广义圆端形钢管混凝土短柱轴压承载力公式

为研究圆形、圆端形、变圆心角圆端形和矩形钢管混凝土短柱轴压承载力的统一计算公式,采用两种不同本构关系建立广义圆端形钢管混凝土轴压短柱的ABAQUS有限元模型,利用90个钢管混凝土短柱轴压试验数据与有限元计算结果进行对比,验证了有限元模型的可靠性。通过改变构件的截面形状和材料强度,设置了9组共90个广义圆端形钢管混凝土轴压短柱有限元模型。对有限元计算结果展开参数分析,研究截面平直段高宽比和截面圆心角对钢管混凝土约束效应的影响。基于统一理论和约束分区方法,以截面形状影响系数对套箍系数进行了修正,并在GB 50936—2014推荐的圆形钢管混凝土短柱轴压承载力公式的基础上,建立了广义圆端形钢管混凝土短柱的轴压承载力简化计算公式,最后采用452个广义圆端形钢管混凝土短柱轴压试验数据对公式的准确性进行了验证。结果表明:当材料强度和含钢率一定时,广义圆端形钢管混凝土柱的套箍约束效应随着截面平直段高宽比的增大而减小,随着截面圆心角的增大而增大;简化公式的计算结果与试验结果吻合良好,适用于圆形、圆端形、变圆心角圆端形及矩形钢管混凝土短柱的轴压承载力计算。

电力火灾后圆端形不锈钢管混凝土柱轴压性能研究

进行了14根电力火灾后圆端形不锈钢管混凝土短柱的轴压试验,分析截面高宽比、受火时间和含钢率对其火灾后剩余承载力的影响。试验表明:该类短柱的破坏模态均为局部屈曲、焊缝开裂和混凝土被压碎;试件的剩余承载力随着受火时间或高宽比的增加而降低,受火120 min后该类试件的承载力降低了7.8%~13.9%。接着建立了有限元模型,该模型可很好地模拟实测结果。基于有限元模型开展了理论分析,结果表明初始荷载对该类组合柱的剩余承载力影响较小。参数分析表明当混凝土强度从30 MPa增加到90 MPa时,其强度折减系数降低了15.8%;当截面周长从1 228 mm增加到4 913 mm时,其强度折减系数提高了20.5%;当受火时间从0 min增加到180 min时,其强度折减系数降低了8%;但含钢率、高宽比和钢材强度对其强度折减的影响较小。最后给出了电力火灾后圆端形不锈钢管混凝土短柱的剩余承载力的设计方法。

圆套圆中空夹层钢管混凝土压扭性能研究

为研究圆套圆中空夹层钢管混凝土的压扭性能,完成了12个该类构件在先压后扭受力下的静力性能试验,变化参数为空心率、含钢率和轴压比等。结果表明:构件的抗扭承载能力较好,在发生较大的扭转变形后,可以保持较高的承载力。钢管中截面三个测点的应变变化情况基本一致,弹性阶段外钢管测点的剪应变与构件扭转角呈线性关系。在一定的轴压比范围内(n≤0.3),构件的抗扭承载力随轴压比的增大稍有提高,构件的刚度也得到了一定程度的增强。利用ABAQUS有限元分析软件对构件的扭矩-转角曲线进行了模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。参数化分析表明:外钢管变形较为严重,承担大部分的截面扭矩,内钢管变形较小。外钢管与混凝土接触面的法向应力和剪应力较大。混凝土强度等级对构件的抗扭承载力影响很小。随着钢材的强度等级以及含钢率的提高,构件的抗扭承载能力提高很大。

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。

轴压比对圆中空夹层钢管混凝土抗撞性能的影响分析

轴压比是影响圆中空夹层钢管混凝土构件抗撞性能的一个重要参数,因此,在前期试验研究基础上,采用ABAQUS建立了圆中空夹层钢管混凝土构件在侧向撞击和轴力荷载耦合作用下的有限元分析模型,研究了不同轴压比下构件抗撞工作机理,并以名义截面含钢率、空心率与材料强度为主要参数,重点分析了轴压比对构件抗撞性能的影响。结果表明:在侧向撞击和轴力荷载耦合作用下构件主要发生受弯破坏,外钢管与混凝土的塑性变形是构件的主要耗能机制;当轴压比从0增大到0.5时,构件的抗撞性能先增强后减弱;随着构件名义截面含钢率、空心率和外钢管屈服强度的增大及混凝土强度的减小,轴压比对构件抗撞性能的有利影响范围分别减小约75%、57%、15%和18%。

方套圆中空夹层钢管混凝土组合构件横向撞击试验研究

通过对8个大空心率下方套圆中空夹层钢管混凝土组合构件进行横向撞击试验,研究试件的撞击受力过程、破坏形态、撞击力时程曲线特征、跨中挠度与测点纵向应变发展过程等。考察落锤撞击高度、边界约束和轴压比等关键因素对方套圆中空夹层钢管混凝土组合构件在横向撞击作用下动力响应的影响规律。试验研究结果表明:中空率为0.69的方套圆中空夹层钢管混凝土组合构件在横向撞击作用下主要发生显著地局部凹陷变形,而试件整体变形不显著;在试验研究参数范围内,随着落锤撞击高度的增大,试件局部凹陷程度、跨中残余挠度以及撞击持续时间均保持线性增长;边界约束对跨中残余挠度、撞击力平台值以及撞击持续时间有较大影响;轴压比是影响试件动力响应过程的重要因素,随着轴压比的增大,撞击力时程曲线的平台段会逐渐缩短并消失,跨中挠度变形速度变快,撞击进程加快。

圆套圆夹层钢管纳米混凝土受力与强度分析

提出了纳米在圆套圆夹层钢管混凝土应用的新的观念。为计算圆套圆夹层钢管纳米混凝土短柱轴压承载力,采用极限平衡法对其进行分析,运用先前的纳米混凝土实验结论,得出了各种情况下的计算承载力的理论公式。并给出了计算结果,分析计算结果表明,圆套圆夹层钢管纳米混凝土比圆套圆夹层钢管普通混凝土极限承载力有较大的提高,最大可提高百分二十左右。

圆中空夹层钢管混凝土短柱的承载力

针对圆中空夹层钢管混凝土轴压短柱的极限承载力,应用薄壁圆筒的统一强度理论极限解,考虑内圆与外圆中空夹层钢管混凝土的内外钢管薄壁效应,提出了计算公式,与文献资料的试验结果做了比较。同时分析了钢管的径厚比、拉压强度比以及中间主应力对圆中空夹层钢管混凝土柱承载力的影响规律。结果表明:把内外钢管看成薄壁圆筒,推导的极限承载力计算公式的计算值与试验值误差小;极限承载力随着径厚比及拉压强度比的增大而减小,随中间主应力的增大而增大。

圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件抗震性能

选取合理的材料本构模型和混凝土损伤指标,通过ABAQUS软件建立圆锥形中空夹层钢管混凝土构件数值模型,并采用现有试验数据进行模型验证。在此基础上建立典型算例,分析典型算例的抗震性能指标,同时描述构件的破坏模态。对轴压比、空心率和长细比这3个对圆锥形中空夹层钢管混凝土抗震性能指标影响较为显著的参数进行分析,探究3个参数对滞回曲线极限承载力、延性系数和耗能能力的影响规律。比较圆锥形中空夹层钢管混凝土与不同截面尺寸的等截面圆中空夹层钢管混凝土抗震性能的差别,探究圆锥形中空夹层钢管混凝土与何种截面尺寸的圆中空夹层钢管混凝土可以实现抗震性能上的等效。结果表明:在一定范围内,轴压比和长细比的增大使得构件的耗能性能变差,空心率的增大使得构件的耗能性能变好,但需明确各参数的限值;截面面积减小使得构件的承载力降低、耗能性能变差;圆锥形中空夹层钢管混凝土的抗震性能与距其底部1/4高度处截面大小的圆中空夹层钢管混凝土等效。

圆中空夹层钢管混凝土压扭构件工作机理研究

为了对圆中空夹层钢管混凝土构件在压、扭复合受力下的工作机理进行研究,采用大型通用有限元软件ABAQUS对圆实心钢管混凝土压、扭复合受力构件进行建模计算,现有的试验验证了计算结果与计算方法的正确性。再采用同样的方法对圆中空夹层钢管混凝土构件在压、扭复合受力状态下进行了模拟计算。通过计算发现,扭矩—转角全过程关系曲线分为弹性、弹塑性、塑性强化三阶段。通过对三个阶段扭矩—转角全过程关系曲线、内外钢管和混凝土的应力分布云图、三者间相互作用力以及轴压比影响的分析,结果表明,在加载过程中,当轴压比较小时,随着轴压比的增大,极限扭矩增加;当轴压比较大时,随着轴压比增大,极限扭矩降低。

圆中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回模型研究

利用有限元方法,对往复荷载下圆中空夹层钢管混凝土压弯构件的荷载—位移全过程进行了计算,有限元模型中考虑了往复荷载下混凝土的刚度和强度退化,同时考虑了钢材的包兴格效应,计算结果与试验结果符合较好。在此基础上,分析了构件名义含钢率、轴压比、长细比、空心率等对该类构件荷载—位移滞回骨架曲线的影响。最后,提出了一种简化的圆中空夹层钢管混凝土压弯构件荷载—位移滞回关系模型。

圆锥形中空夹层钢管混凝土轴压短柱受力机理分析

为了研究圆锥形中空夹层钢管混凝土轴压短柱的受力机理,通过有限元软件ABAQUS建立了该类构件的力学模型,并与已有试验数据进行对比,验证了模型的合理性。分析了典型构件的受力全过程荷载-应变关系曲线、钢管与混凝土之间的相互作用力、破坏模态和荷载分配;同时分析了空心率、锥度、钢管径厚比和混凝土强度等参数对相互作用力的影响。结果表明:典型构件荷载-应变关系曲线可分为弹性段、弹塑性段、下降段和稳定段4个阶段;构件破坏是由外钢管向外鼓曲所导致的,破坏截面约在0.8H(H为构件高度)柱高处;锥度和空心率的改变对构件破坏截面位置影响较大,随着锥度和空心率的增大,破坏截面位置逐渐向柱顶靠近;影响外钢管与混凝土之间相互作用力的主要因素有空心率、锥度、外钢管径厚比、外钢管屈服强度和混凝土强度;影响内钢管与混凝土之间相互作用力的主要因素有空心率、锥度和外钢管屈服强度;内钢管径厚比与内钢管屈服强度对混凝土与内、外钢管之间的相互作用力影响较小,可不作为主要参数进行分析。

大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能研究

为研究大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件的滞回性能,对10个圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯试件(8个往复加载和2个单调加载试件)进行试验研究。考察空心率(0.6和0.8)和轴压比(0、0.2、0.4和0.6)对试件的破坏模态、P-Δ关系曲线和滞回性能的影响,并建立数值模型对单调加载的压弯试件的受力机理进行分析,最后讨论了圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件侧向承载力简化计算方法。研究结果表明,两种空心率试件的破坏形态基本一致,表现为试件下部不同程度的局部破坏;往复压弯试件的P-Δ曲线较为饱满,表现出较好的滞回性能。空心率从0.6增加到0.8对试件的侧向承载力和延性影响较小,两种空心率下的峰值荷载平均相差约3%。随着轴压比增加,试件的极限荷载降低,延性逐渐变差。往复加载试件的强度退化不明显,空心率为0.8的试件刚度退化更显著。试件的平均位移延性系数为3.56,平均黏滞阻尼系数为0.322,表现出较好的耗能能力。当空心率为从0.6增加到0.8,试件的黏滞阻尼系数平均提高15%。

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。

圆中空夹层钢管混凝土压弯剪构件工作机理研究

利用有限元软件ABAQUS对圆中空夹层钢管混凝土压弯剪构件进行研究,分析了混凝土强度、内外钢管屈服强度、轴压比、截面名义含钢率及空心率等参数对圆中空夹层钢管混凝土压弯剪构件的荷载-变形关系曲线的影响规律,并对圆中空夹层钢管混凝土压弯剪构件荷载-变形关系曲线进行全过程计算分析。结果表明:混凝土强度、外钢管屈服强度及截面名义含钢率越大,构件极限承载力越高,空心率越大,构件极限承载力越低,而随着轴压比的增大,构件承载力先增大后减小;圆中空夹层钢管混凝土压弯剪构件荷载-变形曲线可分为三个阶段:弹性段、弹塑性段和塑性段。通过对这三个阶段中内外钢管和混凝土固定端的截面纵向应力分布云图及钢管与混凝土间相互作用的分析,揭示了圆中空夹层钢管混凝土在压弯剪作用下的工作机理。

不同材料内管的圆中空夹层钢管混凝土构件轴压性能研究

为了研究不同材料内管对圆中空夹层钢管混凝土构件力学性能的影响,设计了内管为钢管、PVC管和PPR管的3种、共5根圆中空夹层钢管混凝土试件。对所有试件进行轴压试验并对其整体和内部的破坏形态、荷载-纵向应变关系曲线、平均应力-应变关系曲线及横向应变发展规律进行分析,运用有限元分析软件ABAQUS对试件进行了轴压全过程模拟。结果表明:PVC内管和PPR内管试件破坏时的斜向鼓曲更为明显,其极限承载力、组合弹性模量和延性均逊于钢内管试件;PVC内管试件的横向应变发展最快;提出的有限元模型能够较好地模拟所有试件的前期刚度和钢内管试件的极限承载力;与钢内管相比,PVC管和PPR管在轴压全过程中仅承担微小的轴向荷载,且其与夹层混凝土的相互作用几乎为零;PVC内管的圆中空夹层钢管混凝土构件不可用于承重结构中,而PPR内管的圆中空夹层钢管混凝土构件可用于工程中。

圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件工作机理研究

圆中空夹层钢管混凝土是在两个同心放置的圆钢管中间灌注混凝土而形成的一种新型组合结构。已有学者对其在轴压、压弯、纯弯等方面及在往复荷载下的力学性能进行研究,当被用作构筑物独立柱、输电塔杆、发电风车支架时其抗扭性能是十分重要的,但目前还未见对这方面研究的报道。利用有限元软件ABAQUS建模对钢管混凝土纯扭构件进行计算,数值模拟结果的正确性得到了试验结果的验证。在此基础上,对圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件的扭矩-转角全过程曲线进行了计算。计算结果表明,扭矩-转角曲线可分为三个阶段:弹性段、弹塑性段和塑性强化段,通过对这三个阶段中内外钢管和混凝土的应力分布云图及其相互作用的分析,揭示了圆中空夹层钢管混凝土在扭矩作用下的工作机理。

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。

大空心率圆中空夹层钢管超高性能混凝土短柱轴压力学性能研究

为研究大空心率的圆中空夹层钢管超高性能混凝土短柱的轴压力学性能,进行了6根大空心率的圆中空夹层钢管超高性能混凝土短柱和1根实心圆钢管超高性能混凝土短柱对比试件的轴压试验研究,分析了试件的破坏形态、荷载-应变关系曲线和横向变形系数。结果表明:大空心率的圆中空夹层钢管超高性能混凝土柱的轴压破坏形态表现为剪切型破坏和端部鼓曲破坏,其中内钢管在外钢管鼓曲的位置发生了向内的屈曲;随着空心率的增大,试件的承载力随之降低,试件的横向变形发展速度加快。采用有限元软件ABAQUS建立了轴压试件的分析模型,其中分别采用了两种混凝土本构关系模型进行了模拟,结果表明:采用两种混凝土本构关系模型模拟的破坏形态、极限承载力和荷载-应变关系曲线的弹性阶段都与试验结果基本吻合,它们的差异主要体现在极限承载力和荷载-应变关系曲线的下降段。

单边螺栓连接圆中空夹层钢管混凝土柱节点拟静力试验研究

为了获悉中空夹层钢管混凝土柱节点在地震作用下的抗震性能和破坏机理,文章进行了4个圆套圆中空夹层钢管混凝土柱与钢梁单边螺栓端板连接节点的拟静力试验,分析了端板形式和柱截面空心率对此类节点性能和破坏模式的影响;详细观察了节点在低周反复荷载作用下的受力全过程和破坏特征,分析此类节点的滞回曲线、骨架曲线、强度及刚度退化规律、耗能能力等抗震性能指标。试验结果表明:此类端板连接节点具有典型的半刚性特征,连接可靠,耗能效果良好;在相同空心率条件下,外伸端板连接节点的极限承载力、耗能能力要高于平齐端板连接节点;在相同端板形式条件下,节点的极限承载力和耗能能力随着柱截面空心率的增大而减小。研究成果可为我国半刚性中空夹层钢管混凝土结构的设计与应用提供科学依据。