高强钢管超高性能混凝土短柱轴压承载力性能试验研究

为研究高强钢管内填超高性能混凝土(UHPC)的钢管混凝土短柱轴压性能,该文设计22根高强钢管UHPC短柱进行轴压试验,从破坏模式、荷载-纵向应变关系对试件的轴压性能进行对比分析,旨在通过径厚比、混凝土强度、截面类型等变化来探究高强钢管UHPC短柱的实际承载力性能差异.试验结果表明:高强钢管UHPC短柱的轴压性能受径厚比、混凝土强度影响较大;试件承载力随钢管壁厚增加而增加,但相同钢管直径和不同钢管直径增幅呈现不同规律.该文从延性、核心混凝土强度提高程度两个角度进行分析并提出高强钢管混凝土试件的相关参数设计建议.最后,将高强钢管UHPC短柱的轴压试验承载力结果与国内外规范GB 50936—2014、AIJ计算承载力结果进行对比,并基于极限平衡理论推导出高强圆钢管UHPC试件的轴压承载力计算公式,同时结合该文试验数据对其进行验证,证明了公式的准确性.

高强钢管超高性能混凝土界面黏结滑移性能试验

目的为了研究高强钢管超高性能混凝土的黏结滑移性能,方法考虑径厚比、长径比和钢纤维掺量3个参数的影响,设计并制作15根构件进行试验研究,通过推出试验,得到轴向荷载与加载端位移的荷载-位移曲线,以及高强钢管与超高性能混凝土之间的黏结强度,根据试验结果,对影响黏结强度的参数进行定性定量分析。结果结果表明:随着高强钢管长径比和径厚比的增加,黏结强度减小;随着钢纤维掺量增加,试件黏结强度先增加后减小,即当钢纤维掺量从1%增加到2%时,黏结强度增加,但当钢纤维掺量从2%增加到3%时,黏结强度反而降低;试件荷载-滑移曲线表现为两种形式,一是有明显的峰值点,峰值点后曲线急速下降(部分出现尾部上升的现象),二是曲线无明显峰值点,拐点后曲线持续缓慢增长。高强钢管超高性能混凝土的黏结破坏分为黏结阶段、滑动阶段和抗摩擦阶段。结论以长径比、径厚比、含钢率和套箍系数为参数,结合试验数据并对其进行回归分析,得到适用于高强钢管超高性能混凝土黏结强度的计算模型,并将计算结果与试验结果进行对比,计算值与试验值吻合较好,可为实际工程提供一定参考。

圆钢管超高性能混凝土短柱偏压力学性能研究

为研究钢管超高性能混凝土短柱的偏压性能,以荷载偏心率和钢管径厚比为变化参数,设计了12个圆钢管UHPC短柱试件并对其进行偏心受压加载试验,分析了该类构件的破坏模式、荷载-挠度曲线、钢管应变和变形系数等,考察了主要因素对短柱偏压性能的影响规律。结果表明:试件的破坏特征为钢管屈服和核心混凝土压坏;荷载-挠度曲线有较明显的峰值点,偏心率越大和径厚比越小,曲线的下降段越平缓;达到60%峰值荷载时,钢管开始产生明显的约束作用,达到90%峰值荷载时,截面变形不再符合平截面假定;偏心率增大使试件的承载力和刚度下降,而径厚比减小可降低这种不利影响。在试验基础上,结合数值模拟对短柱的N-M曲线进行分析,建立了临界偏心率和套箍系数的关系表达式,并基于此提出短柱偏压承载力实用计算方法,理论与试验结果吻合较好。

超高性能混凝土-钢管混凝土复合结构握裹力提升方法研究

文章通过试验测试、有限元计算和实际工程应用,对超高性能混凝土-钢管混凝土(UHPC-CFST)复合结构的握裹力提升方法进行研究,针对UHPC-CFST结构,采用钢管粗糙化处理、施加预应力及添加钢纤维等措施,以提高握裹力。研究发现,施加预应力能有效增强钢管与混凝土之间的握裹力;添加钢纤维对握裹力的提升作用较小;对钢管进行粗糙化处理,能显著提高握裹力。这些握裹力提升方法的应用将为建筑工程项目提供可靠的解决方案。

圆形钢管含粗骨料超高性能混凝土中长柱偏压性能试验研究

为研究圆形钢管含粗骨料超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete with coarse aggregate filled steel tube,CA-UHPCFST)中长柱的偏心受压性能,考虑长径比和偏心距的影响,设计制作了7个圆形CAUHPCFST中长柱试件,通过偏心受压试验,重点考察构件的破坏形态、荷载-变形关系曲线、侧向挠度分布曲线、荷载-应变关系曲线、延性和极限承载力。研究表明:圆形CA-UHPCFST中长柱在偏心受压下发生弯曲失稳破坏,其荷载-变形曲线经历了弹性段、弹塑性段和下降段;极限承载力随长径比和偏心距的增加而降低,延性系数随长径比的增加而减小,而随偏心距的增加呈先增加后减小的趋势。规范GB 50936−2014可较好地预测圆形CA-UHPCFST中长柱偏心受压极限承载力。研究成果可为钢管超高性能混凝土的进一步研究与推广应用提供参考。

内置钢骨的方形不锈钢管超高性能混凝土短柱轴压力学性能

为研究内置钢骨的方形不锈钢管超高性能混凝土短柱轴心受压性能,以径厚比和钢骨面积为参数设计了6个构件,进行了轴压试验和数值模拟计算,得到了构件的破坏形态、极限承载力和荷载-位移曲线等,利用有限元分析方法进行参数拓展,研究了长径比、混凝土强度等变化对构件破坏过程、极限承载力和延性的影响。基于试验与数值模拟结果,提出了内置钢骨的方形不锈钢管超高性能混凝土短柱轴心受压承载力计算公式。结果表明:所有构件破坏特征相似,中部均出现了局部波形鼓曲,但含钢骨构件的端部也产生鼓曲;构件中不同材料对极限承载力和延性的影响效果不同,极限承载力随着钢骨截面面积和混凝土强度的增加而增大,随着径厚比和长径比的增大而减小,但径厚比和混凝土强度对构件极限承载力的影响更为明显;钢骨的存在对构件的延性有明显提高,且随着钢骨截面面积增大构件延性也有所提高,而混凝土强度增大会导致构件延性减小;轴心受压承载力公式计算结果与试验结果吻合良好。

内置型钢方形不锈钢管超高性能混凝土柱偏压性能

为研究内置型钢的方形不锈钢管超高性能混凝土柱的偏压性能,考虑长径比、宽厚比、偏心率、型钢含钢率和加载方向(强弱轴加载)等因素的影响,设计了18根试件进行偏心受压试验研究。观察试件在偏心受压状态下的破坏过程及破坏形态,并通过荷载-跨中侧向挠度关系曲线及侧向挠度曲线,分析各因素对试件偏压性能的影响。结果表明:试件的破坏形态表现为短柱的强度破坏和中长柱的非弹性失稳破坏,且伴有局部鼓曲现象产生;试件的极限承载力随着长径比、宽厚比、偏心率的增加而减小,随着型钢含钢率的增加而增大;与绕弱轴方向加载的试件相比,绕强轴方向加载的试件具有更高的极限承载力。利用ABAQUS软件建立了偏压试件的有限元模型,基于试验结果对有限元模型的可靠性进行了验证,有限元计算结果与试验结果吻合良好,有利于进一步分析组合柱的工作性能。基于已有的相关研究成果提出了内置型钢方形不锈钢管超高性能混凝土柱的偏压极限承载力简化计算公式,为工程设计及相关规范的制定提供了一定的参考。

近爆作用下中空夹层超高性能钢管混凝土柱的抗爆性能

为研究中空夹层超高性能钢管混凝土(Ultra-high performance concrete-filled double skin steel tubes,UHPCFDST)柱在近爆载荷作用下的抗爆性能,建立了TNT炸药-UHPCFDST柱-空气三维有限元模型,采用ALE多物质流固耦合算法分析了UHPCFDST柱在近爆作用下的损伤机理、能量吸收特性和影响参数,计算结果表明:UHPCFDST柱在近爆作用下的典型破坏模式为钢管的塑性变形和混凝土芯柱的凹陷破坏,且混凝土芯柱的损伤过程可以分为3个阶段;与填充普通混凝土柱相比,UHPCFDST柱具有优异的抗爆性能;在一定范围内,减小截面空心率可以有效提升UHPCFDST柱的抗爆性能;增加内外钢管厚度均可提升UHPCFDST柱的抗爆性能,但增加外层钢管厚度时提升效果更显著;有无轴压对UHPCFDST柱的变形有较大影响,在一定范围内增加轴压比有利于抵抗整体变形,但同时局部变形增大,当轴压比较大时,UHPCFDST柱在近爆载荷和轴向载荷作用下失去承载能力。

矩形钢管高性能混凝土偏压构件承载力试验研究

随着高性能混凝土在实际工程中的不断推广应用,钢管高性能混凝土的力学性能也已引起工程界的广泛关注。以长细比和偏心率为变化参数,共进行了6个矩形钢管高性能混凝土偏心受压构件的试验研究。结果表明,钢管高性能混凝土试件在加载过程中表现出一定的脆性。利用纤维模型法计算了试验构件的极限承载力。最后,利用已有规程中规定的构件承载力计算公式验算了试验结果,二者基本吻合。

方钢管超高性能混凝土界面黏结滑移性能

为研究方钢管超高性能混凝土(UHPC)的界面黏结滑移性能,以钢管宽厚比、高宽比和UHPC强度为主要参数,设计了18个方钢管UHPC试件并对其进行静力推出试验.通过试验分析了试件的破坏过程与形态、荷载-滑移曲线、黏结强度和钢管纵向应变分布,结果表明:推出后的试件整体较为完整,钢管无鼓曲现象,加载端边缘处混凝土有一定损伤;加载端与自由端的荷载-滑移曲线形状基本一致,且曲线分为有明显峰值点的弱化型和无明显峰值点的强化型两类;黏结强度随宽厚比和高宽比的增加而减小,当宽厚比较大时,增大UHPC强度可以明显提高黏结强度;加载端的钢管纵向应变小于自由端,应变沿高度方向大致呈指数分布.从黏结强度的组成出发,忽略化学胶着力影响,通过确定界面摩擦和机械咬合应力的表达式,建立了方钢管UHPC在两种养护条件下的黏结强度计算模型,理论计算与试验数据符合较好.

圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能野外实验与数值模拟

通过6根圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土(UHPSFRCFDST)柱爆炸破坏实验,研究了轴压、折合距离、空心率和迎爆面形状对其动态响应及损伤破坏的影响,并运用LS-DYNA软件建立了爆炸荷载作用下UHPSFRCFDST柱动态响应的有限元模型。在验证了模型有效性的基础上,运用参数化分析方法,研究了轴压比、空心率、含钢率、内层和外层钢管径厚比及其强度等关键参数对圆形UHPSFRCFDST柱抗爆性能的影响。结果表明:有限元模型能够有效地分析UHPSFRCFDST柱在爆炸荷载作用下的动态响应及损伤破坏;在小于临界轴压时,提高轴压比能够提升UHPSFRCFDST柱抗爆性能,但超过临界轴压后继续提高反而会加重其损伤破坏;减小空心率或内、外层钢管径厚比均可有效提升UHPSFRCFDST柱的抗爆性能,提高含钢率或外层钢管强度也能达到相同效果,但提高内层钢管强度对其抗爆性能的提升作用并不显著。

方形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能数值模拟与实验验证

建立了爆炸荷载作用下方形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土(Ultra-High Performance Steel Fiber Reinforced Concrete Filled Double Skin Steel Tube,UHPSFRCFDST)柱动态响应及其损伤破坏三维有限元数值模型。首先通过模拟结果与爆炸破坏试验结果的对比分析,验证了数值模型和计算方法的有效性。进而运用参数化分析方法,研究了空心率、含钢率、内、外层钢管厚度及其强度等关键参数对UHPSFRCFDST柱抗爆性能的影响。研究结果表明,UHPSFRCFDST柱具有优越的抗爆性能,所建立的三维有限元模型能够有效地分析UHPSFRCFDST柱在爆炸荷载作用下的动态响应及其损伤破坏;在一定范围内减小空心率及提高外层钢管强度可有效提升UHPSFRCFDST柱抗爆性能;提高含钢率、减小内、外层钢管高厚比均能够显著提升UHPSFRCDST柱抗爆性能;内层钢管强度对UHPSFRCFDST柱的抗爆性能影响并不明显。

钢管超高性能混凝土柱耐火性能数值模拟与理论分析

为研究钢管超高性能混凝土在标准火灾下的受力性能和破坏机理,建立了钢管超高性能混凝土柱的耐火有限元模型,并重点对比分析了超高性能混凝土与部分其他类型混凝土的热工参数及高温下本构关系的不同对构件温度和耐火极限等的影响,结果表明:钢管超高性能混凝土构件的核心混凝土温度明显高于相应的普通钢管混凝土或钢管高强混凝土构件的核心混凝土温度,且对于不同配合比的超高性能混凝土构件,其核心混凝土温度场也存在一定差异;高温下钢管对核心超高性能混凝土的约束作用可以忽略不计;对于不同长细比的构件,超高性能混凝土热工参数的取值对构件耐火极限的影响程度几乎不变,但不同荷载比下会有所变化,且荷载比是影响钢管超高性能混凝土耐火极限的主要影响因素。在上述工作的基础上,基于平均温度的耐火计算方法,给出了超高性能混凝土等效强度和等效弹性模量折减系数的计算方法以及考虑不同超高性能混凝土热工参数取值的钢管超高性能混凝土柱平均温度和耐火承载力计算公式,并验证了公式的合理性。该研究将为钢管超高性能混凝土的防火设计提供参考。

高强钢管约束超高性能混凝土梁抗弯性能研究

高强钢管约束超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)具有自重轻、承载力及刚度高和耐火性能好的优势,在工程中具有良好的应用前景.为研究高强钢管约束UHPC构件在纯弯作用下的力学性能,对1个实心普通强度钢管约束UHPC梁、3个实心高强钢管约束UHPC梁、1个方套方中空夹层高强钢管约束UHPC梁和3个方套圆中空夹层高强钢管约束UHPC梁进行了两点弯曲试验.研究了高强钢管约束UHPC梁在纯弯荷载下的破坏形式以及含钢率、钢材屈服强度和截面组合形式对梁抗弯承载力和抗弯刚度的影响.试验结果表明:高强钢管约束UHPC梁弯矩-曲率的变化过程分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段,破坏时表现出良好的延性.高强钢管UHPC梁的受压区未出现局部凸起.钢管厚度为4 mm、6 mm和8 mm的实心高强钢管UHPC梁含钢率分别为0.116、0.188和0.253,相比4 mm厚的实心高强钢管UHPC梁,6 mm和8 mm厚的实心高强钢管UHPC梁抗弯承载力分别提高35.9%、58.5%;使用抗弯刚度分别提高12.9%、32.4%.相比于外钢管取6 mm厚的实心和方套方中空夹层钢管UHPC梁,方套圆中空夹层钢管UHPC梁的抗弯承载力分别提高26.8%、10.3%;使用抗弯刚度分别提高3.5%、4.5%.由于高强度微细钢纤维良好的阻裂和控裂能力,高强钢管约束UHPC梁在弹塑性变形阶段的刚度较高.受力过程中UHPC的弹性模量衰减速率低于普通混凝土,因此,基于叠加法,考虑钢纤维UHPC的控裂能力,建立了高强钢管约束UHPC梁使用阶段抗弯刚度的计算式,理论计算值与试验值吻合良好.

钢管超高性能混凝土短柱轴心受压应力-应变关系试验研究

为研究钢管超高性能混凝土短柱轴心受压性能,通过改变钢管壁厚,设计5组共计15个试件,采用静力试验研究试件应力-应变曲线及破坏模式,分析钢管壁厚对轴压性能的影响规律。试验结果表明,试件均为强度破坏;钢管超高性能混凝土短柱轴心受压全过程主要分为弹性段、弹塑性段和平稳段三个阶段;混凝土强度和钢管壁厚对试件应力-应变关系曲线影响较大;提高混凝土强度和钢管屈服强度均能显著提高试件承载力。基于试验,提出钢管超高性能混凝土轴压短柱计算公式。

钢管约束超高性能混凝土柱的抗震性能

使用Abaqus通用软件对钢管约束超高性能混凝土柱的抗震性能进行数值仿真分析,探讨该类新型组合柱的破坏模式、滞回曲线、位移延性、刚度退化以及能量消耗等,研究轴压比、长细比、混凝土强度、钢管强度、径厚比等参数对钢管约束超高性能混凝土柱抗震性能的影响,提出合理参数范围.结果表明:钢管约束超高性能混凝土柱具有良好的耗能能力及抗震性能;轴压比和长细比对其抗震性能影响较大,轴压比宜为0.1~0.3,长细比宜为5~11;而混凝土强度、钢管强度和径厚比对其抗震性能影响较小.

矩形钢管约束钢筋混凝土超短柱滞回性能试验

为研究矩形钢管约束钢筋混凝土超短柱的滞回性能,进行了4个矩形钢管约束钢筋混凝土超短柱和2个普通钢筋混凝土对比试件的试验研究.主要参数为轴压比(0.3,0.5)和钢管宽厚比(111,166);6个试件的剪跨比均为1.0.试验结果表明:普通钢筋混凝土超短柱的破坏模式为剪切破坏,延性和耗能性能较差;钢管约束钢筋混凝土超短柱中,钢管对混凝土产生有效约束作用,因此构件未发生剪切破坏,延性、弹塑性变形能力和耗能性能显著高于钢筋混凝土对比试件;随轴压比提高,矩形钢管约束钢筋混凝土超短柱的承载力提高,但延性稍有降低.在本文试验研究范围内,钢管的宽厚比对矩形钢管约束混凝土超短柱的抗震性能无显著影响.

超高性能钢管混凝土桥梁结构研究

为推动超高性能矩形钢管混凝土组合结构应用并促进桥梁结构轻型化、装配化技术发展,依托沪武高速某跨线桥工程,对中等跨径下承式超高性能钢管混凝土桥梁进行设计研究。提出采用超高性能钢管混凝土组合结构作为桥梁主要承重构件,其高承载力、高耐久性、施工便捷、装配化程度高等优良性能,满足目前对桥梁建设轻型化、薄壁化的发展需求。结合工程建设条件,提出3种主要构件以承受轴向力为主的桥型方案,分别为组合桁梁桥、系杆拱桥以及斜拉板桥,创新性地采用CFRP吊杆、CFRP预应力筋及冷弯卷边U型横梁与UHPC组合桥面板结构,并通过有限元模型对各设计结构进行强度、刚度、稳定性及动力特性分析,得到各验算结果均满足规范要求,并针对各桥型进行技术经济性分析,为中等跨径跨线桥梁的设计及UHPC、CFRP等新材料的应用提供参考。分析结果表明:简支组合桁梁动力特性较好,刚度、稳定性适中;连续组合桁梁构件强度较均衡,材料利用率相对高,但竖向刚度相对较小;系杆拱桥竖向刚度相对较大,但横向稳定性相对差;斜拉板桥竖向刚度相对大,横向稳定性相对好。在相同条件下,简支桁梁、系杆拱桥、连续桁梁、斜拉板桥的材料造价比值为1∶1.02∶0.97∶1.83,连续组合桁梁的经济性最优,而斜拉板桥相对差。组合桁梁桥施工性能更优,而系杆拱桥与斜拉板桥景观效果更为突出。

超高性能混凝土梁正截面受弯承载力理论研究

基于64组超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)抗压性能试验数据,分别建立了峰值压应变ε0、立方体抗压强度fcu与轴心抗压强度fc之间的关系以及弹性模量Ec与立方体抗压强度fcu的关系;基于复合材料力学,建立了受拉区UHPC等效拉应力;基于平截面假定,建立了UHPC梁正截面受弯承载力计算公式,推导了受压区等效矩形应力图形参数、计算公式,并结合UHPC受压本构确定等效矩形应力图形参数。通过28根试验梁的相关数据,验证UHPC梁正截面受弯承载力计算公式及等效矩形应力图形参数取值的可行性。研究结果表明,等效矩形应力图形参数取值较为合理,梁正截面受弯承载力计算值与试验值吻合良好。

钢管约束的低碳超高强石渣混凝土的力学性能

低碳超高强石渣混凝土是作者利用地方原材料自主研发的强度达到137.3MPa的新型环境友好型混凝土.本文通过14个试件的轴心抗压试验,考察并分析了钢管约束超高强石渣混凝土的破坏形态,研究了影响核心混凝土强度增长率的因素和规律.试验结果表明：钢管内填充低碳超高强石渣混凝土可以解决由于自收缩偏大引起的钢管混凝土脱空的问题;在试验参数范围内,钢管约束超高强石渣混凝土的强度增长率与套箍指标成正比;低碳超高强石渣混凝土用钢管约束后脆性性能得到显著的改善,位移延性系数达到6.5~26.3;所有的试件都是因为剪切而破坏,同时对其破坏机理进行了分析.