基于单位荷载法的钢管混凝土组合异形柱计算长度系数研究与验证

为解决钢管混凝土组合异形柱在进行构件稳定验算时计算长度系数不明确的问题,利用有限元软件Midas/Gen,采用单位荷载法在钢管混凝土组合异形柱框架-支撑结构整体模型下进行特征值屈曲分析,并通过欧拉公式反算得到钢管混凝土组合异形柱的计算长度系数.研究了网格划分、楼板、短梁对单肢柱计算长度系数分析结果的影响,结果表明各层异形柱沿其高度方向划分为10段、连接板宜沿其宽度方向划分为2段,同时去掉模型中的楼板、短梁可提高结果的安全度和软件分析速度.在上述分析结果基础上,建立了考虑组合异形柱网格划分、去掉模型中的楼板、短梁的整体结构模型,分析了不同异形柱平面位置、所在楼层、梁截面尺寸和楼层总数等因素影响下的单肢柱计算长度系数,结果表明:单肢柱计算长度系数随着所在楼层的上升呈现增大趋势,8~20层单肢柱计算长度系数随梁截面的增大而减小,大部分楼层的单肢柱计算长度系数随楼层总数减少而增大.根据所得数据,基于安全性和计算简便的考虑,给出了各层钢管混凝土组合异形柱中单肢柱计算长度系数建议值.基于计算长度系数的建议取值,分析得到整体模型中各单肢柱的应力比,并与直接分析设计法得到的应力比进行了对比,结果表明两种方法得到的应力比相差不大,验证了本文提出的计算长度系数建议值的可行性.

H型钢连接L形方钢管混凝土组合异形柱偏压性能研究

为提升方钢管混凝土组合异形柱加工制作的便捷性与精度、减小焊接对板件变形的影响,提出了新型H型钢连接L形方钢管混凝土组合异形柱(LCFST-H),并研究其偏压荷载下的力学性能。设计了两个试件进行偏压加载试验,建立计算模型开展有限元分析。在验证有限元模型准确性的基础上,分析了H型钢连接板尺寸、方钢管截面尺寸、柱高度等参数对组合异形柱偏压受力性能的影响。结果表明:构件破坏形式为整体弯曲失稳与局部屈曲破坏,达到极限承载力后,单肢柱之间仍能通过H型钢连接板很好地协同工作,具备一定承载能力,体现出较高的延性性能。方钢管截面尺寸和柱高度对其偏压性能影响较大。结合相关规范,给出了H型钢连接L形方钢管混凝土组合异形柱单向偏压承载力计算公式,公式计算结果与有限元结果吻合较好。

L形方钢管混凝土组合异形柱弱轴抗震性能研究

L形方钢管组合异形柱建筑效果好、抗震性能强,目前已应用于汶川等高烈度区的灾后重建。但是当下对L形方钢管组合异形柱抗震性能的研判多是基于其强轴的抗震性能,而对其弱轴的抗震性能研究较少。因此,通过对27个L形方钢管组合异形柱ABAQUS有限元模型的数值模拟,对其弱轴的抗震性能进行研究,得到其弱轴的破坏现象、极限层间位移角及延性系数的线性拟合公式。可为方钢管组合异形柱结构的推广及实际应用提供参考。

十字形截面方钢管混凝土组合异形柱轴压承载力试验

在钢筋混凝土异形柱和异形钢管混凝土柱的基础上,提出了一种异形柱形式———十字形截面方钢管混凝土组合异形柱,通过理论计算和有限元分析得到了异形柱的破坏形态及极限承载力,并采用叠加理论推导了其换算长细比计算公式.通过轴压试验得到了计算模型的荷载位移曲线、单肢挠度曲线以及单肢荷载应变曲线.分析结果可知,叠加理论计算、有限元分析以及轴压试验的结果一致表明异形柱的破坏形态为扭转屈曲,同时3种方法得到的屈服荷载吻合较好,验证了采用叠加理论计算异形柱承载力的可行性.

十字形截面方钢管混凝土组合异形柱研究

方钢管混凝土组合异形柱是一种新型的异形柱结构形式,十字形截面组合异形柱是其主要柱形之一。推导出采用斜缀条连接的十字形截面组合异形柱的等效长细比简化计算公式,研究了采用叠加理论计算十字形截面方钢管混凝土组合异形柱的可行性,并结合通用有限元程序ANSYS进行验证。

反复荷载下方钢管混凝土组合异形柱参数分析

方钢管混凝土组合异形柱(SCFST柱)是在钢筋混凝土异形柱与钢管混凝土柱基础上形成的新型组合柱。采用非线性有限元法,以混凝土强度、钢材强度、轴压比(n)和连接板宽厚比(Rf)为参数,模拟SCFST柱在反复荷载下的受力过程,考察各变量对构件承载力、耗能、延性和刚度退化等的影响规律。结果表明:提高钢材强度能有效改善柱的承载能力,但延性显著降低;混凝土强度对柱承载力和延性的影响并不明显;轴压比越大,构件的延性和承载力越低;连接板宽厚比越小,柱的延性越好,刚度退化越平稳充分。构件在宽厚比为19时具有最优的耗能性能。综合认为,对于单肢为100 mm×4 mm的SCFST柱,宽厚比在19~38时,连接板与单肢的协同作用好,构件具有最优的抗震性能与经济性。

方钢管混凝土组合异形柱防屈曲支撑框架抗震性能试验

为研究方钢管混凝土组合异形柱(SCFST柱)防屈曲支撑框架的抗震性能,对一榀1∶2的SCFST柱防屈曲支撑框架模型进行了拟静力试验,同时采用ABAQUS有限元软件对试验模型进行了数值模拟.试验结果表明,试件呈现出防屈曲支撑、钢梁依次出现塑性铰的破坏机制.试件滞回曲线饱满,骨架曲线为S形,且强度和刚度退化不明显,位移延性系数可达3.21.防屈曲支撑耗能能力强,有效保护了框架结构.与异形柱普通支撑框架试验结果进行对比分析可知,异形柱防屈曲支撑框架抗震性能明显优于异形柱普通支撑框架.有限元分析中试件的破坏机制与试验基本一致.

方钢管混凝土组合异形柱框架-钢板剪力墙结构抗震性能试验研究

通过对一榀1∶2的方钢管混凝土组合异形柱(SCFST柱)框架-钢板剪力墙模型进行拟静力试验和有限元数值模拟,并与SCFST柱框架-支撑结构拟静力试验的结果进行对比,研究SCFST柱框架-钢板剪力墙结构体系的抗震性能.结果表明:试件表现出钢板剪力墙先屈曲,钢梁后产生塑性铰的屈服机制;试件滞回曲线包围面积大,有明显捏缩现象,骨架曲线呈S形;试件承载能力和刚度较高,延性较好,耗能能力随加载进程增大,强度退化不明显,破坏阶段仍保持较高承载力和耗能能力;试件与SCFST柱框架-支撑结构相比,抗震性能较优.有限元模型破坏特征与试验基本一致.

H型钢连接方钢管混凝土组合异形柱轴压性能试验研究

为改善现有的单连接板和双连接板方钢管混凝土组合异形柱加工制作中存在的不便之处,提出一种基于H型钢连接的钢管混凝土组合异形柱构造形式;为研究其在轴压荷载作用下的承载力、延性等力学性能指标,进行H型钢连接钢管混凝土组合异形柱的轴压试验及数值模拟分析.在验证有限元模型正确性的基础上完成了其与单钢板、双钢板连接钢管混凝土组合异形柱承载力对比分析.结果表明:H型钢连接板对各单肢柱的约束作用较强,保证了异形柱的整体性,各单肢可以更好地协同变形;与单钢板、双钢板连接组合异形柱相比,H型钢连接组合异形柱具有较好的力学性能,其承载力较双钢板提高了10%左右.

方钢管混凝土组合异形柱传热性能

为了研究方钢管混凝土组合异形柱结构的传热性能,本文以河北省某方钢管混凝土组合异形柱钢结构住宅工程为研究对象,分析了采用钢管混凝土组合异形柱的结构角部的传热性能,对比了单一墙体、方钢管混凝土组合异形柱和普通矩形钢管混凝土柱的平均传热系数.通过分析发现,方钢管混凝土组合异形柱结构不会在热桥内表面产生冷凝结露的现象,钢管混凝土柱部位热桥的存在对外墙能耗的影响不大,采用方钢管混凝土组合异形柱的保温性能优于采用矩形钢管混凝土柱的保温性能.

方钢管混凝土组合异形柱轴压承载力计算方法研究

钢管混凝土结构计算方法较多,不同的规范规程之间计算公式均不相同,而且均没有针对方钢管混凝土组合异形柱的计算方法.因此本文首先总结近10年的14组方钢管混凝土组合异形柱轴压试验数据,依据ANSI/AISC360-05、GB50936、CECS159和DB29的计算方法分别推导了针对异形柱的计算公式,并在DB29叠加理论的基础上,提出了基于单肢失稳的叠加承载力计算方法ADVANCED.通过不同计算方法得到的极限承载力值与试验值进行比较,发现本文基于不同规范推导的承载力计算公式得到的计算结果与试验结果吻合良好;GB50936和DB29计算得到的数值均比试验值小,偏于安全,但是误差偏大;LRFD和CECS159的误差较小,但是试验承载力值小于计算值,因此偏于不安全;ADVANCED计算方法误差较小,且大部分计算值低于试验值,结果偏于安全,而且计算简单易行,推荐采用.

钢管混凝土组合异形柱结构抗震性能分析

对钢管混凝土组合异形柱构体系进行了抗震性能分析,分别建立6组模型来分析框架梁与混凝土剪力墙连接方式不同、楼板厚度不同以及外侧钢管混凝土组合柱截面形式不同对结构抗震性能的影响。分别对结构进行了模态分析和反应谱分析,比较不同变量对结构动力响应的影响以及对结构层位移、层间位移角、层间剪力和层刚度的影响。

实腹式L形宽肢组合异形柱抗震性能非线性有限元分析

肢宽厚比为4～8的钢管混凝土异形柱可称为宽肢组合异形柱,其在地震作用下的受力性能和破坏机理与短肢异形柱相比有显著不同。为研究其抗震性能,采用通用有限元软件ABAQUS,对实腹式L形宽肢组合异形柱及其他文献中的钢管混凝土异形柱进行了循环荷载作用下受力性能的模拟计算,结果表明:有限元分析结果与试验结果吻合良好。在此基础上,利用验证后的有限元模型研究了端柱钢管管壁宽厚比、双钢板混凝土连接墙含钢率、轴压比和截面肢宽厚比等参数对实腹式L形宽肢组合异形柱抗震性能的影响。分析结果表明:端柱钢管管壁宽厚比、连接墙含钢率和肢宽厚比是该类组合异形柱承载力和刚度的主要影响因素;轴压比和肢宽厚比对柱的延性影响较大;当端柱钢管管壁宽厚比小、连接墙含钢率大、轴压比小和肢宽厚比大时,该类异形柱的耗能能力好,并据此提出了抗震设计建议。

L形截面方钢管组合异形柱的长细比计算

方钢管组合异形柱是一种新型的异形柱形式。针对L形截面的方钢管组合异形柱,对其长细比计算公式进行了推导,并采用通用有限元程序ANSYS验证了长细比计算公式的正确性。

T形截面方钢管混凝土组合异形柱压弯承载力的神经网络方法研究

对T形截面方钢管混凝土组合异形柱压弯性能进行了有限元分析和试验研究,通过对所得结果进行对比分析,验证了有限元程序的可行性。此外,通过神经网络学习及承载力结果对比,验证了神经网络的可行性和精确性。并采用神经网络对T形截面方钢管混凝土组合异形柱压弯承载力影响因素进行了参数化分析。结果表明,承载力随着钢材强度、混凝土强度、钢管尺寸的增大而增大。

方钢管混凝土组合异形柱建模方法研究

方钢管混凝土组合异形(special-shaped concrete filled square steel tube,SCFST)柱建筑效果好,形式、布置灵活,塑性和韧性好,抗震性能佳,是住宅钢结构的一个热点发展方向。如何使用现有结构设计软件,科学有效地建立SCFST柱是该体系推广应用的一个重要课题。采用MIDAS、YJK和PKPM3种软件对实建截面法、自建截面法和等效截面法进行了对比分析。各模型对多个指标的分析结果一致,证明了这3种不同的方法在计算结构整体宏观指标过程中的正确性和可行性。同时,采用上述3种方法模拟SCFST柱在单向压弯与双向压弯模型,以及双层单跨SCFST柱框架-支撑结构模型。用实建截面法建模计算得到的应力发展与分布规律和变形规律与已有试验结果基本一致。

T形方钢管混凝土组合异形柱偏压性能试验研究

T形方钢管混凝土组合异形柱具有良好的力学性能,以试件长度、偏心距、偏心方向为试验参数,设计9个不同长细比的试件进行偏心受压试验,观察试件的破坏形态,得到荷载应变曲线和荷载挠度曲线,并分析各参数对试件偏心受压性能的影响。试验结果表明:长度为600 mm的试件发生了强度破坏,长度为1500、1800 mm的试件发生了弯曲失稳破坏;试件长度越长,弯曲破坏特征越明显;偏心距越大,偏压承载力越低;偏心方向对偏心受压性能的影响相对较小。与相关规范计算结果对比发现,按DBJ/T 13-51—2010计算的结果与试验结果吻合最好。研究结果表明,T形方钢管混凝土组合异形柱延性较好,方钢管之间可以协同工作,偏心受压力学性能良好。

高层钢结构住宅L形宽肢组合异形柱抗震性能研究

为研究一种用于高层钢结构住宅的L形宽肢组合异形柱的抗震性能,设计并制作了两个不同构造形式的足尺试件,并进行了高轴压比下低周水平往复循环加载拟静力试验研究及有限元分析,研究此类组合异形柱的破坏形态、承载能力、变形及耗能能力。研究结果表明:实腹式试件Ⅰ在整个加载过程中无明显破坏现象,塑性发展有限;格构式试件Ⅱ在斜撑与端柱相接处焊缝开裂;有限元计算结果与试验结果吻合良好;试件Ⅰ的强度和刚度更高,试件Ⅱ的延性相对较好,两种构造的L形宽肢组合异形柱可满足工程的不同需求。

十字形方钢管混凝土组合异形柱压弯性能和可靠度分析

运用ANSYS有限元软件,对单向压弯状态下十字形截面方钢管混凝土组合异形柱进行仿真计算,并在此基础上采用蒙特卡罗法分析结构的可靠度。结果表明,十字形方钢管混凝土组合异形柱具有承载力高、塑性和韧性好的特点;钢管与混凝土能良好地协同工作,提高了混凝土的承载能力。与此同时,ANSYS分析得出柱子高度、截面尺寸等参数对结构最大侧向位移和应力强度的灵敏度影响较大,同时得出结构的可靠度概率。

十字形截面钢-混凝土组合异形柱的抗震性能

为研究十字形截面钢-混凝土组合异形柱的抗震性能,对5个不同轴压比、配钢形式的试件进行低周反复加载试验。研究了滞回曲线、骨架曲线、延性性能、刚度退化、耗能性能等抗震性能,对比分析了轴压比和配钢形式对抗震性能的影响。结果表明,轴压比较大的试件具有更高的承载能力,但延性降低、刚度退化速率加快;与普通钢筋混凝土异形柱相比,在异形柱内配置型钢可改善滞回性能、增强刚度、延性性能、承载能力和耗能性能,减轻破坏程度,从而提高抗震性能。配钢形式为T形钢加方钢管的试件除刚度退化外,其他性能均优于实腹型配钢试件。