钢桁架约束混凝土组合柱约束机理及截面曲率分析

钢桁架(ST)约束混凝土组合柱具有良好的力学性能及抗震性能,且其截面形式能够有效提高内部钢材的利用率。基于已进行的轴向力学性能试验,对ST约束混凝土的约束机理进行详细分析,建立有效约束力计算模型、承载力计算模型以及本构模型。进行ST约束混凝土组合柱低周反复荷载试验研究,在试验研究的基础上,建立组合柱的截面弯矩-曲率分析模型。基于所提出截面分析模型,分析轴压比、混凝土强度等级、角钢含钢率、缀板宽度与角钢间距之比、缀板净距与角钢间距之比、角钢间距与缀板厚度之比对柱截面屈服曲率和极限曲率的影响。建立组合柱截面屈服曲率和极限曲率的计算公式,进一步推导截面曲率延性系数和位移延性系数的计算公式,并与试验结果进行对比,验证公式的准确性与适用性。所提出公式基于大量计算数值,所考虑的因素较为全面,可为后续组合柱的变形能力计算以及基于位移的抗震设计提供一定依据。

部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点抗震性能试验研究

为研究不同连接构造的部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点(PEC梁柱节点)的抗震性能,对2个PEC梁柱节点试件进行了拟静力加载试验,研究了低周往复荷载作用下PEC梁柱节点试件的破坏现象、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。结果表明:强轴连接PEC梁柱节点的滞回曲线呈梭形和弓形,在达到极限承载力后仍能保持一定的延性和耗能能力;弱轴连接PEC梁柱节点牛腿与梁间的焊缝处发生破坏,未展现出预期的耗能能力,PEC梁仍在弹塑性状态,没有达到极限状态;PEC梁柱节点核心区混凝土替换为加劲肋板后,试件仍具有较好的承载力、延性和耗能能力,刚度退化规律无明显变化,且强轴连接节点与弱轴连接节点刚度变化规律基本一致;PEC柱牛腿设计过短会导致焊缝连接处断裂,试件延性和耗能能力得不到发挥,剩余刚度较大。

内置工字型CFRP型材高强圆钢管高强混凝土轴压短柱组合效应分析

目的 研究内置工字型CFRP型材的高强圆钢管高强混凝土短柱在轴心压力作用下三种材料的组合效应。方法 采用有限元分析软件ABAQUS对其进行数值模拟,通过相关试验验证模型的准确性,并对典型构件的破坏形态、受力全过程曲线进行分析,揭示构件各组成部分之间的相互作用和工作机理,评估CFRP配置率、钢材屈服强度、混凝土抗压强度、约束效应系数对组合效应的影响。结果 在高强圆钢管高强混凝土柱中内置CFRP型材,对构件的延性及安全裕度有显著提高,并改善了高强圆钢管对高强混凝土的约束,提高了构件的组合效应。结论 CFRP配置率控制在5.9%~8.4%,约束效应系数在1.2~1.4,钢材屈服强度不大于770 MPa时,构件中三种材料组合效应最佳。

叠加空腹桁架的钢-钢骨混凝土组合转换桁架设计分析与监测

针对某上弦为钢骨构件、腹杆及下弦为型钢的钢-钢骨混凝土组合转换桁架结构,采用PKPM软件对组合转换桁架和其上空腹桁架进行了多个整体模型的弹性对比分析及静力推覆分析。结果表明,施工模拟方式、楼面板刚度模拟方式、混凝土空腹桁架构件徐变、中大震下出铰情况对转换桁架和空腹桁架分担的转换荷载计算值均有较大影响,相关因素应予包络、准确地考虑。对多个子结构组合而成的结构体系,应明晰各子结构在整体中发挥的作用,以及各子结构在相关因素变动情况下的定量变化情况,以保证各子结构性能稳定性和整体结构的安全。工程施工阶段监测表明,叠加空腹桁架的组合转换桁架结构变形及构件应变基本与设计预期相符,转换结构安全合理。

基于应力约束和启发式算法的建筑钢筋混凝土桁架结构拓扑优化方法

为了解决建筑钢筋混凝土桁架结构承载力较低的问题,文章提出了基于应力约束和启发式算法的建筑钢筋混凝土桁架结构拓扑优化方法。建筑钢筋混凝土桁架结构设计变量过滤处理为后续计算提供基础。根据轴心受力构件计算标准,构建应力约束条件。使用启发式算法中的组合优化方法,在MATLAB软件完成建筑钢筋混凝土桁架结构拓扑优化。试验结果证明:此方法具有较高的计算能力,可提升桁架结构的应力承载力至70.251J,得到最优优化结果。

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。

钢桁架(ST)约束混凝土组合柱抗震性能研究

目前,组合柱在建筑结构中进行了广泛应用和研究,研究表明:截面形式对组合柱的抗震性能有很大影响。首先,对钢桁架(ST)约束混凝土组合柱进行了试验研究。并在此基础上,利用有限元软件ABAQUS建立了数值分析模型;其次,基于数值分析模型,分析了组合柱中各部件的应力应变状态,分别考察了轴压比、缀板排列方式、体积配箍率、角钢肢宽与肢厚等因素对柱抗震性能的影响;最后,给出了组合柱在不同抗震等级下轴压比限值的建议值,可为后续组合柱的研究提供参考。研究表明:随着轴压比的增大,组合柱的延性变差,承载力先增大后减小;合理的缀板排列方式可有效抑制角钢的局部屈曲;随着体积配箍率的增大,组合柱的承载力有一定提升,延性提高较为显著;随着角钢肢宽和肢厚的增加,组合柱的承载力和延性均有显著提升。

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。

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。

组合梁栓钉对高性能混凝土约束收缩效应研究

为探究高性能混凝土在栓钉约束作用下的收缩特征及开裂行为,制作了钢-混凝土组合构件,通过试验研究了不同栓钉因素对高性能混凝土约束收缩应变、约束度及开裂风险的影响规律,运用正交试验方法研究了栓钉直径、间距、高度对高性能混凝土约束收缩的影响,得到了主要敏感因素。结果表明:高性能混凝土较普通混凝土的约束收缩应变发展趋势更为平滑;各栓钉因素对约束收缩的敏感性影响的主次顺序依次为直径、间距、高度;混凝土收缩在组合梁高度方向上呈现出一定的收缩梯度,混凝土约束收缩应变随高度增加而增大,但栓钉高度在30 mm处、间距在75 mm处、直径在150 mm处对高性能混凝土约束收缩几乎没有影响;栓钉对混凝土的约束作用可定义为3个阶段,即约束增强阶段、约束下降阶段和约束稳定阶段;组合梁构件最大开裂风险发生在栓钉的根部,当栓钉间距由150 mm减少到75 mm,直径由13 mm增加到22 mm时,最大开裂风险分别增加了20.03%和36.05%,栓钉高度的改变对最大开裂风险没有影响;采用高性能混凝土以及直径小、高度高的栓钉布置方式可以有效减小混凝土的收缩及开裂风险。

高速铁路大跨度钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥稳定性研究

为研究高速铁路大跨度钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定性,依托主跨300 m深茂铁路虎跳门水道特大桥,采用有限元软件ANSYS建立以梁单元为主的空间杆系有限元模型,对铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥开展线弹性稳定分析,并进行考虑几何初始变形及材料弹塑性的非线性稳定性分析。结果表明:在弹性稳定分析下,该桥梁的一阶失稳形式为主梁整体纵飘及塔纵弯失稳,二~四阶均为桥塔处的主梁下弦杆首先出现横向偏位而局部失稳;在运营阶段弹性稳定系数最小为7.639,第二、三阶和第四、五阶稳定系数分别相同且失稳形式为对称失稳;考虑最大几何初始变形(k=L/1 000)后,一阶稳定系数减小6.39%;考虑非线性因素影响后稳定系数降低明显,仅考虑几何非线性因素的影响后一阶、二阶和四阶稳定系数分别降低11.23%、9.01%和10.13%,而考虑几何及材料双重非线性因素影响后,一阶、二阶和四阶稳定系数分别降低67.78%、60.63%和52.56%,表明材料非线性对铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定系数影响更为显著;考虑最大几何初始变形(k=L/1 000)以及双重非线性因素影响后,铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定系数为1.985,大于规范1.7的要求。

基于修正型钢约束混凝土本构的T形配钢型钢混凝土柱静力分析

T形配钢型钢混凝土(SRC)矩形截面柱能较好地符合边柱实际非对称受力特征,具有重要的工程应用价值。考虑型钢压屈约束效应退化,修正Mander本构模型的下降段,构造约束混凝土受压本构新模型,并将修正的本构模型应用于T形配钢SRC柱的静力分析,讨论长细比和荷载偏心率对柱受力性能的影响。结果表明,修正后约束混凝土本构模型较符合型钢混凝土实际应力-应变特征;长细比的增大使T形钢由局部屈服转变为整体屈服,构件极限承载力略有降低;荷载偏心率的增大使T形配钢SRC柱由小偏心受压破坏发展为大偏心受压破坏,构件极限承载能力降低,但延性保持良好。

十字形部分包覆钢-混凝土组合柱轴压性能数值分析与承载力计算方法

为研究十字形部分包覆钢-混凝土组合柱(PEC柱)轴向荷载作用下的受力性能,通过有限元软件ABAQUS建立了足尺十字形PEC柱模型,并利用已有的试验数据验证了其可靠性;在此基础上,进行了典型十字形PEC柱轴压全过程受力分析,揭示了其在轴压作用下的受力机理和破坏模式,并对该构件进行了受力性能参数分析,系统分析了含钢率、截面高宽比、钢材强度、混凝土强度、系杆间距和截面面积等参数对其轴压性能的影响规律。研究结果表明:十字形PEC柱受力性能良好,其破坏模式主要表现为柱中部混凝土被压碎,钢筋骨架向外发生鼓曲,横向系杆间的型钢翼缘发生波纹状的局部屈曲;极限轴压承载力随截面含钢率、钢材强度、混凝土强度和截面面积的提高而增大,但截面高宽比和系杆间距等对其承载能力影响不大。最后,考虑混凝土约束效应分区,提出了十字形PEC柱轴压承载力简化计算方法,计算结果与有限元模拟结果吻合较好。研究结果将为十字形PEC柱的设计和应用提供参考。

方形耐候钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

为研究方形耐候钢管混凝土短柱的轴压力学性能,首先设计并开展了4根轴压短柱试验研究。进而采用Abaqus有限元软件建立方形耐候钢管混凝土短柱有限元模型并进行数值分析。数值模拟结果表明,轴压短柱直至破坏共经历了3个阶段:弹性段、弹塑性段和破坏段。其破坏模式均为柱中局部屈曲。耐候钢拉伸性能试验特征与低碳钢的力学性能相近,有限元建模采用低碳钢本构关系可准确模拟方形耐候钢管混凝土短柱的轴压力学性能。钢管内焊接拉筋能有效改善钢管对核心混凝土的约束作用,进而提高轴压短柱的极限承载力和延性。最后,方形耐候钢管混凝土短柱轴压力学性能与普通钢管混凝土短柱无异。

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。

方钢管超轻混凝土短柱轴压性能试验研究

对16个方钢管超轻混凝土短柱和8个空钢管短柱进行了轴压试验,以超轻混凝土强度和含钢率为变化参数,研究方钢管超轻混凝土短柱的破坏形态和受力性能。结果表明,随着超轻混凝土强度的降低,钢管对核心混凝土的约束效应越强;随着含钢率的增加,构件的承载力和变形能力提高,但当含钢率高于0.25时,超轻混凝土的存在对构件的承载力和变形能力已基本没有影响。基于叠加理论,提出了适用于方钢管超轻混凝土短柱承载力的计算公式。

泵站框架混凝土-钢复合柱力学行为研究

为研究泵站框架柱在火灾发生时,高温对柱变形行为的影响,文章通过设置多组对比试验分析了组合柱耐火性能和轴向变形影响因素。结果表明:柱的长细比、骨料类型等因素对组合柱的奈火性能有较大影响。为提高钢-混凝土组合柱的耐火性能,设计时应降低结构柱的长细比,增强骨料强度。研究结果为水利工程设计提供参考。

复合材料管-钢管约束混凝土组合柱的轴压性能

通过纤维增强复合材料(FRP)管-钢管约束混凝土组合柱的轴压试验,分析组合柱的受力特点、破坏形态、本构关系和承载力。结果表明:在荷载作用初期,FRP管的约束作用较小;在荷载作用后期,FRP管的环向应力增长较快,故以FRP管的环向断裂作为承载力极限状态指标。将现有理论计算模型与试验所得受约束混凝土的应力-应变关系进行对比,发现空心构件极限应变的理论计算误差较大,而实心构件吻合较好。最后提出了一种可用于确定实心组合柱极限承载力的简化计算方法,理论计算结果与试验值符合较好。

角钢螺旋筋复合约束混凝土组合柱轴压性能及承载力计算

为研究角钢螺旋筋复合约束混凝土组合柱的轴压力学性能,对26个该类组合柱试件及3个角钢约束混凝土柱对比试件进行了单调静力轴心受压试验。观察试件的破坏形态,得到试件的承载力和荷载-变形曲线。通过试件受力全过程的破坏形态、损伤演化、荷载-变形曲线、截面约束应力分布等分析角钢螺旋筋复合约束混凝土组合柱的复合约束机理和失效性态。基于Mander本构模型,通过划分不同的混凝土约束区,提出该类组合柱的轴压承载力计算方法。研究结果表明:角钢螺旋筋复合约束混凝土组合柱的轴压破坏过程及形态与角钢约束混凝土柱相似,但是其裂缝发展、混凝土剥落的过程更为缓慢;荷载-变形曲线更为饱满,损伤发展也更慢;承载力、延性和耗能能力都有显著提高;所提出轴压承载力计算方法的计算结果与试验结果吻合较好。

装配式混凝土柱-钢梁-屈曲约束支撑组合节点抗震性能研究

将屈曲约束支撑(BRB)引入装配式混凝土柱-钢梁(RCS)组合结构中,提出一种装配式混凝土柱-钢梁-屈曲约束支撑(P-RCS-BRB)组合结构连接节点,以适应当前抗震设计的更高要求。该节点不仅能实现全装配,还能有效降低支撑所带来的开合效应影响。采用经验证的有限元模拟分析方法,对此节点的抗震性能进行分析,结果表明:该节点具有高承载、可装配、震后无损伤等特点,满足强节点连接的设计要求和大震弹性的抗震目标,有助于实现结构的震后功能可恢复。