FRP-自密实混凝土-钢双壁空心组合柱轴压力学性能分析

本文所研究的组合柱,可以使三种材料优势相融合,力学性能良好,有利于加快施工速度,并保证混凝土在构件各位置分布均匀,但存在一定的不足,具体表现为力学性能不稳定,各材料之间容易出现孔隙。本文将针对该组合结构力学性能进行分析,通过试验与试件设计、材性试验、试件制作、观察试验现象、分析试验结果,明确结构稳定性变化规律,希望为相关行业提供参考。

FRP-混凝土-钢双壁空心柱的抗爆性能分析

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)-混凝土-钢双壁空心柱是一种新型混凝土组合柱,由外层FRP管、内层钢管及两管间填充的混凝土组成。针对FRP-混凝土-钢双壁空心柱在近场爆炸荷载下的抗爆性能进行了数值模拟。采用任意拉格朗日欧拉法(arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)进行建模,并基于已有的试验结果验证所建模型的准确性。利用验证后的数值模型,对爆炸冲击波传递过程、混凝土损伤发展、FRP管环向应变、爆炸后剩余力学性能以及参数进行了分析。结果表明,FRP管能有效约束爆炸区域内的夹层混凝土;爆炸后双壁空心柱的轴向承载力明显减小、轴向刚度明显下降;通过增加FRP管、钢管厚度,以及减小空心率能提高双壁空心柱的抗爆性能,其中前两项的影响更为显著。

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱抗冲击性能研究与机理分析

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱(FRP-concrete-steel double skin tubular columns)目前已在桥梁墩柱中得到应用,抗冲击性能是其推广应用的重要指标。为此,基于前期试验,采用ABAQUS软件建立了考虑轴力与侧向冲击耦合影响的有限元模型。首先,分析了轴力-冲击联合作用下该类构件的抗冲击机理;其次,重点研究了FRP厚度和缠绕角度、轴压比、冲击速度、空心率、内钢管径厚比与材料强度对抗冲击性能的影响;最后,给出了轴力-冲击耦合作用下构件动力放大系数的计算公式。结果表明,混凝土的塑性变形是构件抗冲击的主要耗能机制;轴力对构件抗冲击性能有明显影响,当轴压比大于0.7时,轴力对抗冲击性能有削弱作用;内钢管径厚比对构件抗冲击性能影响较小;建议的计算公式可较好地预测该类构件的抗冲击承载力。

FRP-混凝土-钢双壁空心管长柱轴心受压试验

为研究FRP-混凝土-钢双壁空心管长柱的轴心受压性能,完成了3根长细比分别为16.8、16.9和33.7的试件试验。试件为失稳破坏。试验结果表明,长细比增大,承载能力和变形能力下降。通过分析本文和有关文献的试验结果,提出了考虑长细比影响的双壁空心管长柱轴心受压承载力计算公式,计算结果与试验结果符合较好。

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱塑性铰区弯矩-转角恢复力模型

采用Clough双线性恢复力模型作为双壁空心管柱塑性铰区弯矩-转角关系恢复力模型。推导了骨架线上两个控制点即屈服点和极限点的弯矩、转角计算式。基于建立的弯矩-转角恢复力模型,计算了9个双壁空心管柱试件截面的屈服弯矩和极限弯矩以及水平力加载位置的屈服水平位移、极限水平位移和水平力-位移滞回曲线,计算结果与试验结果符合较好。

FRP-混凝土-钢新型组合柱的研究进展

FRP作为一种轻质高强、抗腐蚀和耐疲劳的新型结构材料,在混凝土结构修复加固中得到广泛应用。近年来,国内外学者为了更好地发挥传统材料的优点,将FRP与混凝土和钢材进行组合,提出了FRP约束钢管混凝土柱、FRP约束钢骨混凝土柱和FRP-混凝土-钢混合双管柱等多种新型组合柱。在此,围绕这三类新型组合柱的研究现状进行介绍,为FRP-混凝土-钢组合柱在工程领域的进一步研究和应用提供参考。

持载对FRP-混凝土-钢双壁空心柱轴压承载能力影响

FRP-混凝土-钢双壁空心柱(简称DSTC)是由香港理工大学滕锦光教授提出一种新型组合构件,具有受力性能良好、施工方便、耐腐蚀性能优越等系列优点.已近期成功将DSTC作为受力构件应用于桥墩.将DSTC应用于桥墩等结构主要受力构件时,持载期间的长期变形性能及持载对DSTC承载能力的影响是一个亟待厘清的关键技术问题.以此为背景,开展了持载对FRP-混凝土-钢双壁空心柱轴压力学性能影响试验研究.主要的研究参数包括:钢管的厚度、GFRP管的纤维层数、是否带焊钉及轴压比.研究结果表明:当DSTC轴压比为0.3及0.4时,持载对DSTC轴压承载力的影响非常有限.

CFRP-混凝土-钢管组合柱抗爆响应数值分析

为了研究CFRP-混凝土-钢管组合柱抵抗爆炸冲击波作用的能力,基于大型显示动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,应用ALE多物质流固耦合算法对CFRP-混凝土-钢管组合柱进行了抗爆动态响应研究,并分析了截面含钢率、截面空心率及轴压比等因素对组合柱抗爆性能的影响。研究结果表明:在爆炸荷载下,CFRP-混凝土-钢管组合柱的抗侧刚度和延性比普通混凝土-钢管组合柱更大,能有效地延缓组合柱的开裂与变形;增加含钢率可以有效地减少CFRP-混凝土-钢管组合柱柱中峰值位移和残余位移,提高组合柱的抗爆性能;在一定范围内增大空心率可以提高组合柱的抗爆性能,但过大的空心率会降低组合柱抗爆性能;在临界值内增大轴压比能够显著提高组合柱抗爆性能,但超过临界值后,再增加轴压比会削弱组合柱抗爆性能。研究结果可为该类构件的抗爆设计提供参考。

矩形薄壁钢管混凝土短柱轴心受压性能试验研究

以截面长宽比、混凝土强度、钢管壁厚为参数,对32个矩形薄壁钢管混凝土短柱进行了轴压试验研究,分析了其破坏过程、破坏形态、承载能力、变形性能,探讨了钢管与核心混凝土协同工作机理及其影响因素.试验研究表明:受力过程中,薄壁钢管长边首先发生屈曲,试件最终破坏形态及破坏承载力与钢管长边的屈曲有关;矩形截面与方形截面和圆形截面相比,长边更容易屈曲,钢管对核心混凝土的约束作用相对较小,壁厚及截面的长宽比对约束作用影响显著;矩形截面薄壁钢管混凝土受压短柱的承载能力与变形性能除与截面长宽比、钢管壁厚有关外,还与钢管与核心混凝土的抗压强度比有关.在试验研究的基础上,建立了核心混凝土的约束分区模型,推导出了矩形薄壁钢管混凝土轴压构件承载力计算公式.

矩形纤维增强复材-混凝土-钢组合空心柱的轴压试验研究

纤维增强复材-混凝土-钢组合空心柱是一种由纤维增强复材(FRP)外管,钢内管以及两者之间填充的混凝土组成的新型空心构件。现有研究表明:该组合空心柱具有优越的延性和抗震性能,特别适用于恶劣腐蚀环境下的受压构件,如空心桥墩等。鉴于目前关于矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱的研究极少,通过对8个大尺寸矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱的轴压试验,研究矩形截面长、短边比,矩形空心柱的空心面积率和FRP管厚度的影响。作为对比,同时进行了4个大尺寸矩形FRP约束混凝土柱的轴压试验。结果表明:对于矩形组合空心柱,较大的截面长、短边比并不会降低对混凝土的约束作用;恰恰相反,较大的截面长、短边比提高了约束混凝土的极限应力和延性;矩形组合空心柱的混凝土受到钢管和FRP管的共同约束,表现出了很好的延性;相比矩形FRP约束实心混凝土柱,内部空心的存在并没有降低约束混凝土的极限应力和极限应变。

椭圆形GFRP-混凝土-钢组合空心柱的轴压性能试验研究

椭圆形GFRP-混凝土-钢组合空心柱由椭圆形GFRP外管、钢内管以及两管之间的填充混凝土组成。进行了大尺寸椭圆形GFRP-混凝土-钢组合空心柱的轴压性能试验,所有试件的内部钢管采用了椭圆形截面,试件的高度为600 mm,长轴为300 mm,短轴分别为150、200、250 mm和300 mm。研究了椭圆形截面的长轴与短轴之比、GFRP厚度及试件空心面积率对其轴压性能的影响。研究结果表明:椭圆形GFRP-混凝土-钢组合空心柱中的混凝土在GFRP管和钢管的共同约束下,其承载力和延性较素混凝土大幅提升;随着椭圆长轴与短轴之比的增大,内部约束混凝土的峰值应力有随之增大的趋势;较大的空心面积率并不会减小GFRP和钢管对于混凝土的约束作用;GFRP厚度的增加将会提高椭圆形组合空心柱试件的极限应力和极限应变。

FRP-混凝土-钢双壁空心管短柱轴心抗压试验研究

为研究FRP-混凝土-钢双壁空心管短柱的轴压性能,完成了3个圆钢管短柱和10个双壁空心管短柱试件的轴心抗压试验。结果表明:双壁空心管短柱内层钢管受到管内混凝土的径向压力,屈曲被延迟;管内混凝土受到外层FRP管和内层钢管的共同约束;试件具有良好的延性。在轴压力作用下,圆钢管短柱的破坏形态与其径厚比有关。双壁空心管短柱在轴压作用下有3种破坏形态:FRP管的纤维拉断,FRP管的纤维拉断和钢管压屈,整体压屈。破坏形态主要与钢管径厚比、空心率、FRP管的约束程度有关。通过分析本文和国内外相关试验结果,提出了双壁空心管内混凝土受压应力-应变关系模型的3种类型及模型参数的计算公式。模型考虑空心率、内层钢管径厚比、外层FRP管约束程度、FRP层合结构和加载方式的影响,与试验结果符合较好。

外包内翻U形钢-混凝土组合梁与矩形钢管混凝土柱连接节点抗震性能试验研究

为研究外包内翻U形钢-混凝土组合梁与矩形钢管混凝土柱连接节点的抗震性能,进行了内隔板式、贯通隔板式、穿心式共3个节点试件的拟静力试验,考察了不同形式节点试件的破坏形态、承载力、变形能力、耗能能力、刚度退化等。试验结果表明:正弯矩作用下由于U形钢冷弯区发生撕裂破坏,导致各试件的正向承载力为全塑性理论计算值的60%~84%;短梁与贯通隔板或U形钢梁采用对接焊缝对U形钢冷弯区的不利影响更小;负筋连接可靠的情况下组合梁的负向全塑性承载力可得到充分发挥;各试件平均位移延性系数为2.05~2.35,试件总体延性良好;各试件等效极限层间位移角为1/48~1/34,满足结构抗震变形能力的要求;试件耗能能力介于钢筋混凝土梁柱节点与型钢混凝土梁柱节点之间;试件破坏前,节点域基本保持弹性,未发生剪切破坏;穿心式节点试件的柱壁开洞会显著削弱节点域抗剪刚度。建议组合梁负筋采用贯穿柱形式,对组合梁根部U形钢冷弯区进行适当补强处理,以减小冷弯区焊接的不利影响。

FRP-混凝土-钢双壁空心桥墩分析及设计方法研究

纤维增强复合材料(FRP)是一种高强、轻质、耐腐蚀的高性能材料。FRP-混凝土-钢双壁空心组合构件是由香港理工大学滕锦光教授发明的一种新型组合构件,由外侧的FRP管、内侧的钢管及混凝土夹心层组成,具有建造方便(FRP管与钢管可作为浇筑混凝土的模板)、耐腐蚀性能优、抗震性能好等一系列优点。自2004年被提出以来,学术界已对该种新型构件进行了大量的试验和理论研究。目前,针对该种新型构件力学性能的研究已较为深入,所建立的相关设计理论已经写入中国国家标准(GB 50608—2020),但其在实际工程中的应用尚未见文献报道。结合FRP-混凝土-钢双壁空心桥墩在某实际桥梁工程中的应用,对FRP-混凝土-钢双壁空心桥墩的分析、设计原理及方法进行了探索。采用基于纤维截面模型的非线性分析方法,对其承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计进行了深入的探讨;并对节点构造措施、建造成本等方面进行了综合考量。在此基础上,对新型桥墩的设计原理与方法进行了总结,对亟待研究的问题进行了梳理,研究结果可为其后续推广应用提供重要的参考资料。

钢结构设计与计算（第2版）

由包头钢铁设计研究总院与中国钢结构协会房屋建筑钢结构分会共同组织编写，主编柴昶、宋曼华，主审武人岱。本书依据最新的设计规范进行修讯以实例形式介绍钢结构各种基本构件、构件连接，以及框排架、变截面门式刚架、多层框架、屋盖、吊车梁、柱及支撑体系的设计计算方法。此外还列入压型钢板、蜂窝梁、圆管与方管薄壁屋架、钢-混凝土组合楼盖、圆形与矩形钢管混凝土柱等结构，以及矮肩粱、插入式柱脚、托板与法兰连接、突变截面梁的主拉应力疲劳等项计算，并增加了钢结构设计的基本要求、用钢量参考指标以及新的钢材规格与相关技术标准索引等内容。