内置开孔钢板加劲肋的L形宽肢钢管混凝土组合柱轴压性能研究

为研究内置开孔钢板(PBL)加劲肋的宽肢钢管混凝土组合柱(W-LCFST)的轴压性能,以L形双板连接钢管混凝土组合柱(LCFST-D)的轴压试验为基础,开展了W-LCFST柱参数化分析。结果表明:添加PBL加劲肋可增强混凝土和钢板之间的相互作用,与未添加PBL加劲肋的试件相比,添加1组PBL加劲肋,承载力提高了3.8%~5%,延性系数提高了14.3%~25.7%;添加2组PBL加劲肋,承载力提高了7.9%,延性系数提高了29.2%。最后,基于Mander理论,提出了预测W-LCFST柱截面承载力的计算公式,并将预测公式计算结果、日本规范Recommendations for design and construction of concrete filled steel tubular structures(AIJ-CFT(1997))、美国规范Load and resistance factor design specification for structural steel buildings(AISC-LRFD(1999))、《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159:2004)分别与有限元结果进行了对比。结果表明:上述公式计算结果均较为保守,但所提出的预测公式计算结果更加准确,平均误差为7%。

圆钢管型钢再生混凝土组合柱滞回性能非线性有限元分析

基于圆钢管型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验研究,采用OpenSees软件对该组合柱进行了滞回性能数值分析,获取了组合柱的滞回曲线及抗震性能指标,并与试验结果进行了比较,验证了组合柱数值模型的合理性。在此基础上,对组合柱的滞回性能开展了参数影响分析。结果表明:再生骨料取代率从0增大到100%,组合柱的峰值荷载下降了7.78%,延性略有降低;提高再生混凝土强度、型钢强度及圆钢管强度,对于提升组合柱的承载力及刚度是有利的,但却使组合柱的脆性增大;随着轴压比的增大,组合柱的承载力呈现先上升后下降的趋势,而延性逐渐变差;型钢配钢率从5.54%增至9.99%,组合柱的峰值荷载提高了24.34%,但对于改善组合柱的延性不明显;增大钢管壁厚对组合柱的承载力和延性均是有利的。

某超高层项目钢管混凝土组合柱应用

某超高层项目荷载较大,导致框架柱截面较大,严重影响建筑空间使用。采用钢管混凝土组合柱,和型钢混凝土柱相比,标准层每根柱节约建筑有效使用面积1.5~1.8m^(2),结构主体成本节约近1000万元。提出了对钢管进行开孔的梁柱节点做法并分析五种不同节点方案,采用大型通用有限元软件ABAQUS进行仿真分析,充分考虑框架梁对节点的约束作用,得到五种节点方案的极限承载力及钢管的最大应力,结果表明采用钢管开孔的梁柱节点做法可行,并得到最合理的开孔形式;分别对7种不同箍筋形式进行受力性能分析,并考虑实际施工因素,得到最为合理的箍筋设置形式。

钢管混凝土柱-软钢板组合高墩受压性能试验

为改善传统钢筋混凝土高墩桥梁的抗震性能,基于能力设计原理和结构抗震韧性设计理念,本文提出一种可更换部件的四肢钢管混凝土柱-软钢板组合箱形截面高墩。本文设计制作了1/10比例的缩尺试件,通过轴心和偏心受压试验,研究荷载偏心率、软钢板厚度等对新型组合高墩受压性能的影响。试验结果表明:新型组合高墩试件在轴压作用下,四肢钢管混凝土柱基本整体协调变形;当加载至试件破坏时,四肢钢管及软钢板均早已受压屈服,钢管套箍作用充分发挥;破坏形态呈整体弯曲失稳。在受偏心压力作用且偏心率不超过0.405时,四肢钢管混凝土柱全截面受压,组合截面纵向应变分布在弹性阶段基本满足“平截面假定”,在弹塑性阶段近似满足“拟平截面假定”;当加载至试件破坏时,破坏形态亦呈整体弯曲失稳。此外,钢系梁受力较小,仅起构造作用;而增大软钢板厚度,可有效提高新型组合高墩的截面抗弯刚度和正截面受压承载力,降低其侧向挠度;故在计算新型组合高墩的受压承载力时,应充分考虑软钢板的“结构元件”作用。

钢管混凝土组合柱耐火性能对比分析

采用非线性有限元软件ABAQUS对方钢管混凝土柱、复式钢管混凝土柱、内嵌十字型钢钢管混凝土柱和4腔钢管混凝土柱4种钢管混凝土组合柱开展火灾下的力学分析,并采用相关实验数据进行验证.分析不同荷载比下钢管混凝土组合柱的温度场、位移-时间曲线、截面内力重分布等.结果表明:内嵌型钢(钢管)有助于提升柱体的轴向刚度,钢管混凝土组合柱的破坏模态表现为压缩鼓曲破坏;低荷载比下内嵌钢管允许方钢管发生更高的温度材性劣化,进而提升了柱体的耐火性能,火灾荷载比越小,提升效果越显著.

多腔钢-混凝土组合壁式柱弱轴方向抗震性能试验研究

用于异形柱框架结构的各种截面型式的多腔钢-混凝土组合柱具有良好的使用功能和可装配建造性能,与异形柱面外有侧肢不同,保证矩形截面壁式柱弱轴方向的抗震性能更为重要。为了探究多腔钢-混凝土组合壁式柱弱轴方向的抗震性能与受力机制,运用低周往复荷载试验与有限元分析相结合的方法开展研究。结果表明:压弯荷载作用下,多腔钢-混凝土组合壁式柱弱轴方向的滞回曲线饱满,其全过程受力可划分为稳定承载、转化过渡和峰后二阶效应显现三个阶段,试件对应的两个特征分界点的层间位移角分别为1/57和1/27;试件屈服点和失效破坏点对应的层间位移角分别为1/85和1/23,均大于规范限值,延性系数为3.73;两端钢管、中间钢板和腔内混凝土可协同受力,混凝土未见明显压碎和开裂,钢管和钢板未见明显损伤;所得有限元模拟结果与试验结果吻合度高,骨架曲线平均相对误差为4.6%。上述成果深化了对多腔钢-混凝土组合壁式柱弱轴方向抗震性能的认知,为工程应用提供了参考。

L形双连接板实体式方钢管混凝土组合柱抗震性能研究

提出了一种采用双连接板的L形实体式方钢管混凝土组合柱,为了研究其抗震性能,设计了3个采用不同的钢管连接件的尺寸(宽度分别为100mm或200mm)、不同轴压比(0.4和0.6)的试件。对各试件施以不同的竖向恒载,进行了拟静力试验,讨论了试验参数对试件抗震性能的影响。结果表明:连接板宽度与水平峰值荷载和刚度呈正相关,增加连接板宽度对两者的提升很大,与延性和耗能能力呈负相关,增大连接板宽度两者有所下降,而且更宽的连接板会加剧强度退化和刚度退化;竖向恒载与水平峰值荷载和耗能能力呈负相关,加大轴压比导致两者均变小,且加剧了刚度衰减,但是能在一定程度上改善延性,强度退化也更均匀。通过有限元模拟研究了钢管壁厚度、钢管管径和钢材强度等级对组合柱受力性能的影响。结果表明:增大钢管壁厚度、钢管管径都可以显著加强L形双连接板实体式方钢管混凝土组合柱的水平峰值荷载和刚度,但变形能力即延性也明显下降;提高钢材强度等级则能使水平峰值荷载和延性都得到改善。

花瓣形钢管混凝土柱轴压受力机理和承载力研究

花瓣形钢管混凝土柱具有造型美观的优点,为具体研究其受力机理和承载力,定义了其截面组成,提出了截面偏移比和截面对称系数以反映花瓣形截面性质,提出在花瓣柱中设置十字形加劲肋以增强其组合效应。基于某工程中墩柱和有限元模型,研究了花瓣形钢管混凝土短柱在轴压荷载作用下的受力机理,分析了加劲肋厚度、混凝土强度、钢材强度、加劲肋开孔直径和间距等参数对轴压性能的影响,研究了加劲肋厚度与钢管壁厚的匹配关系。根据理论分析和大量有限元参数分析结果,建议了加劲肋厚度与钢管壁厚之比和钢管名义径厚比的取值范围,提出了花瓣形钢管混凝土短柱的轴压承载力计算式。

方钢管混凝土柱与U形钢组合梁分离式内隔板节点抗震性能试验研究

为研究方钢管混凝土柱与U形钢组合梁分离式内隔板节点的抗震性能,对4个节点试件进行低周反复加载试验,试验参数为内隔板形式和梁柱交界面处有无加强连接。分析各试件的破坏模式、滞回性能、延性、耗能等指标,并给出加劲板的设计建议。结果表明:4个节点试件的破坏模式均为梁端受弯破坏,滞回曲线呈反S形、有明显的捏缩现象;试件的位移延性系数μ为2.3~3.1,弹性层间位移角θy为1/68~1/53,弹塑性层间位移角θu为1/28~1/19,等效黏滞阻尼系数ζeq为0.12~0.16,变形能力较好,并具备一定耗能能力;改变内隔板形式对试件的承载能力影响较小,但相较于传统内隔板节点试件,分离式内隔板弱轴节点试件的耗能能力有所降低;加强梁柱交界面处的连接可减缓刚度退化速度、显著提高节点的承载能力和耗能能力。

预制节段拼装双层钢管-混凝土组合墩柱抗震性能分析

为研究预制节段拼装CFDST墩柱的抗震性能,开展了预制节段拼装CFDST墩柱拟静力试验,并采用有限元软件ABAQUS对墩柱力学行为进行数值模拟,分析素混凝土层、初始预应力度和节段数量对墩柱抗震性能的影响.结果表明:在水平往复荷载作用下,墩柱未出现明显破坏,滞回曲线呈明显旗帜形,最大残余偏移率为0.18%,具有良好的自复位性能;最大偏移率为5.25%时,轴向预应力损失约为10.20%,墩身变形主要来自接缝处开口,正、负向最大累计开口量分别达到10.70和12.35 mm,存在明显的多转角变形模式;数值模型可以较好地模拟墩柱的非线性力学行为;考虑节段间素混凝土层可以更为合理地模拟墩柱滞回性能,提高初始预应力度可增强墩柱强度和耗能能力,而节段数量则对墩柱滞回性能影响较小.

内嵌轻质墙板L形方钢管混凝土组合柱框架结构抗震性能试验与数值模拟

针对内嵌轻质墙板双钢板连接L形方钢管混凝土组合柱(LCFST柱)框架结构的抗震性能,设计并制作了未安装墙板的LCFST柱框架试件SJ-1和内嵌轻质墙板的LCFST柱框架试件SJ-2进行低周反复荷载试验,并通过有限元软件对内嵌墙板厚度、墙板强度进行参数化分析.试验结果表明:两框架结构属于“强柱弱梁”的破坏模式;SJ-2中墙板破坏多出现墙板顶端和角部,内嵌墙板可在一定程度上延缓主体框架的破坏;SJ-1和SJ-2均具有良好的耗能能力、延性和变形能力;SJ-2较SJ-1,正、负向弹性刚度、极限承载力均有明显提高,耗能能力比SJ-1略有增加.参数分析表明:增大墙板的厚度或强度,整体结构初始刚度的提升很小,但其峰值荷载的提升较为明显;其中墙板厚度由100 mm增至200 mm,墙板对峰值荷载的贡献率从22.76%提升至30.70%;墙板强度由2.5 MPa增至7.5 MPa,墙板对主体结构峰值荷载的贡献率从23.68%提升至34.52%.

内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能研究

为探究约束拉杆对横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能的影响,采用有限元软件ABAQUS数值仿真模拟和轴压试验分析了内置横向拉杆的横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的轴压性能,通过对比分析了内置横向拉杆的数量对横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的荷载-轴向应变曲线、延性、屈服荷载以及核心混凝土约束效应的影响规律。研究表明,内置横向拉杆能够增强对核心混凝土的约束效应,提高横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的轴压承载力和延性。

GFRP管-石粉地聚物混凝土-钢管组合短柱轴压性能研究

玻璃钢纤维增强复合材料管-石粉地聚物混凝土-钢管组合柱(DSTC-GC)是一种将废弃大理石粉地聚物混凝土代替普通混凝土而得到的一种新型组合柱。以玻璃钢纤维增强复合材料(GFRP)及钢管的外直径与管厚、混凝土类型、截面空心率等为参数共设计制作了11根试件并开展了轴压性能研究。结果表明:DSTC-GC试件出现三种典型破坏形态,试件曲线呈典型的双线性强化,较普通混凝土DSTC试件发现荷载-钢管应变曲线出现平缓屈服台阶。GFRP及钢管对试件力学性能及变形影响显著,合理的空心率有利于提高DSTC-GC试件材料的使用效率及延性。废弃石粉在DSTC-GC试件中的掺量为50%(质量分数)时试件的轴压性能较好,而普通混凝土DSTC试件轴压性能优于DSTC-GC。基于试验结果,建立了f_(cc)/f_(c0)、ε_(cc)/ε_(c0)及λ_(t)之间的函数关系,对比发现Gao等模型更适用DSTC-GC试件承载力计算。

GFRP管-钢管混凝土组合柱的轴压力学性能研究

本文研究发现在GFRP管同样厚度条件下,组合柱的承载力及延性与直径正相关;GFRP管同样直径条件下,组合柱的承载力及延性与厚度正相关;GFRP管直径对组合柱轴压力学性能影响,与内管厚度关系显著。并提出适用本次试验分析的组合柱纤维模型,进行GFRP管-钢筋混凝土组合柱的变参数研究,随着管的径厚比的减小,组合柱的承载力与延性有显著提升,为类似研究提供理论参考。

钢管混凝土组合双肢柱偏压性能及设计方法

提出一种采用单边螺栓连接的新型钢管混凝土组合双肢柱结构,并开展4根组合双肢柱的偏压试验和4根钢管混凝土柱的轴压试验。首先,采用ABAQUS建立组合双肢柱的有限元模型;其次,在试验验证的基础上进行偏压荷载作用下的全过程数值模拟和参数分析,研究偏心率和系梁数量等参数对破坏特征、荷载−变形曲线以及柱肢受力性能等的影响,最后,研究组合双肢柱的受力机理,并提出其偏压承载力的计算公式。研究结果表明:单边螺栓连接节点具有良好的连接质量,组合双肢柱均发生以近载侧柱肢强度控制的受压破坏;组合双肢柱的荷载−变形曲线与对应的柱肢短柱轴压曲线特征相似,曲线的下降段后期发展平缓,表现出良好变形能力;在偏压荷载作用下,近载侧柱肢承担较大轴力,远载侧柱肢承担的轴力随偏心率增大而降低;外荷载产生的弯矩主要由两柱肢轴力产生的抵抗力矩来平衡,柱肢截面弯矩承担的比例仅占7%~9%;组合双肢柱偏压承载力随着偏心率增大近似呈线性降低,当偏心率从0.2增加到0.4,承载力下降20%;增加系梁数量对偏压承载力的影响并不明显;本文提出的考虑剪切变形影响的偏压承载力公式计算结果与试验结果吻合较好。

内置高强芯柱的方钢管混凝土柱-钢梁端板-螺栓连接节点的抗震性能

为研究内置FRP约束UHPC高强芯柱的方钢管混凝土柱-钢梁端板-螺栓连接节点的抗震性能,基于“强柱弱梁”目标设计制作5个端板-螺栓连接节点试件,通过拟静力试验研究节点的破坏机理,并分析柱轴压比、FRP管厚度和有无芯柱对节点抗震性能的影响,对比钢梁更换前后节点的性能。试验结果表明:所有试件均在梁端形成塑性铰破坏;该破坏模式下,节点具有较高的承载力、耗能能力和较好的延性;内置芯柱时,试件承载力提高但延性降低;随着FRP管厚度增加,节点初始刚度和耗能能力均得到提升;相比原试件,更换梁试件的耗能能力、延性和初始刚度均有所降低。变形分析结果表明:节点域组合柱以受弯变形为主,两侧钢梁主要承担节点域的剪切变形。依据初始刚度判定该节点属于刚性节点。

组合T形截面钢管混凝土柱正截面受压承载力试验研究

在总结分析各种异形钢管混凝土柱工程应用的基础上,提出矩形钢管混凝土组合焊接T形柱(WeldedRectangular Composite T-shaped Concrete-Filled Steel Tubular Column,简称WRC-T钢管混凝土柱)。考虑约束效应系数、长径比、肢长腹比等参数的影响,设计制作34个WRC-T钢管混凝土柱试件;通过轴心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-纵向应变曲线、强度承载力和稳定承载力,分析各参数对此类试件轴心受压力学性能的影响。通过试验数据回归分析,参考国内外相关规范的计算条文,提出WRC-T钢管混凝土柱轴心受压强度承载力和稳定承载力的实用计算公式。研究表明,WRC-T钢管混凝土柱的两个组成部分能很好地协同工作,力学性能好;长径比L/i≤14.4的试件可视为短柱,长径比14.4<L/i≤33.6的可视为中长柱。文中所提强度承载力和稳定承载力公式的计算结果与试验值符合良好,可供工程设计参考。

钢管混凝土组合T形短柱轴压力学性能研究

在总结分析各种异形钢管混凝土柱工程应用的基础上,提出矩形钢管混凝土组合焊接T形柱(Welding Rectangular Composite T-shaped Concrete-Filled Steel Tubular Column,简称WRC-T钢管混凝土柱).考虑约束效应系数、长径比、肢长腹比等参数的影响,设计制作20个WRC-T钢管混凝土短柱试件,通过短柱的轴心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-变形曲线和极限承载力,分析各参数对此类短柱轴压力学性能的影响.应用大型有限元软件ABAQUS6.5进行数值模拟分析,将数值模拟结果与试验结果进行比较,两者符合较好.研究表明,WRC-T钢管混凝土短柱的两个组成部分能很好地协同工作,力学性能好,便于施工;利用有限元软件ABAQUS6.5中的C3D8R单元进行实体建模可以较好地模拟WRC-T钢管混凝土短柱的力学性能.

钢管混凝土叠合柱边框组合核心筒抗震性能试验研究

为了比较带钢管混凝土叠合柱边框组合核心筒与带钢管混凝土边框组合核心筒的抗震性能,进行了1个钢管混凝土叠合柱边框组合核心筒模型和1个钢管混凝土柱边框组合核心筒模型的低周反复荷载试验研究,2个模型均按1/6缩尺.在试验基础上,分析比较了2个核心筒的承载力、延性、滞回特性、刚度及其衰减过程、耗能能力和破坏特征.研究表明,钢管混凝土叠合柱边框组合核心筒比钢管混凝土柱边框组合核心筒的抗震性能显著提高;承载力简化计算模型的计算结果与实测结果符合较好.

劲性钢管混凝土组合柱轴压性能试验研究

采用 1 5MN大型长柱压力试验机对 1 0根劲性钢管混凝土组合柱试件进行轴心受压试验 ,在试验现象和数据分析的基础上 ,研究劲性钢管混凝土组合柱的轴压力学性能 ,分析柱的钢管(骨 )含钢率、纵筋配筋率、配箍率及截面形式等因素对组合柱轴压性能的影响 .研究结果表明外包钢筋混凝土能够与核心钢管混凝土共同工作 ,柱的钢管 (骨 )含钢率、纵筋配筋率。