局部锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

钢管混凝土(CFST)在服役环境中被腐蚀,导致其钢结构承载力降低,严重威胁到结构的服役性能和使用寿命。首先,采用机加工车铣方法制作模拟局部锈蚀的人工缺陷,然后以钢管外表面局部环向贯通锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、锈蚀外表面面积损失率(简称锈蚀面积损失率,下同)为试验参数,对45根局部锈蚀圆CFST短柱试件进行轴压承载力试验;其次,分析锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、面积损失率和壁厚损失率对锈蚀试件承载力、刚度和延性的影响,揭示锈蚀CFST试件破坏机理和承载力退化机制;最后,针对局部锈蚀圆CFST短柱构件轴压承载力提出一个简化实用计算公式。研究结果表明:各试件具有类似的破坏特征,主要呈明显的腰鼓状破坏,且发生在锈蚀区;随着锈蚀钢管体积损失率增大,锈蚀CFST柱的承载力、刚度和延性均出现不同程度的降低;在锈蚀钢管体积损失率和面积损失率相同的情况下,就局部锈蚀位置影响而言,中部影响最大;就锈蚀程度表征参数影响而言,锈蚀钢管体积损失率影响最大,面积损失率次之,壁厚损失率最小;本文提出的简化实用公式可为圆钢管混凝土构件全寿命设计提供参考依据。

基于ANN的RECFST短柱轴压承载力预测

目的针对相关设计规范和文献在计算圆端形截面钢管混凝土短柱轴压承载力上的局限性,开发高精高效的轴压承载力预测模型。方法首先,基于国内外已有的RECFST短柱轴压试验研究结果建立有限元模型,并通过验证;其次,基于Python脚本批量生成有限元模型,建立涵盖广泛输入参数的数据集;然后,利用数据集开发高精度的ANN模型并与相关规范和文献结果进行比较;最后,基于ANN模型开发GUI图形用户界面工具。结果ANN模型预测值与试验结果之比的平均值N ANN/N u=0.98,模型预测误差远低于相关规范和文献公式预测误差;ANN模型的均方误差K MSE=7.3734×10-7,总数据样本回归值R=0.99963,表明了ANN模型的有效性以及预测结果的精确性。结论ANN模型可以准确预测RECFST短柱的轴压承载力,基于模型开发的GUI工具简便实用。

广义圆端形钢管混凝土短柱轴压承载力公式

为研究圆形、圆端形、变圆心角圆端形和矩形钢管混凝土短柱轴压承载力的统一计算公式,采用两种不同本构关系建立广义圆端形钢管混凝土轴压短柱的ABAQUS有限元模型,利用90个钢管混凝土短柱轴压试验数据与有限元计算结果进行对比,验证了有限元模型的可靠性。通过改变构件的截面形状和材料强度,设置了9组共90个广义圆端形钢管混凝土轴压短柱有限元模型。对有限元计算结果展开参数分析,研究截面平直段高宽比和截面圆心角对钢管混凝土约束效应的影响。基于统一理论和约束分区方法,以截面形状影响系数对套箍系数进行了修正,并在GB 50936—2014推荐的圆形钢管混凝土短柱轴压承载力公式的基础上,建立了广义圆端形钢管混凝土短柱的轴压承载力简化计算公式,最后采用452个广义圆端形钢管混凝土短柱轴压试验数据对公式的准确性进行了验证。结果表明:当材料强度和含钢率一定时,广义圆端形钢管混凝土柱的套箍约束效应随着截面平直段高宽比的增大而减小,随着截面圆心角的增大而增大;简化公式的计算结果与试验结果吻合良好,适用于圆形、圆端形、变圆心角圆端形及矩形钢管混凝土短柱的轴压承载力计算。

基于粒子群优化BP神经网络的中空夹层钢管混凝土柱轴压承载力研究

圆中空夹层钢管混凝土(concrete filled double-skin steel tube,CFDST)柱因其独特的结构形式与优异的力学性能,已成为现代工程结构中的主要受力构件。然而外钢管、内钢管与核心混凝土之间的相互约束作用导致其受力比较复杂。为此,采用PSO-BP混合神经网络算法对圆CFDST柱的轴压承载力进行了研究。收集了167组数据建立数据库,并选取8种影响因素作为输入层参数,轴压承载力作为输出层参数,分析了传统BP神经网络模型所存在的缺陷,建立了PSO-BP神经网络模型。此外,将机器学习模型与3种规范的结果进行比较,结果表明机器学习模型的精度比3种规范的精度更高。相较于BP神经网络模型,PSO-BP神经网络模型具有更好的预测能力,更有助于预测CFDST柱的轴压承载力,对工程上研究CFDST柱的力学性能有着重要意义。

带对穿螺栓矩形钢管混凝土短柱轴压承载力计算方法研究

设置对穿螺栓可以提高钢管混凝土短柱的力学性能,以试件同参数的ANSYS模型为原始算例,研究对穿螺栓的直径和纵向间距、套箍系数、宽厚比、长宽比、材料强度等参数对其轴压力学性能的影响。结果表明:设置对穿螺栓可以提高钢管对核心混凝土的约束效应,核心混凝土的应力分布表现为以对穿螺栓为分界线形成两个有效约束区,且四个角部的应力值最大;随着对穿螺栓纵向间距的减小、直径的增大,试件的承载力、变形能力、延性提高;试件承载力可随着套箍系数的增加、宽厚比的减小、材料强度的增强有小幅度提高。提出带对穿螺栓矩形钢管混凝土短柱的轴压承载力的计算方法,得到的计算值和试验值吻合良好,该方法还同样适用于带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱承载力计算,计算过程简便且准确度高。

足尺拼接式方形高强钢管混凝土柱轴压承载力数值分析

对两种不同的新型拼接式方形高强钢管混凝土足尺柱的轴压承载性能进行了数值模拟,分析了混凝土强度、钢材强度、缀材间距和宽厚比对该类组合柱轴压承载力及荷载–位移曲线的影响规律,研究表明:同种参数影响下两种形式的组合柱荷载–位移曲线及承载力变化规律相似;材料强度和宽厚比对承载力影较为显著,如钢材屈服强度从345 MPa提升至460 MPa时,两种组合柱承载力分别提高了9.13%和9.42%,宽厚比从83.3增大至100时,两类柱子承载力分别降低了5.08%和5.00%;可初步采用GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》计算该类新型柱的轴压承载力。

圆形钢管混凝土柱轴压承载力及承载力组成研究

为了研究相互作用下圆形钢管混凝土(circular concrete-filled steel tube,CCFST)柱中钢管和混凝土各自的承载力贡献,通过ABAQUS软件中的VUMAT子程序导入一种新的混凝土材料本构,建立了能够反映CCFST柱中钢管和混凝土相互作用的三维有限元模型,并通过试验数据验证了模型的荷载-位移曲线、钢管和混凝土的荷载-变形曲线以及侧向变形曲线。在此基础上分析了混凝土强度、钢管屈服强度、径厚比以及套箍系数对CCFST柱承载力及其组成的影响。然后结合有限元模型推导了CCFST柱在轴压荷载下峰值承载力的数学模型,模型中提出的钢管环向应力比例系数和混凝土承载力贡献系数可以评估钢管和混凝土的受力状态。将计算模型与现行规范及现有研究进行对比,发现提出的计算公式具有良好的计算精度,且可以评估钢管和混凝土各自的承载力贡献。

方钢管煤矸石混凝土短柱轴压承载力有限元分析

目的 研究各设计参数在不同煤矸石粗骨料取代率下对方钢管煤矸石混凝土短柱轴压承载力的影响规律,提出轴压承载力计算式。方法 利用ABAQUS有限元分析软件建立方钢管煤矸石混凝土短柱轴压有限元模型,并与试验结果对比,验证模型的准确性;分析试件应力分布与荷载分配,并采用控制变量法分析试件在5种煤矸石粗骨料取代率下主要参数对其轴压承载力的影响。结果 相同设计参数下,试件轴压承载力随煤矸石粗骨料取代率的提高而降低,且最大降幅未超过14%;当试件截面边长一定时,含钢率对试件轴压承载力的影响最显著,其中,含钢率由7.4%增加至20.3%使试件轴压承载力在不同取代率下平均提升68.85%。结论 掺入煤矸石粗骨料不会使构件轴压承载力显著劣化,依据《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014),引入煤矸石粗骨料取代率影响系数后的计算误差小于5%,可为相关研究提供参考。

GFRP短柱轴压承载力以及破坏模式研究

主要研究板件宽厚比等几何因素对拉挤型GFRP正方形截面短试件在轴压加载下的承载能力和破坏模式的影响。研究中以试件管壁宽厚比作为变量,在相同长细比条件下,进行一系列轴压试验,以分析相关几何因素对试件破坏模式的影响,并通过试验结果分析确定相关几何因素与试件承载能力之间的关系,并对GFRP型材的承载能力确定提出了一些建议。

基于极限平衡理论的内置型钢-钢管煤矸石混凝土组合柱轴压承载力分析

内置型钢-钢管煤矸石混凝土组合柱是一种结合煤矸石混凝土与内置型钢-钢管混凝土的新型结构,该结构可为固体废弃物煤矸石的资源化利用提供一条有效途径。采用极限平衡理论,分析了内置型钢-钢管煤矸石混凝土组合柱的实际受力情况,建立了该新型组合柱的轴压承载力公式,并验证了公式的正确性。在此基础上,探讨了钢管管壁厚度、钢管强度、煤矸石混凝土强度及型钢强度等主要参数对组合柱轴压承载力的影响。结果表明:采用极限平衡法建立的公式与试验结果吻合较好,组合柱轴压承载力随钢管管壁厚度的增加而增大,钢管管壁厚度每增加1 mm,组合柱的轴压承载力提高约7%,钢管对煤矸石混凝土的约束应力提高约31%;煤矸石混凝土强度每增大5 MPa,组合柱的轴压承载力提高约6%。随着钢管管壁厚度的增加和钢管强度的增大,钢管对核心煤矸石混凝土作用的约束应力有所提高,型钢的轴压承载力随型钢强度的增加而增大,煤矸石混凝土的轴向应力随着其强度的增加而增大。该结论可为内置型钢-钢管煤矸石混凝土组合柱的工程设计提供理论依据。

采用FRP、钢管、混凝土的组合柱轴压承载力统一计算公式

随着FRP与传统材料的组合应用,国内外学者提出了适用不同工程背景的FRP、钢管、混凝土新型组合柱形式。考虑到其约束效果可以采用统一的侧向约束系数来评价,针对大多数基于FRP、钢管、混凝土的组合柱提出较为简便的统一计算公式。为建立适用范围广的组合柱轴压承载力统一计算公式,回顾了已有的FRP、钢管、混凝土组合柱形式,并按其约束形式分为四类截面。根据双剪统一强度理论,引入钢管屈服强度折减系数、方钢管的不均匀约束系数来考虑极限状态时钢管轴向应力低于其屈服强度的特点,分别推导出四类截面的组合柱轴压承载力计算公式。该公式考虑了组合柱的套箍指标、钢管屈服强度折减系数和组合柱截面尺寸影响,形式简单,适用范围广。通过与试验数据对比,提出的统一计算公式的理论计算值与试验值较为吻合。

氯盐腐蚀圆钢管再生混凝土短柱轴压承载力分析

为研究氯盐腐蚀圆钢管再生混凝土短柱轴压承载性能的变化规律,设计了16个试件并完成轴压试验。在试验研究的基础上根据极限平衡条件,提出了氯盐腐蚀条件下钢管再生混凝土短柱轴压承载力的计算公式,选取不同的侧压系数进行对比优化;采用国内外常用规范对试件承载力进行计算,将计算值与试验值进行对比并提出使用建议。结果表明给出的侧压系数建议值与试验结果吻合较好,通过折减壁厚的方法计算承载力是可靠的,对氯盐腐蚀圆钢管再生混凝土柱的理论研究和工程应用有一定的指导意义。

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.

基于有限元分析的建筑混凝土短柱轴压承载力数值模拟

基于ANSYS有限元平台,考虑建筑混凝土短柱轴材料的几何参数与计算方法,建立有限元分析基础下的建筑混凝土短柱轴压承载力数值模型,在模型的基础上分析不同配箍特征值下的建筑混凝土短柱轴压承载的荷载位移曲线,设定标准值以及设定混凝土受压强度,对所建立的有限元混凝土短柱轴压承载的具体情况以及数值模型模拟进行可行性分析,通过试验结果与其具体的试验内容进行判断,提出试验结果吻合的比对方法及策略,给出个人看法以及检验说明。

基于统一强度理论的钢管高强混凝土剪力墙轴压承载力计算

为建立钢管高强混凝土剪力墙轴压承载力理论计算方法,基于双剪统一强度理论对处于三向受力状态的混凝土和钢管进行计算分析,推导出钢管高强混凝土轴心受压承载力公式。与试验值对比可知,当竖向分布钢筋的配筋率和箍筋配筋率增大时,计算趋于安全保守,验证了该计算方法的合理性与准确性,可用于钢管高强混凝土剪力墙轴压承载力计算。

方钢管混凝土短柱轴压承载力尺寸效应

目的方钢管混凝土短柱轴心受压承载力存在尺寸效应,为了提高大尺寸方钢管混凝土轴心受压承载力设计计算的准确性,研究了考虑尺寸效应的方钢管混凝土短柱轴压承载力计算方法.方法笔者介绍了日本AIJ规范、美国AISC-LRFD规程、欧洲EC4规范和我国韩林海等提出的方钢管混凝土短柱轴压承载力计算公式,并用这些公式对收集的大量实验结果进行了计算分析,然后在已有的计算公式基础上引入尺寸效应模型,采用修正后的计算公式进行计算并与未修正的计算结果进行比较.结果现有的方钢管混凝土短柱轴压承载力计算公式的计算结果存在明显的尺寸效应,而在这些计算公式中引入尺寸效应模型进行修正后,计算结果的尺寸效应得到了明显改善.结论笔者探讨的4种计算公式都存在随着构件尺寸增大计算结果比实验值偏大的趋势,即计算公式无法准确反映构件轴压承载力存在的尺寸效应;通过引入混凝土材料的尺寸效应模型,对方钢管混凝土轴压承载力计算公式进行修正,可以有效减小方钢管混凝土轴压承载力的尺寸效应影响,从而为方钢管混凝土轴心受压承载力设计计算提供参考.

复合钢管混凝土柱轴压承载力的计算

为了研究具有内钢管和型钢增强的复合钢管混凝土柱的承载力,将钢管混凝土统一理论推广应用于复合钢管混凝土柱轴压强度计算中,在分析了复合钢管混凝土柱轴压受力机理的基础上,综合考虑不同内外钢材的截面形式,提出了组合等效套箍系数,应用于复合钢管混凝土柱的轴压强度计算,并将计算结果与文献的试验数据进行了对比。结果表明:可以用统一理论计算复合钢管混凝土柱的轴压承载力;该方法具有形式统一、计算简便、计算精度高的优点。

实空心钢管混凝土轴压承载力的统一理论和公式

目前关于钢管混凝土轴压承载力的计算理论和方法很多,其中分别有针对实心或空心截面、圆形或方形及多边形的。按"统一理论"的思想,不论截面是实心或空心,圆形或多边形,它们的性质应该是统一且连续的,那么计算公式也应该是完全统一且连续的,而现有的计算方法多针对其中部分截面形式或有不连续的情况。基于此推论,本文在基于厚壁圆筒理论建立的圆形实空心钢管混凝土承载力统一计算公式的基础上,将其进一步扩展到多边形截面上,最终得到可以同时适用于实心和空心,圆形和多边形的轴压承载力统一计算公式。

基于钢板屈曲分析的双钢板-混凝土组合剪力墙轴压承载力计算方法

为了考虑钢板屈曲对双钢板-混凝土组合(DSCC)剪力墙的轴压承载力的影响,该文首先以4个组合墙的轴压试验为基础,采用ABAQUS建立DSCC剪力墙的有限元模型。模型中混凝土采用实体单元,钢板采用壳单元,剪力连接件采用非线性弹簧单元SpringA,并考虑了材料非线性和钢板初始缺陷。在验证有限元模型后,研究了不同参数对钢板屈曲的影响,得到了钢板屈曲应力的计算公式。分析结果表明:当钢板出现局部横向贯通屈曲时,破坏模式为屈曲位置的混凝土压碎;当钢板未发生屈曲时,破坏模式为钢板屈服;墙侧面钢板宽度较小时,侧面钢板不会发生屈曲。最后,基于钢板屈曲分析以及构件极限状态下的应力状态分析,提出了新的DSCC剪力墙的轴压承载力计算方法,引入了钢板屈曲的影响。结构表明:对比规范JGJ/T380―2015采用的计算公式,该文提出的计算方法具有更高的精度和稳定性,可用于DSCC剪力墙的深入研究以及工程设计。

基于统一理论的复式钢管混凝土轴压承载力计算

依据钢管混凝土统一理论,将其研究成果推广应用于复式钢管混凝土轴压强度计算中,分析了复式钢管混凝土轴压受力机理,考虑不同内外钢管截面形式,提出复式钢管混凝土等效套箍系数,分别计算实复式钢管混凝土和复式空心钢管混凝土短柱的轴压强度.公式计算结果分别与文献试验数据进行了对比,结果表明:在满足一定的含钢率和空心率范围内,可以用统一理论计算复式钢管混凝土的轴压承载力,为复式钢管混凝土承载力设计计算提供了新的理论方法.