弹塑性失稳破坏,长柱发生弹性失稳破坏;在其他条件相同的情况下,圆端形钢管混凝土中长柱的极限承载力、延性与长细比呈负相关,与钢材强度、钢管厚度呈正相关,混凝土强度的变化对承载力和延性的影响不大;短柱与中长柱界限长细比λ0=10~11,中长柱与长柱界限长细比λp=86.4~96.0;与试验数据及有限元计算结果相比,承载力公式具有足够精度,可为圆端形钢管混凝土中长柱研究与工程应用提供理论依据。

基于纤维模型法圆中空夹层钢管混凝土轴压柱的理论研究

针对圆中空夹层钢管混凝土轴心受压柱的力学性能,基于纤维模型法,钢管材料的本构关系依次选用5阶段模型、理想弹塑性模型两种,混凝土材料的本构关系依次选用韩林海模型、刘威模型两种,共4种不同的本构关系模型组合;对单调加载过程中圆中空夹层钢管混凝土轴压构件的荷载-变形关系进行计算,与试验结果进行对比分析。结果表明:计算出的荷载-变形关系曲线与试验曲线吻合良好;对钢管本构关系,采用5阶段模型、理想弹塑性模型分别进行纤维模型法计算,二者计算结果基本一致;对混凝土本构关系,采用韩林海模型、刘威模型分别进行纤维模型法计算,前者计算结果吻合更好。

圆中空夹层钢管混凝土叠合短柱轴压受力性能研究

为研究圆中空夹层钢管混凝土叠合柱的轴压受力性能并提出轴压承载力设计方法,以含中空夹层钢管混凝土率和截面直径为参数,对10个圆中空夹层钢管混凝土叠合短柱进行轴压试验,研究其破坏过程、破坏模态、纵向应变和横向变形系数的发展规律,分析影响轴压刚度、强度系数和延性系数的关键因素。采用ABAQUS软件建立有限元模型,对短柱进行受力全过程分析、接触应力分析和参数分析,进而提出圆中空夹层钢管混凝土叠合短柱轴压承载力的设计方法。研究结果表明:在轴压作用下,各组成部件能够协同变形、共同受力;增大中空夹层钢管混凝土的约束效应系数可提升短柱组合效应,提高钢筋混凝土的配箍特征值可改善短柱的延性;当含中空夹层钢管混凝土率由0.5增大至0.6和0.7时,延性系数提高9.6%和18.7%;当截面直径由220 mm增大至260 mm和300 mm时,轴压刚度提高22.2%和43.8%;在极限荷载作用下,钢筋混凝土达到自身的轴压承载力,中空夹层钢管混凝土分担的内力小于其自身的轴压承载力,二者之间的接触应力可忽略不计;通过引入承载力折减系数而提出的轴压承载力设计方法可以有效预测圆中空夹层钢管混凝土叠合短柱的轴压承载力。

中空夹层钢管混凝土柱与组合梁单边螺栓连接节点抗震试验研究

为了深入研究装配式圆中空夹层钢管混凝土组合框架节点的抗震性能和破坏机理,文章进行了4个中柱节点的水平低周反复加载试验。试件由圆套圆中空夹层钢管混凝土柱与钢-混凝土组合梁通过单边紧固高强螺栓和平齐或外伸端板连接组成。文中详细研究了试件破坏形式和组合楼板的裂缝分布规律,分析了滞回曲线、强度和刚度退化规律及耗能能力等,采用欧洲相关规范评价了此类装配式组合框架节点的刚性。试验结果表明,端板形式和柱截面空心率对此类装配式组合框架节点的承载力和耗能能力有明显影响。当端板形式相同时,柱截面空心率为0.61的节点承载力和总耗能比柱截面空心率为0.73的节点有明显提高;当柱截面空心率相同时,外伸端板连接节点的承载力和总耗能优于平齐端板连接节点。分析表明,装配式圆中空夹层钢管混凝土组合框架节点为半刚性连接、部分强度节点。研究成果可为此类新型装配式组合框架在实际工程中应用提供科学理论依据。

新型卯榫节点约束下的复式中空钢管混凝土柱偏心受压力学性能分析

提出一种新型卯榫节点,可解决当前复式中空钢管混凝土构件所面临的问题。为考察新型节点对复式中空钢管混凝土柱的约束效果,以空心率和新型卯榫节点榫头长度为主要研究参数,开展偏压荷载作用下的新型卯榫节点和普通节点约束下复式中空钢管混凝土柱承载力和侧向挠度的对比分析。分析结果表明,与普通节点约束相比,新型卯榫节点可以提高复式中空钢管混凝土柱的承载力,降低侧向挠度;构件的空心率和节点榫头长度对新型卯榫节点约束效果影响明显。

外包UHPC钢管混凝土叠合中长柱偏压性能试验研究

为研究外包超高性能混凝土钢管混凝土叠合中长柱(简称“UC-CFST中长柱”)的偏压性能,以偏心率(0.52、1.04)和长细比(7.22~44.74)为主要参数,进行了18个UC-CFST中长柱的偏压性能试验,得到其破坏模式和偏压性能指标。结果表明:随着偏心率和长细比的增加,UC-CFST中长柱的破坏模式由材料强度破坏转变为失稳破坏,承载力显著降低;长细比不大于21.03的中长柱试件均表现出明显的材料强度破坏特征,小偏心受压试件的近载侧钢筋、钢管先发生受压屈服,大偏心受压试件的受拉区UHPC外包层开裂、钢管受拉屈服,在达到峰值荷载时大、小偏心受压试件的受压区UHPC均被压碎;长细比大于35.26的中长柱试件表现为弹塑性失稳破坏,长细比介于21.03~35.26之间时为塑性失稳破坏。同时,进一步研究了GB/T 51446—2021《钢管混凝土混合结构技术标准》建议的钢管混凝土叠合柱弯矩增大系数法计算UC-CFST中长柱偏压承载力的适用性,发现该方法会明显高估UC-CFST中长柱的偏压承载力。为此,结合UC-CFST中长柱的受力特点,推导得到了可用于计算UC-CFST中长柱偏压承载力的改进弯矩增大系数法,其计算结果与试验结果吻合良好。

方中空夹层钢管混凝土叠合构件抗弯性能研究

目的 基于方中空夹层钢管混凝土叠合构件抗弯性能有限元分析,研究构件抗弯受力状态,提出抗弯承载力计算方法。方法 建立并验证方中空夹层钢管混凝土受弯构件有限元模型,定义构件荷载-跨中挠度曲线上5个力学特征点,分析不同特征点处试件截面应力分布。研究空心率、配筋率、材料强度、截面径宽比等因素对构件抗弯承载力与抗弯刚度的影响。采用叠加法提出构件抗弯承载力计算公式。结果 方中空夹层钢管混凝土叠合构件抗弯性能受纵筋配筋率与外部混凝土强度影响显著。采用叠加法得到的构件抗弯承载力计算结果与有限元结果之比的平均值和标准差分别为1.030和0.080。结论 方中空夹层钢管混凝土叠合构件具有较好的抗弯性能,基于叠加原理得出的简化公式可较好计算其抗弯承载力。