Experimental research on mechanical properties of prestressed truss concrete composite beam encased with circular steel tube

Tests of 4 simply supported unbonded prestressed truss concrete composite beams encased with circular steel tube were carried out. It is found that the ratio of the stress increment of the unbonded tendon to that of the tensile steel tube is 0.252 during the using stage,and the average crack space of beams depends on the ratio of the sum of the bottom chord steel tube's outside diameter and the secondary bottom chord steel tube's section area to the effective tensile concrete area. The coefficient of uneven crack distribution is 1.68 and the formula for the calculation of crack width is established. Test results indicate that the ultimate stress increment of unbonded tendon in the beams decreases in linearity with the increase of the composite reinforcement index β0. The pure bending region of beams accords with the plane section assumption from loading to failure. The calculation formula of ultimate stress increment of the unbonded tendon and the method to calculate the bearing capacity of normal section of beams have been presented. Besides,the method to calculate the stiffness of this sort of beams is brought forward as well.

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。

圆钢管型钢再生混凝土组合柱滞回性能非线性有限元分析

基于圆钢管型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验研究,采用OpenSees软件对该组合柱进行了滞回性能数值分析,获取了组合柱的滞回曲线及抗震性能指标,并与试验结果进行了比较,验证了组合柱数值模型的合理性。在此基础上,对组合柱的滞回性能开展了参数影响分析。结果表明:再生骨料取代率从0增大到100%,组合柱的峰值荷载下降了7.78%,延性略有降低;提高再生混凝土强度、型钢强度及圆钢管强度,对于提升组合柱的承载力及刚度是有利的,但却使组合柱的脆性增大;随着轴压比的增大,组合柱的承载力呈现先上升后下降的趋势,而延性逐渐变差;型钢配钢率从5.54%增至9.99%,组合柱的峰值荷载提高了24.34%,但对于改善组合柱的延性不明显;增大钢管壁厚对组合柱的承载力和延性均是有利的。

圆钢管型钢再生混凝土组合柱水平承载力计算方法研究

通过对11个圆钢管型钢再生混凝土组合柱进行低周反复荷载试验,分析再生粗骨料取代率、型钢截面形式、轴压比、型钢配钢率及圆钢管壁厚参数对组合柱水平承载力的影响规律;观察了组合柱的破坏形态及特征,研究了圆钢管、型钢翼缘及腹板应变的发展规律,分析了组合柱的地震破坏特征。研究表明,在水平地震作用下组合柱发生典型的压弯塑性铰破坏。在此基础上,结合现有规范提出了基于叠加原理的圆钢管型钢再生混凝土组合柱水平承载力计算方法。计算结果表明,其水平承载力计算值与试验值吻合度较好,能较为准确地预测组合柱的水平承载力。

内置工字形CFRP的高强圆钢管高强混凝土纯弯构件抗弯刚度研究

目的研究内置工字形CFRP型材高强圆钢管高强混凝土纯弯构件的抗弯刚度,为该类构件的设计和工程应用提供参考。方法设计3个CHCFHST-CFRP构件,对其进行纯弯试验;应用ABAQUS有限元软件建立了纯弯构件数值模型,在数值模拟结果与试验结果吻合的基础上,分析各参数对构件抗弯刚度的影响;并且推导了适用于纯弯构件的抗弯刚度和挠度计算公式。结果试件均未出现断裂,钢管也未产生局部鼓曲,卸载后纯弯段有明显回弹;随着混凝土强度、钢管壁厚和型材尺寸的增长,构件抗弯刚度略有增长;与未配置CFRP型材的构件相比,配置CFRP型材后构件的抗弯刚度有了明显的增长。结论试件整体呈弯曲破坏模态,具有良好的变形能力,具有较强的耗能能力及刚度退化能力;利用笔者推导的公式得到的计算值与试验结果吻合较好,公式可用来计算此类构件的抗弯刚度与挠度。

反复荷载下圆钢管型钢再生混凝土组合柱耗能能力及延性分析

对11个圆钢管型钢再生混凝土组合柱试件进行了低周反复荷载试验,观察了组合柱的破坏形态及特征,获取了组合柱的滞回曲线、等效粘滞阻尼系数、延性系数及侧向位移角等性能指标,分析了再生粗骨料取代率、型钢截面形式、轴压比、型钢配钢率和圆钢管径厚比等参数对组合柱耗能能力及延性的影响规律。结果表明:反复荷载作用下组合柱呈压弯塑性铰破坏模式;组合柱的荷载-位移滞回曲线饱满呈纺梭形,屈服位移后的等效粘滞阻尼系数在0.30~0.48之间,平均位移延性系数大于3.0,极限侧向位移角介于1/30~1/20之间且均大于规范限值1/50,组合柱表现出良好的耗能能力和延性。此外,组合柱的耗能能力和延性受再生粗骨料取代率的影响较大,全再生混凝土较普通混凝土耗能能力下降14.5%;增加钢管壁厚或型钢配钢率有利于提升组合柱的耗能能力和延性,而增大轴压比则对组合柱的延性和变形不利;内置型钢采用箱型截面时,组合柱耗能及延性最优,与工字型钢相比,采用箱型截面型钢的组合柱耗能能力和延性分别提升了23.5%和51.9%。

圆形截面钢管混凝土受弯构件塑性发展系数的双因素计算模型研究

为了综合考虑截面几何和材料特性对圆形截面钢管混凝土(CFST)受弯构件抗弯强度的影响,选择截面厚径比和材料强度比作为自变量,研究建立了圆CFST受弯构件截面塑性发展系数的二元函数计算表达,并建立了截面抗弯强度计算模型。首先在确定厚径比和强度比取值范围的基础上,设计1 656个圆CFST受弯构件的数值模型,利用纤维模型法计算确定每个构件的截面抗弯强度和塑性发展系数。然后选择截面钢管壁厚与外径之比、钢管强度与核心混凝土强度之比作为自变量,通过回归分析建立圆CFST构件的截面塑性发展系数的二元函数表达式,据此提出了圆CFST构件截面抗弯强度的计算模型。最后通过与试验数据、现行设计规范和研究文献中不同计算模型进行对比分析,验证了建立的圆形截面钢管混凝土受弯构件的截面塑性发展系数和抗弯强度计算模型具有更高的精度和适用性。

细长焊接圆钢管轴心受压稳定承载力研究

为研究细长焊接圆钢管轴压稳定性能,对30根试件进了轴压试验,分析了试件失稳变形的特征,比较了试件的稳定系数与我国规范中稳定曲线的关系,并考虑钢管几何初始缺陷和残余应力对其稳定承载力进行了有限元分析。研究表明:细长焊接圆钢管的几何初始缺陷具有较大离散性,与我国规范规定值不同,正则化长细比在1.0~1.3区间时,试验得到的稳定系数低于规范值,最大相差-24.4%;几何初始缺陷小于1/500杆长时,可采用规范值进行设计;而几何初始缺陷大于1/500杆长时,建议重新制定压杆曲线。最后,给出了细长焊接圆钢管在8种初始缺陷下的压杆稳定曲线。

新型开洞圆钢管混凝土柱-混凝土梁连接节点受力性能研究

传统的钢-混凝土混合结构的圆钢管混凝土柱-混凝土梁连接节点存在钢筋交错、纵横向需与钢构件避让或开孔等情况,节点构造复杂,施工难度较大,连接节点成为钢-混凝土混合结构的设计及施工难点。对此提出了新型开洞圆钢管混凝土柱-混凝土梁连接节点,并结合近年来采用钢-混凝土混合结构的项目经验,对该类节点进行有限元分析,研究了柱顶轴压力和柱端水平力对节点各部分构件受力性能的影响,结果表明,柱顶轴压力的变化显著影响了圆钢管混凝土柱钢管开洞位置各构件的应力,且偏心力对圆钢管混凝土柱承载力有一定的折减。最后考虑到钢管壁开洞对圆钢管混凝土柱存在一定程度的削弱,采用了四种加强措施,分析了四种加强措施下钢管荷载-应力曲线,结果表明,开洞位置钢管壁加厚效果最为显著,设置内环板对缓解应力集中效应也有一定的效果,设置竖向断开加劲肋与设置竖向连续加劲肋荷载-应力曲线基本一致,考虑到设置竖向断开加劲肋所需钢材更少,认为设置竖向断开加劲肋具有较为显著的优越性。

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。

圆钢管再生镍铁渣混凝土柱冲击性能试验

为研究掺镍铁渣钢管再生混凝土柱抗冲击性能,以粗骨料替代率、轴压比、落锤质量及冲击能量为变化参数,设计并制作了11根圆钢管再生混凝土柱。通过落锤冲击试验,得到了试件的破坏形态、位移时程曲线及冲击力时程曲线,研究了轴压比、粗骨料取代率、冲击能量和落锤质量对钢管再生混凝土柱侧向冲击性能的影响。结果表明:钢管再生混凝土柱抗冲击性能良好,能量吸收率基本恒定在67%左右;与取代率为0%相比,再生粗骨料取代率为30%时,试件跨中挠度平均降低8.9%;再生粗骨料取代率为70%时,试件跨中挠度平均降低11.4%;随着冲击能量的增加,试件跨中残余位移显著增大;轴压比在0~0.4以内,轴向力对钢管再生混凝土抗冲击性能有提高作用;落锤质量由330 kg增加至430 kg,冲击持续时间增加16%;套箍系数增大,跨中挠度减小。

内置异形箍筋矩形钢管混凝土柱的轴压力学性能

钢管混凝土作为一种发展前景广阔的结构形式,具有较好的承载力和塑性变形能力。矩形钢管混凝土柱作为其中常见的一种形式,在实际工程中的应用较为广泛。该研究基于矩形钢管混凝土在实际应用中存在的长短边约束不一致和对核心混凝土约束不足两个问题,探究一种新型的矩形钢管混凝土构件,即内置异形箍筋矩形钢管混凝土柱。为此,对11根内置异形箍筋矩形钢管混凝土柱、2根内置跑道形箍筋的矩形钢管混凝土柱、2根普通矩形钢管混凝土柱开展了轴压力学性能试验,重点分析了并束距、钢管壁厚、混凝土强度等级、箍筋间距、箍筋直径、内置用钢量等重要参数对内置异形箍筋矩形钢管混凝土柱的轴压承载力和延性的影响规律。结果表明:在总用钢量不变的情况下,将矩形钢管的壁厚减薄,并加工成异形箍筋内置于核心混凝土中,能够有效地提高试件的轴压承载力和延性;内置异形箍筋矩形钢管混凝土柱的轴压过程可以分为4个阶段——弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化段、下降段;相比于普通矩形钢管混凝土柱,内置异形箍筋矩形钢管混凝土柱有更为饱满的塑性强化段。在试验和参数分析结果的基础上,采用已有的约束混凝土本构模型,推导得到内置异形箍筋矩形钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式。该研究可为实际工程应用提供科学依据和数据参考。

基于SSA-BP神经网络的圆钢管RPC短柱轴压承载力预测

目的研究圆钢管活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)短柱轴压承载力与各影响因素之间的非线性映射关系,创建高精度承载力预测模型。方法引入麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA),优化BP神经网络的初始权重、阈值;以155组试验数据为基础,建立并训练SSA-BP神经网络模型,对圆钢管RPC短柱轴压承载力进行预测;将SSA-BP神经网络的预测结果与BP神经网络、遗传算法(Genetic Algorithm,GA)优化的BP神经网络预测结果及代表性公式预测结果加以比较。结果SSA-BP神经网络模型的预测精度相比于BP神经网络、GA-BP神经网络分别提高79.05%和35.62%,单次运行时间较GA-BP神经网络减少44.34%;SSA-BP神经网络平均误差为3.66%,远低于公式预测误差。结论SSA-BP神经网络能够实现圆钢管RPC短柱轴压承载力的高精度预测,为研究圆钢管RPC短柱轴压承载力提供了新方法。

内加强环式圆钢管混凝土柱-钢蜂窝梁节点抗震性能研究

目的 研究内加强环式圆钢管混凝土柱-钢蜂窝梁节点的抗震性能,为工程应用提供参考。方法 采用ABAQUS软件建立节点模型,对比其与内加强环式圆钢管混凝土柱-钢实腹梁的抗震性能,分析不同因素对节点抗震性能的影响。结果 与内加强环式圆钢管混凝土柱-钢实腹梁相比,两者抗震性能相近;梁柱线刚度比和钢材牌号对抗震性能影响较大,但梁柱线刚度比对节点的承载力和耗能能力影响最大,最大相差分别为169.3%和29%,钢材牌号对节点的延性影响最大,最大相差41.2%;含钢率、内加强环宽度和厚度对抗震性能影响不大,但对延性、耗能能力、屈服和极限位移影响较明显。结论 内加强环式圆钢管混凝土柱-钢蜂窝梁节点具有可行性,符合“强柱弱梁”的抗震设计要求。

圆钢管锂渣再生混凝土长柱力学性能研究

为了研究圆钢管锂渣再生混凝土长柱的力学性能,共设计了10根长柱试件进行试验研究。研究结果表明:再生混凝土取代粗骨料,随取代率的增加试件的力学性能降低,但是掺入锂渣可以弥补再生混凝土力学性能上的损失。且试件的性能随着锂渣取代率的增加,先增加后降低。随长细比的增加,极限承载力呈整体下降趋势。从整体看,锂渣和再生混凝土的掺入,试件表现出良好的刚度和延性。

圆钢管再生混凝土框架滞回性能有限元分析

为研究不同设计参数下圆钢管再生混凝土框架的滞回性能,在课题组前期研究基础上,建立了圆钢管再生混凝土框架抗震性能有限元模型,对8个试件进行了有限元分析,通过改变轴压比、梁柱线刚度比、梁柱屈服弯矩比等参数来研究圆钢管再生混凝土框架滞回性能指标。结果表明:不同变化参数下试件的滞回曲线均呈现梭形且较饱满。轴压比从0.2增至0.4时,位移延性系数前期增加后期减小,但均大于3.20;试件耗能系数能达到0.30以上。梁柱线刚度比从0.4增至0.79时,试件初始刚度增加了4.16%;位移延性系数变化幅度远远小于5%且均大于3.45。梁柱屈服弯矩比从0.15增至0.4时,位移延性系数降低16.52%;试件耗能系数能达到0.38以上且破坏点的耗能系数约为屈服点的2倍。随着加载位移的增加,不同变化参数下试件刚度逐渐退化,且退化速率逐渐趋于平缓。

圆钢管地聚物再生砖骨料混凝土短柱轴压性能研究

为研究钢管地聚物再生砖骨料混凝土基本力学性能,以混凝土基准强度等级、再生砖骨料取代率和钢管径厚比为主要参数,进行了20个圆形截面轴压短柱的试验研究,分析其破坏形态、荷载-应变关系、极限承载力、延性等性能。试验结果表明:随着再生砖骨料取代率的增加、钢管厚度的增大或混凝土基准强度的减小,构件的延性和残余承载力提高;构件极限承载力随再生骨料取代率的增大而降低,核心混凝土基准强度越高或钢管厚度越大,构件承载力随取代率增加而下降的幅度减小。针对地聚物再生砖骨料混凝土,修正了核心混凝土本构模型,有限元计算结果与试验结果吻合良好。在此基础上对不同参数的240个圆钢管地聚物再生砖骨料混凝土短柱进行计算,并与现有简化计算公式比较,结果表明,采用地聚物再生砖骨料混凝土的实际强度和弹性模量后,现有轴压承载力和轴压刚度简化公式同样适用于圆钢管地聚物再生砖骨料混凝土。

冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析

基于材料强度折减及钢管壁厚折减的方法,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压力学性能采用有限元法进行了研究。基于合理的有限元分析模型,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土柱的破坏模态、轴向荷载-位移关系、钢管与混凝土相互作用进行了分析,研究了含钢率、截面尺寸、钢管屈服强度、混凝土轴心抗压强度以及冻融循环-酸雨交替次数对试件轴压极限承载力的影响。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性;冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后轴压圆钢管混凝土短柱的破坏模态与普通试件相似,轴向荷载-位移曲线变化趋势一致,试件均为塑性破坏;圆钢管混凝土轴压短柱随冻融循环-酸雨锈蚀交替次数的增加,材料性能劣化严重,外钢管对核心混凝土约束作用减弱,试件极限承载力明显下降。

某不规则钢框架结构及其梁-柱节点分析

介绍了一栋不规则2层钢框架结构体系,该项目基于建筑要求,钢框架梁、柱要求全部采用圆钢管型截面。由于实际工程中框架梁、柱截面全部采用圆管型截面的钢框架结构研究与应用较少,故为满足设计的需要,并确保结构体系的安全及可靠,在设计过程中对该结构体系及节点进行了一些分析与研究,以解决设计中的难点所在。分析结果表明,经过周到合理的分析,并配以恰当的构造措施,圆管型框架梁完全可运用到钢框架结构设计当中,圆管型截面的钢框架梁-柱节点具有良好的抗震性能。结构设计中若判断构件以受弯为主,箱形或工字型截面有较好的经济性。

冻融循环后钢管混凝土黏结性能数值分析

为研究冻融循环作用后钢管与混凝土界面黏结性能,通过内聚力模型与库伦摩擦模型定义界面黏结-滑移行为,建立考虑冻融损伤的圆钢管混凝土柱有限元模型。以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度、钢管屈服强度为主要参数,研究不同因素对圆钢管混凝土界面黏结性能的影响规律。模拟结果表明,内聚力模型与库伦摩擦模型能有效地模拟钢管混凝土界面黏结性能。冻融循环次数是影响界面黏结性能最主要的因素,冻融循环次数增加,界面黏结性能逐渐降低;增大钢管壁厚、混凝土强度、钢管屈服强度可改善界面黏结性能。