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.

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。

钢管钢纤维高强混凝土短柱轴心受压试验研究

对7根圆钢管钢纤维高强混凝土短柱和3根圆钢管高强混凝土短柱进行了轴心受压试验,研究钢纤维掺量、含钢率和混凝土强度等级对钢管钢纤维高强混凝土短柱受力性能的影响。研究结果表明:随着钢纤维体积掺量的增加,钢管钢纤维高强混凝土短柱的延性逐渐增大,承载力略有提高;随着含钢率的增加,钢管钢纤维高强混凝土短柱的承载力和延性均增大;随着混凝土强度等级的增加,钢管钢纤维高强混凝土短柱的承载力增大,延性逐渐降低;掺入钢纤维对钢管高强混凝土短柱的破坏模式几乎没有影响。最后给出了钢管钢纤维高强混凝土短柱承载力计算式。

高强型钢超高性能混凝土短柱轴压性能试验及其有限元分析

为研究高强型钢超高性能混凝土短柱的轴压性能,对试件进行了轴心受压试验,设计参数包括配钢率、箍筋间距和箍筋形式。观察了试件的轴压破坏过程,获得了破坏形态及轴向荷载-位移曲线,分析了承载能力、变形能力、刚度等轴压性能指标,以及超高性能混凝土、纵筋、箍筋和型钢的应变发展规律。在试验研究基础上,采用ABAQUS建立了高强型钢超高性能混凝土短柱轴压性能有限元分析模型,计算结果与试验结果吻合较好,进而进行了参数分析。结果表明:试件发生的是典型轴压破坏,中部表面出现“锯齿形”裂缝;轴向荷载-位移曲线会出现2次荷载峰值;箍筋间距减小时,试件的承载能力和变形能力均提高,但刚度退化速率没有显著变化;配钢率增大时,试件的承载能力提高,变形能力先增大后减小,刚度退化变缓;型钢强度增大时,试件的承载能力和变形能力均提高,提高速度先快后慢;超高性能混凝土抗压强度增大时,试件的承载能力提高,变形能力降低;超高性能混凝土受拉能够达到峰值应变;纵筋在极限点之前发生受压屈服;箍筋在极限点时应变不足屈服应变的1/3,但在破坏点前达到受拉屈服;型钢翼缘在极限点前后发生屈服,腹板屈服晚于翼缘。

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。

高温后钢管高强混凝土柱的黏结性能

为了研究高温后钢管高强混凝土柱的黏结性能,通过有限元软件ABAQUS建立模型,并与已有试验结果进行验证,吻合良好。研究表明:钢管高强混凝土柱的黏结应力随着温度的升高呈现出先增加后减小的趋势;黏结应力随着混凝土强度的增大而增大,随着径厚比的增大而减小;长径比在2.74~7.72的范围内,随着长径比的增加,黏结力逐渐增加;黏结界面破坏的速度随温度的增加而减缓;随着温度的增加耗能因子呈现先增大后减小的趋势。

钢管高强再生混凝土叠合柱偏压性能

为研究钢管高强混凝土叠合柱偏心受压性能,以混凝土类型和偏心距为参数,完成了6根叠合柱偏心受压试验,研究了不同参数对钢管高强混凝土叠合柱损伤发展过程、破坏特征、承载力和延性的影响,并基于《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(T/CECS 188—2019)和相关学者提出的公式对16根钢管混凝土叠合柱的偏压承载力进行了计算。研究结果表明:再生混凝土叠合柱与普通混凝土叠合柱的受力过程均经历了弹性、带裂缝工作和破坏3个阶段,表现出外围混凝土保护层被压碎脱落、纵筋鼓曲和箍筋外鼓等破坏特征;与普通混凝土叠合柱相比,再生混凝土叠合柱的初始刚度和变形能力有所降低,但承载力略高;随着偏心距的增加,钢管混凝土叠合柱的初始刚度和承载力迅速降低,而位移延性系数迅速增大,中和轴逐渐向受压区移动,与平截面假定的吻合度有所降低;钢管混凝土叠合柱偏压承载力计算应考虑钢管自身承载力以及钢管对核心混凝土约束效应的影响。

方钢管超高强钢纤维混凝土柱轴压性能研究

为研究方钢管超高强钢纤维混凝土柱的受压性能,开展了12个方钢管超高强钢纤维混凝土柱的轴压试验,试验参数包括钢管屈服强度与厚度、混凝土基体强度和钢纤维掺量.结果表明:掺入钢纤维基本不改变试件的破坏形态;对于混凝土棱柱体抗压强度介于80~150 MPa之间、套箍指标介于0.33~1.43之间的方钢管钢纤维混凝土柱,其管内混凝土的抗压强度与对应混凝土棱柱体抗压强度接近;钢纤维对延性的提升作用随着混凝土强度的提高和套箍指标的增大而降低;当混凝土棱柱体抗压强度为130 MPa、套箍指标为0.90时,掺入1.5%的钢纤维对提升方钢管混凝土柱的延性不起作用.

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。

带肋方钢管混凝土轴压短柱承载性能有限元分析

带肋方钢管混凝土是一种具有卓越性能被广泛应用的结构材料。使用ABAQUS有限元软件,对方钢管混凝土短柱进行了有限元分析,得出了方钢管混凝土短柱在轴向压力下的荷载-位移全过程关系曲线。增加加劲肋的设计,可以有效提高方钢管混凝土短柱的承载能力;随着加劲肋个数和钢管厚度的增加,构件的极限承载力也得到了提高。

考虑有效混凝土强度的中空夹层钢管混凝土短柱轴压性能研究

随着混凝土强度的提高,因为混凝土的脆性导致其强度折减而降低利用效率。然而,现存的中空夹层钢管混凝土(CFDST)柱数值分析模型并没有考虑混凝土强度的折减效应,导致这些模型在分析高强度混凝土填充CFDST柱的性能时出现较大的离散性,从而影响实际工程设计。为了更加有效和准确地分析CFDST柱的力学性能,建立了考虑有效混凝土强度的CFDST轴压短柱纤维单元分析模型,同时,一个考虑混凝土脆性对混凝土强度影响的强度折减系数被引入在该模型中。进一步,通过对比笔者前期试验结果和收集的试验数据,以及现有的纤维单元分析模型,验证了该文提出的纤维单元分析模型具有较高的预测精度。基于验证的纤维单元分析模型,研究了各柱的参数对CFDST柱轴压性能的影响,结果发现:混凝土强度、空心率、外钢管屈服强度和外(内)钢管径厚比影响CFDST柱的承载力和延性,而内钢管屈服强度仅影响CFDST柱的承载力而对延性几乎没有影响。最后,基于试验和数值分析结果,提出了CFDST柱轴压承载力计算公式,并与试验和数值结果吻合较好。

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。

方钢管螺旋筋约束自密实高强混凝土柱抗震性能试验研究

为研究方钢管螺旋筋约束自密实高强混凝土柱的抗震性能,以轴压比、剪跨比、有无配制螺旋筋以及螺旋筋间距作为设计参数,进行了7个试件的低周反复加载试验,获取了各试件的滞回曲线以及应变分布。试验结果表明:试件破坏特征主要为方钢管柱脚区域出现明显鼓曲形成塑性铰区域;随轴压比的提高,试件抗剪承载力、环线刚度和耗能能力均有提升,剪跨比对试件抗震性能的影响规律不明显。配制螺旋筋对峰值承载力和刚度的影响较小,而对试件延性及耗能的提升明显,与无配筋试件相比试件延性平均提升了15.4%,耗能平均提升了114.9%。螺旋筋间距越密对试件抗震性能提升效果更优;适当增大轴压比,控制剪跨比在5以内以及增设螺旋筋对提升其承载能力和变形能力有积极作用。

异形多腔钢管混凝土分叉短柱抗震性能试验及数值计算

针对某超高层巨型框架结构中异形截面多腔钢管混凝土(concrete-filled steel tube, CFT)分叉柱,为研究截面加强构造对分叉短柱抗震性能的影响,进行了4个试件在竖向轴压力及水平往复两次的低周反复荷载下的抗震性能试验研究,试件上部为五边形四腔体钢管混凝土双柱肢,下部为八边形十三腔体钢管混凝土单柱肢,以此形成分叉柱;研究的截面构造包括四种:基本构造,钢管钢板整体加厚构造,距中和轴较远的钢管角部钢板内表面贴焊等肢角钢的局部钢板加厚构造,距中和轴较远的钢管腔体内置圆钢管构造。基于试验结果及截面构造特点,进行了数值计算。试验及数值计算结果表明:异形截面多腔钢管混凝土分叉短柱的破坏主要发生在上柱根部分叉截面处,表现为距离中性轴较远处的钢板撕裂以及局部焊缝开裂引起的整块钢板撕裂;内置圆钢管的加强构造承载力提高7.6%、变形能力提高14.4%,综合耗能能力最强,局部钢板加强构造承载力提高9.2%、变形能力下降18.7%,钢管钢板整体加厚构造承载力略有提高、但变形能力下降较多;提出的异形多腔钢管混凝土柱简化建模方法计算效率较高,精度满足工程设计要求。

偏心率对工字型CFRP-高强圆钢管高强混凝土短柱力学性能的影响

目的研究偏心率对内置工字型CFRP型材的高强圆钢管高强混凝土短柱力学性能的影响。方法利用ABAQUS有限元软件建立了工字型CFRP-高强圆钢管高强混凝土短柱模型,分析不同偏心率下构件的受力-变形关系、各材料分担荷载以及应力发展,探究混凝土强度、钢材屈服强度、含钢率和CFRP型材对组合柱力学性能的影响。结果随着偏心率的增大,构件延性提高,初始刚度与极限承载力降低,且降低幅度减小,偏心率与极限承载力呈非线性关系;偏心率越小,加入CFRP型材对组合柱承载力的提高越显著。结论偏心率越大,混凝土强度的利用率越低,钢管力学性能发挥越充分。偏心率小于0.328时,建议采用增大混凝土强度的方式增加构件极限承载力;偏心率大于0.328时,建议采取增大钢材屈服强度和含钢率的方式增加构件的极限承载力。

火灾下双钢管混凝土复合短柱的性能与承载力计算方法

为研究双钢管混凝土复合短柱的耐火性能,建立了双钢管混凝土复合短柱精细化数值模型,在类似构件试验成果验证的基础上,开展其高温反应规律和耐火性能影响因素研究;全面分析了内管径厚比、外管径厚比、内外管直径比等参数的影响,以及不同截面组合形式(内圆外圆、内方外圆和内圆外方)双钢管混凝土短柱的耐火极限。基于热传导分析理论推导双钢管混凝土短柱截面的温度场分布公式,并根据有限元模拟结果对公式进行修正;最后基于温度等效原理进一步提出了火灾条件下双钢管混凝土短柱截面温度场的简化计算公式和承载力计算方法。结果表明:双钢管混凝土复合短柱具有较好的耐火性能,在直径不变时增大内钢管的厚度以及在厚度不变时增加内钢管的直径都有利于耐火极限的提高;在荷载作用和含钢率相同的条件下,不同截面组合形式的双钢管混凝土短柱耐火极限相差不大,但总体上双圆钢管混凝土短柱的耐火性能偏优;提出的温度场简化计算公式和基于等效温度的承载力计算方法与有限元结果相对误差都在15%以内。

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。

钢纤维掺量对自密实钢管混凝土柱轴压力学性能影响研究

为提高钢管混凝土柱轴压承载力,在自密实混凝土中掺入钢纤维,研究不同钢纤维掺量对自密实钢管混凝土柱轴压力学性能的影响。通过设计正交试验,研究3组钢纤维掺量对自密实混凝土强度的影响,并为钢管混凝土钢纤维用量提供依据;对钢纤维组、普通组自密实钢管混凝土柱进行轴压试验,研究钢纤维对自密实钢管混凝土柱轴压力学性能影响;基于ABAQUS建立26组不同钢纤维掺量钢管混凝土柱模型,根据现场试验结果验证模型的正确性,分析其中6组钢纤维掺量对其轴压性能的影响,并建立不同钢纤维掺量下钢管混凝土柱轴压承载力计算公式。结果表明,2%掺量钢纤维对自密实混凝土强度增长的贡献较为显著,并能提高约4%自密实钢管混凝土柱轴压承载力,为最适宜掺量。提出考虑钢纤维掺量对钢管混凝土强度提高的计算式,与试验结果吻合良好。

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。

钢管混凝土短柱轴压承载力试验与规范计算方法对比研究

为研究钢管混凝土构件尺寸效应对其承载力与规范计算方法的异同,对含钢率和套箍系数相同,截面形式不同的三种钢管混凝土短柱构件进行轴压试验,分别获取了构件在轴心压力作用下的荷载-应变关系曲线和荷载-轴向位移全过程曲线。运用叠加原理理论分析了当套箍系数相等时,不同规格钢管混凝土构件的受力性能和极限承载力提高效果。将试验值与现行规范计算值对比,研究结果表明,现有规范CECS 28:2012和DBJ 13-51—2010对钢管混凝土短柱的承载力计算值与试验值最接近;当套箍系数相等,材料性能相同、构件几何尺寸近似的圆钢管混凝土短柱具有一定的尺寸效应。