采用铁素体不锈钢的圆形不锈钢管混凝土柱的设计方法研究

为研究采用铁素体不锈钢的圆形不锈钢管混凝土短柱的轴压性能,首先建立并验证其有限元模型,然后利用该模型创建典型算例数据库。基于算例数据库分析径厚比、名义屈服强度、混凝土强度等参数对其轴压性能的影响规律,并基于该有限元算例数据库验证现有圆钢管混凝土短柱设计方法的有效性。最后建议了采用铁素体不锈钢的圆形不锈钢管混凝土短柱的轴压承载力、轴压刚度和峰值应变的简化模型。简化计算结果和有限元计算结果吻合良好。

复式不锈钢管高强再生块体混凝土短柱轴压试验研究

在方不锈钢管混凝土中配置圆碳素钢管,可以改善方不锈钢管对核心混凝土约束效应低、变形能力差的特点,使复式不锈钢管混凝土(concrete-filled steel tube,CFST)截面具有较高的承载力、变形能力和抗火性能,减少普通钢结构的防腐和防火施工工序;钢管的约束效应也有利于弥补添加再生混凝土块体所带来的不利影响。开展16根复式不锈钢管高强再生块体混凝土短柱的轴压试验,考察了再生块体取代率、约束效应系数和新旧混凝土强度等参数对试件轴压力学性能的影响。研究结果表明:复式不锈钢管再生块体混凝土短柱试件的轴压承载力随再生块体取代率的增加而降低,替代率20%时承载力最大降低幅度为6.8%;试件破坏过程及破坏形态与普通复式不锈钢管混凝土短柱相似;内部圆钢管混凝土呈腰鼓型和剪切型破坏两种类型;复式不锈钢管再生块体混凝土短柱具有良好的变形能力和剩余承载力,超过峰值荷载后,荷载–位移曲线经过短暂下降,基本维持水平或略上升,所有试件的剩余承载力达到峰值荷载的63%以上。最后,提出了复式不锈钢管混凝土截面中钢管截面对核心混凝土的约束效应的简化方法,采用4种承载力计算方法进行轴压承载力的计算并对比,结果表明,考虑圆形截面部分的承载力乘以折减系数的假定具有较好的适用性,所得承载力的计算结果与试验结果吻合较好。

方中空不锈钢管混凝土短柱轴压承载力性能

为促进方中空不锈钢管混凝土构件在土木工程中的应用,以不锈钢外管厚度和混凝土强度为变量的6组试件为研究对象,首先,进行轴压试验,得到了不同试件在轴压荷载作用下的破坏模式、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线,并进一步分析了不锈钢方管宽厚比、核心混凝土强度以及不锈钢方管约束效应系数对方中空不锈钢管混凝土短柱极限承载力的影响;然后,初步讨论了倒角对强度和延性的影响,提出了避免内管先于外管屈曲的最小厚度计算方法;最后,基于试验结果以及已有文献数据,采用拟合方法推导了方中空不锈钢管混凝土短柱的抗压承载力计算式,并与已有文献的简化模型及国外主要规范的计算结果进行对比.研究结果表明:试件宽厚比由34.9降至20.9,极限承载力的提升率平均为98.5%,核心混凝土强度由C40提升至C60时,试件极限承载力的提升率平均为7.3%;短柱的轴压极限承载力随约束效应系数近似呈线性增加,约束效应系数ξ越大,短柱的承载力越高;本文得到的计算式可以较好地预测方中空不锈钢管混凝土短柱的轴压承载力.

方形截面不锈钢管混凝土短柱轴压性能有限元研究

不锈钢管混凝土(CFSST)结构在工程的应用愈发广泛,但目前对其轴压性能的研究较少。该文利用ABAQUS创建方形不锈钢管混凝土短柱(CFSSST)模型,并利用收集到试验结果对其进行验证。采用已被验证的模型进行参数分析,研究截面宽厚比和混凝土强度对其轴心受压性能的影响,并将参数分析轴压承载力结果与GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》、欧洲规范EN 1994-1-1和美国钢结构规范AISC 360-16中钢管混凝土(CFST)短柱轴压承载力的计算值进行对比,结果表明:规范的计算值偏于保守。最后,基于GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》提出适用于CFSSST短柱轴压承载力的计算公式,收集到的试验结果与计算值吻合良好。

复式钢管混凝土柱-钢梁半穿心节点拉拔性能试验研究

对3种复式钢管混凝土柱-钢梁半穿心节点试件(腹板半穿心节点试件AJ1、腹板-翼缘半穿心试件AJ2和腹板-横隔板半穿心节点试件AJ3)进行了拉拔试验,探讨了节点的破坏形态和拉拔性能。结果表明试件AJ2、AJ3的承载力比试件AJ1分别提高了14.2%和13%,表明内外钢管间设置横向水平半穿心构件有利于改善节点抗拉传力机制并可明显提高其抗拉承载力。为进一步研究半穿心构件对节点拉拔性能的影响,进行了纯钢梁翼缘节点试件AJ1-R、AJ2-R、AJ3-R的拉拔试验。结果表明,3种半穿心节点试件AJ1、AJ2、AJ3的极限荷载较纯翼缘节点试件AJ1-R、AJ2-R、AJ3-R分别提高了60.1%、22.7%、73.8%,初始刚度提高约2倍;半穿心腹板为主要传力构件,保证了节点具有较强的承载能力和抗拉刚度;半穿心翼缘能直接传递梁柱之间拉力,而半穿心横隔板有利于发挥斜向腋板传递拉力的作用,达到与半穿心翼缘相当的承载能力,且能较好地保证核心区混凝土的密实性和节点变形性能。

矩形不锈钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

为了研究矩形不锈钢管混凝土短柱轴压承载力性能,对7组不同截面尺寸的矩形不锈钢管混凝土短柱进行轴压试验,得到了不同试件的破坏模式、荷载-位移曲线、荷载-横向应变曲线、荷载-纵向应变曲线、荷载-长宽比曲线,分析了矩形截面长宽比对试件承载力的影响.研究结果表明:矩形不锈钢管混凝土短柱在轴向压力作用下,其典型破坏模式为试件局部向外屈曲破坏;在相同长宽比的情况下,壁厚由4 mm增加到6 mm时,试件承载力增加25%~57%;在相同壁厚的情况下,长宽比由1增加到2,试件承载力减小22%~30%;将本文试验数据与国内外普通碳钢钢管混凝土柱的相关规范和标准的计算结果进行对比分析,发现不锈钢管混凝土短柱轴压承载力较相同截面的普通碳钢钢管混凝土短柱承载力平均高出14%;通过数值拟合得到了轴压承载力计算公式,该计算公式能较好地预测矩形不锈钢管混凝土短柱轴压承载力.

复式不锈钢管混凝土轴压试验研究

钢管混凝土在实际工程中已得到广泛应用,但普通碳素钢在极端环境中的应用存在局限性。不锈钢管混凝土既有类似于普通钢管混凝土的力学性能,又能在特定环境下起到耐腐蚀作用,在特殊工程中应用前景广阔。对一系列不同内钢管厚度和强度的复式不锈钢管混凝土轴压试验,结果表明应变达到0.07时,仍能够保持80%以上的峰值承载力,具有很好的延性;内钢管厚度的增加对极限轴向承载力的下降起到了明显减缓作用,但对其影响有限;提高内钢管厚度和强度均能显著提高试件的压缩刚度;现行规范能对复式不锈钢管混凝土轴压承载力进行较为准确的估计。

圆不锈钢管混凝土短柱轴压承载力模型研究

不锈钢管混凝土结构因具有良好的耐腐蚀性能和承载力高等优点,在海洋平台、桥梁、地下工程中具有极佳的应用前景。为了研究圆不锈钢管混凝土柱轴压承载力,对不同径厚比的奥氏体型无缝圆不锈钢管混凝土短柱进行轴压试验,得到圆不锈钢管混凝土短柱在轴压下的破坏模式、荷载-轴向变形曲线、荷载-环向应变曲线、荷载-纵向应变曲线、承载力与不锈钢圆管约束系数的关系、试件的延性与不锈钢圆管约束系数的关系;同时,通过拟合得到的圆不锈钢管混凝土短柱轴压承载力计算公式,与国内外主要规范的计算结果进行对比分析;最后,由拟合公式推导得出了圆不锈钢管混凝土抗压承载力模型,并与Mander模型、Li模型、Xiao模型、Teng模型进行比较。研究结果表明:圆不锈钢管混凝土短柱在轴压作用下,其典型的破坏形式为向外局部屈曲破坏,不锈钢管对核心混凝土的约束作用、试件的延性和承载力随约束效应系数的增加而增大;相关规程中普通钢管混凝土承载力计算方法应用于圆不锈钢管混凝土短柱承载力计算时偏小,采用本文拟合公式的计算结果更接近试验值;同时,本文的圆不锈钢管混凝土承载力模型、Xiao模型和Teng模型与试验结果较接近,但采用本文模型计算结果标准差更小,得出的圆不锈钢管混凝土短柱承载力较Xiao模型和Teng模型稍微偏大。

不锈钢管海砂混凝土短柱轴压性能试验研究

对不锈钢管海砂混凝土轴压短柱进行了一系列的试验研究,主要试验参数包括细骨料类型(河砂、淡化海砂、海砂).研究了不锈钢管海砂混凝土轴压短柱的破坏模态、荷载与变形关系曲线、极限承载力以及其横截面强度并与不锈钢管河砂混凝土短柱进行了对比.此外,使用现行的3种钢管混凝土规程对试验试件进行了承载力计算,并与试验值进行了对比,结果表明,现行的3种规范中,DBJ 13和EC 4可以较好地计算不锈钢管海砂混凝土轴压短柱的承载力,AISC规程计算值偏于保守.总之,海砂混凝土在一般情况下用作不锈钢管混凝土短柱的核心混凝土时,其承载力与普通混凝土差异较小,表明不锈钢管海砂混凝土轴压短柱在实践中可以采用.

不锈钢管组合短柱轴压承载能力试验研究

通过对18个试件的轴压试验,该文深入探讨了方形与圆形截面不锈钢管与钢纤维增强再生混凝土组合柱的轴压性能。试验重点观察了破坏形态、承载力及变形能力等关键性能指标,并系统分析了截面形状、钢纤维掺量及再生骨料替代率等因素对承载力和变形的影响。结果显示:屈服荷载与峰值荷载的差异较小,但对应的变形差异较大,说明屈服后的塑性特征明显,承载力增长有限,而变形增长明显,直至达到峰值荷载;钢纤维掺量在0~2%范围内,其用量的增加可稳步提升组合短柱的承载力;无论方形截面或圆形截面,钢纤维的增强效果对强度更低的再生骨料更有效;随着再生骨料替代率的提高,短柱的承载力与变形能力均逐渐降低;黏土砖空隙率高,搅拌过程中吸附了大量自由水,起到内养护作用,促进了混凝土强度的后续发展,可以在一定程度上补偿因再生骨料而导致的短柱承载力损失;圆形截面的变形能力更好,峰值荷载对应的压缩变形为2.31~5.75 mm,大于同条件下方形截面(1.96~3.76 mm)。

不锈钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

对9根奥氏体型和9根双相型不锈钢管混凝土短柱进行轴压试验,测得了短柱在轴压作用下的极限荷载、纵向应变和环向应变等,重点考察了钢管壁厚和混凝土强度对短柱承载性能的影响,并参考普通钢管混凝土设计规程欧洲规程(Eurocode 4)、美国规程(ACI 318-99)、日本规程(AIJ-CFT),我国相关规程DBJ 13-51―2003、DL/T5085―1999和CECS 28:2012计算了不锈钢管混凝土短柱的承载力并进行对比分析。结果表明,不锈钢管混凝土轴压短柱在核心混凝土强度等级相同的情况下,构件承载力随钢管壁厚的增加而增大,混凝土强度对其有影响。6种规程在计算不锈钢管混凝土短柱承载力时偏于安全,其中CECS 28:2012更接近试验结果,该文成果对不锈钢管混凝土短柱承载力的设计有一定的参考意义。

矩形不锈钢管混凝土柱双向偏压力学性能试验研究

完成了14根矩形不锈钢管混凝土柱在双向偏压下的试验研究,试验考察的主要参数为:荷载偏心率、混凝土强度和试件长度。试验结果表明:在双向偏心受压荷载作用下,矩形不锈钢管混凝土柱具有良好的延性;荷载偏心率、混凝土强度和试件长度对矩形不锈钢管混凝土双向偏压试件的承载力和延性都有着明显的影响,跨中截面的应变变化符合平截面假定。采用现有《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ/T 13—51—2010)中的钢管混凝土双向压弯相关方程对试验构件的极限承载力进行了计算,其结果和试验值吻合较好。

内嵌十字型钢的方形劲性不锈钢管混凝土柱耐火性能

通过在不锈钢管混凝土柱中内嵌型钢组成劲性不锈钢管混凝土柱,在降低不锈钢用量的同时使柱体具有更优的延性和耐火性能。采用有限元模拟的方法对内嵌十字型钢的方形劲性不锈钢管混凝土柱的耐火性能开展研究。首先建立火灾下方形劲性不锈钢管混凝土柱耐火性能分析的有限元模型,并采用相关试验的温度场及耐火性能数据对其进行充分验证;基于验证的有限元模型,对不同荷载比作用下一典型劲性不锈钢管混凝土柱的温度历史、轴向位移-时间关系、典型破坏模态和截面内力重分布等开展分析,明确其火灾下的工作机理;同时与等含钢率的不锈钢管混凝土柱开展对比分析。结果表明:内嵌型钢有助于提高高温下柱体的轴向、侧向刚度,劲性不锈钢管混凝土柱的破坏模态表现为轴向压缩破坏;在低火灾荷载比下,由于型钢分担部分从不锈钢转移的荷载,允许不锈钢发生更高的温度材性劣化,进而提高了柱体的耐火性能,火灾荷载比越小,该提升效果越显著。

复式钢管混凝土柱装配式连接锚固性能试验研究

预制混凝土构件通常采用先拼接后灌浆的连接方式,一旦灌浆不密实,将存在严重安全隐患。为了解决装配式复式钢管混凝土结构的连接问题,探索更方便可靠的连接方式,将先灌浆后插筋的连接方式运用到装配式复式钢管混凝土柱的连接中,系统研究了该连接方式下装配式复式钢管混凝土柱中的钢筋锚固性能和锚固长度。并通过设计制作36个复式钢管混凝土柱的灌浆插筋锚固试件,采用拉拔试验方法研究了钢筋直径、位置、锚固长度、预制孔形式及直径、灌浆料强度、混凝土强度7个影响因素对浆锚钢筋在复式钢管混凝土柱中的锚固性能影响。研究结果表明:(1)试件的典型破坏形式包括钢筋未屈服拔出、钢筋受拉屈服拔出、钢筋拉断三种形式,主要发生钢筋屈服后试件破坏,锚固性能良好;(2)浆锚钢筋在灌浆料中的受力过程主要分为四个阶段:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破坏阶段;(3)预制孔直径、混凝土强度、灌浆料强度越大,锚固钢筋锚固性能越好;(4)角部浆锚钢筋的极限承载力和极限黏结应力均比中部浆锚钢筋大;(5)复合钢管混凝土柱装配式连接的锚固长度建议根据《混凝土结构设计规范》进行计算确定,且预制孔直径不小于2 d,且不宜小于32 mm。

长期荷载作用下不锈钢管混凝土轴压柱力学性能的有限元分析

基于有限元法建立了在长期荷载作用下不锈钢管混凝土轴压柱的分析模型,计算结果与试验结果进行了验证,同时对是否考虑长期荷载影响的轴压柱的荷载-变形曲线以及构件材料的相互作用力等进行了对比分析。通过分析发现:长期荷载作用下不锈钢混凝土轴压柱的承载力提高且对应的轴向位移增大,同时延缓了钢管与核心混凝土之间的相互作用。

复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能有限元分析

为研究梁翼缘宽厚比对复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的抗震性能的影响,运用ABAQUS有限元软件建立了4个有限元模型,对节点模型梁端施加低周往复荷载作用。结果表明,提高梁翼缘宽厚比能够提高复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的变形能力,并且随着翼缘宽厚比的增大,极限承载力和屈服荷载逐级增大,延性系数变化不明显,以及在大位移工况下,梁翼缘宽厚比对节点耗能影响较大。

内壁开孔型复式方钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

为研究内壁开孔型复式方钢管混凝土短柱的轴压力学性能,采用有限元软件ABAQUS建立了6个短柱有限元分析模型,分析了内壁开孔尺寸对短柱轴压力学性能的影响。研究结果表明,相较于普通方钢管混凝土短柱,复式方钢管混凝土短柱具有较高的屈服荷载、峰值荷载和延性。随着内壁开孔尺寸的增大,复式方钢管混凝土短柱的屈服荷载、峰值荷载和延性逐渐下降。

不锈钢管螺旋筋海洋混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究不锈钢管螺旋筋海洋混凝土短柱的轴压性能,以螺旋筋直径与间距、纵筋直径与数量、螺旋筋与纵筋的截面配筋率之比为变化参数,设计了17组共51个轴压短柱进行静力加载试验,观察了短柱的受力破坏过程及形态,获取了轴向荷载-位移曲线及各钢材应变曲线,基于试验数据,分析各变化参数对该类短柱的承载力、轴压延性、耗能能力、损伤发展的影响规律。结果表明:短柱破坏形态均表现为不锈钢管局部屈曲压皱和混凝土斜向剪切破坏;配置螺旋筋和纵筋可以使短柱的承载力增大14.95%,延性系数增大73.25%,耗能系数增大19.69%,并抑制短柱的损伤发展;相同换算截面配筋率下,随螺旋筋间距增大(直径增大),短柱承载力、延性、耗能均呈递减趋势;随纵筋直径增大(数量减少),短柱承载力表现为先减小后增大、延性先增大后减小、耗能递减;螺旋筋与纵筋截面配筋率最优比值为0.875。最后提出了该类短柱的轴压承载力计算式,其计算值与试验值吻合良好。

复式空心钢管混凝土柱抗压刚度

将复式钢管混凝土空心柱分成混凝土、内钢管和外钢管三部分,将其作为拟平面轴对称问题进行分析,考虑混凝土和内、外钢管的径向位移、纵向应变协调,建立了复式钢管混凝土空心柱抗压刚度计算公式,并得到了复式空心钢管混凝土柱在轴力作用下的应力分配比。同时分析了核心混凝土泊松比、内钢管泊松比、外钢管泊松比、内钢管壁厚、外钢管壁厚对复式空心钢管混凝土柱的抗压钢管和应力分配比的影响,得到了复式空心钢管混凝土柱轴压应力不是按弹性模量比分配、内外层钢管壁厚和泊松比对彼此无显著影响等结论。

复式钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能有限元分析

复式钢管混凝土柱具有较高的抗压承载力,在强地震作用下具有很好的防倒塌能力,已广泛用于大跨度桥梁和超高层房屋建筑中。基于复式钢管混凝土柱-钢梁节点的试验研究,合理选择材料本构关系、破坏准则,采用ANSYS软件建立了有限元模型,以研究该类节点在低周往复荷载作用下的抗震力学性能。有限元模拟得到的滞回曲线及骨架曲线与试验结果吻合较好,从而验证了有限元模型的合理性。在此基础上,分析了钢梁及内外钢管在受力过程中的应力分布,探索了此类节点的传力机制及最终破坏形态;最后对该类节点进行参数分析,研究了钢梁强度等级、外方钢管柱强度等级、外方钢管柱壁厚及复式钢管混凝土柱轴压比对节点受力性能的影响,供此类新型节点的试验设计及工程应用参考。