Dynamic Response of RPC-Filled Steel Tubular Columns with High Load Carrying Capacity Under Axial Impact Loading

Experimental investigation into impact-resistant behavior of reactive powder concrete (RPC)-filled steel tubular columns was conducted,and dynamic response of the columns under axial impact loading was studied by means of numerical simulation method.Increase coefficient of load carrying capacity and ratio of load carrying capacity between steel tube and RPC core of col-umns were obtained.

Seismic behavior of steel tubular bridge columns equipped with low-yield-point steel plates in the root replaceable pier

To enable rapid recovery of a steel bridge column after an earthquake,a novel tubular-section steel bridge column equipped with low-yield-point(LYP)steel tubular plates in the root replaceable pier is proposed.For the purpose of discussing the seismic behavior of the novel steel bridge column,quasi-static tests and finite element simulation analyses of the specimens were carried out.The effects of parameters such as the axial compression ratio,eccentricity,and thickness and material strength of the tubular plate in the energy-dissipating zone are discussed.Experimental results from seven specimens that were subjected to four failure modes are presented.The damage to the quasi-static specimens is localized to the replaceable energy-dissipating pier.The seismic behavior of the novel steel bridge columns is significantly influenced by the axial compression ratio and eccentricity of specimens.Numerical results show that the high stress area of the specimens is mainly concentrated in the connection zone between the LYP steel tubular plate and the bottom steel plate,which is consistent with the position of the quasi-static specimen when it was prone to fracture.Finally,a calculation formula is proposed to facilitate the capacity prediction of this new steel tubular bridge column under repeated loading.

Seismic Behavior of Diaphragm-Through Connections of Concrete-Filled Square Steel Tubular Columns and H-Shaped Steel Beams

Based on the introductions of a type of diaphragm-through connection between concrete-filled square steel tubular columns (CFSSTCs) and H-shaped steel beams,a finite element model of the connection is developed and used to investigate the seismic behavior of the connection.The results of the finite element model are validated by a set of cyclic loading tests.The cyclic loading tests and the finite element analyses indicate that the failure mode of the suggested connections is plastic hinge at the beam with inelastic rotation angle exceeding 0.04 rad.The suggested connections have sufficient strength,plastic deformation and energy dissipation capacity to be used in composite moment frames as beam-to-column rigid connections.

Influence of Axial Load Ratio on Shear Behavior of Through-Diaphragm Connections of Concrete-Filled Square Steel Tubular Columns

Nonlinear finite element analysis and parametric studies were carried out to study the influence of axial load ratio on the shear behavior of the through-diaphragm connections of concrete-filled square steel tubular columns. The analysis reveals that smaller axial load ratio can improve the shear bearing capacity and ductility while larger axial load ratio will decrease the shear behavior of the through-diaphragm connections. The parametric studies indicate that the axial load ratio should be limited to less than 0.4 and its influence should be considered in the analysis and design of such connections.

Numerical and experimental study on seismic behavior of concrete-filled T-section steel tubular columns and steel beam planar frames

The seismic behavior of planar frames with concrete-filled T-section columns to steel beam was experimentally and numerically studied. A finite element analysis （FEA） model was developed to investigate the engineering properties of the planar frames. Two 1：2.5 reduced-scale specimens of T-section concrete-filled steel tubular column and steel beam of single-story and single-bay plane frames were designed and fabricated based on the design principles of strong-column, weak-beam and stronger-joint. One three-dimensional entity model of the investigated frame structure was built using a large-scale nonlinear finite-element analysis software ABAQUS. Experimental results show that the axial compression ratio has no effect on the failure mode of the structure, while with the increase of axial compression ratio and the dissipated energy ability increasing, the structural ductility decreased. The results from both experiments and simulations agree with each other, which verifies the validity and accuracy of the developed finite element model. Furthermore, the developed finite element model helps to reflect the detailed stress status of the investigated frame at different time and different positions.

Low cyclic fatigue performance of concrete-filled steel tube columns

Eight concrete-filled steel tubular(CFT) columns were tested subjected to cyclic loading under constant axial load. Experimental parameters included axial compression ratio, loading sequences, and strength of concrete and steel. The seismic performance of CFT columns and failure modes were analyzed. The test results show that different axial load ratios and loading sequences have effects on the load carrying capacity, ductility and energy dissipation capacity of CFT columns, as well as the failure modes of the CFT columns. The failure pattern can be categorized into two types: local buckling failure of steel tube in compression zone, and low cycle fatigue tearing rupture failure of steel tube. The seismic behavior was evaluated through the energy index obtained from each cycle.

新型钢管混凝土梁柱节点力学性能试验研究

为研究内加强环式圆钢管混凝土柱与矩形钢管混凝土梁这种新型连接节点的力学性能,设计了缩尺钢管混凝土梁柱节点试件,开展了相同梁柱节点试件的静力加载试验和低周往复加载试验。通过研究该节点试件的破坏模式、荷载-位移曲线以及拟静力加载试验的骨架曲线、核心区剪切变形等,分析了节点试件的承载能力、延性和耗能能力,全面考察了同一梁柱节点在静力加载和低周往复加载两种工况下的受力性能和破坏模式。结果表明:钢管混凝土梁柱节点试件核心区强度较强,破坏模式主要为梁端破坏,低周往复加载试验时试件梁柱连接处附近的梁端钢板发生拉裂破坏和钢板鼓曲,静力加载试验时试件梁端焊缝发生拉裂破坏;试件延性较好,加载过程中经历了弹性、弹塑性和塑性发展阶段。最后提出了该类钢管混凝土梁柱节点核心区的抗剪强度计算公式。

RPC外包方钢管混凝土柱轴压受力性能研究

为了研究活性粉末混凝土(Reactive powder concrete,RPC)外包方钢管混凝土柱的轴压受力性能,以RPC厚度和长细比为参数,对6根构件开展轴压试验研究,探讨该类组合柱的破坏模式、受力机理、套箍效应和承载力。试验结果表明:外层RPC可为内部方钢管混凝土柱提供较强的约束力,在受力后期套箍效应凸显。随着RPC厚度的增加,组合柱的承载力逐渐提高;随着组合柱长细比的增大,虽然其弹性刚度和承载力逐渐降低,但延性改善。采用ABAQUS软件建立RPC外包方钢管混凝土柱的有限元模型,分析RPC强度、RPC厚度、钢管强度等级、含钢率、内部混凝土强度和长细比等参数对组合柱承载力的影响规律,可得方钢管混凝土柱发挥系数的变化幅值为0.78~1.01。在试验研究、有限元参数分析和理论探讨的基础上,借鉴钢管混凝土结构技术规范,提出了RPC外包方钢管混凝土轴压短柱和长柱的承载力简化计算方法,公式计算值与已有数据样本吻合良好。

T型钢连接方钢管柱-H型钢梁节点抗震性能分析

目的为了研究单边螺栓和T型钢连接的方钢管柱-H型钢梁节点的抗震特性,方法采用室内试验和数值模拟分析方法,对1∶2缩尺的边节点进行拟静力试验,并通过ABAQUS有限元软件进行数值模拟,综合分析边节点的滞回特性、承载力、刚度与耗能等力学特性。有限元分析变量为T型钢加肋、梁翼缘狗骨式和梁腹板开圆孔式。结果试验中,节点试件中连接件T型钢参与耗能且其变形最明显,梁、柱构件变形较小。塑性铰主要集中在连接构件T型钢上,T型钢腹板与翼缘交接处出现应力集中状态。试验弹性阶段,节点构件共同抵抗外部作用力。进入塑性阶段,节点损伤逐渐累积至T型钢,使T型钢最终产生塑性破坏而失效。有限元模拟中,T型钢加肋的形式对节点整体承载力影响最大,其中加3号肋的形式使节点承载力的增长量达到最大;梁翼缘狗骨式的形式对节点整体耗能能力影响最大,为44.01%。结论在T型钢上加肋板对节点的承载力和刚度提升较明显,对耗能能力影响不大;梁翼缘狗骨式和梁腹板开圆孔式均能提高节点的耗能能力,节点承载力和刚度基本不变;梁翼缘做狗骨式对节点抗震性能影响最显著。

大高宽比矩形钢管混凝土柱压弯性能研究

为了研究大高宽比矩形钢管混凝土柱的压弯性能,对大高宽比钢管混凝土短柱进行偏压试验并结合有限元模拟补充了4组试件进行对比,包括不同偏心率、高宽比、钢管壁厚度、截面尺寸情况下柱性能的对比分析。最后参考常用的4本国内外规范进行柱承载力计算,对比并判断现有规范是否适用。结果表明:试件破坏模式均为长边鼓曲,当荷载小于极限承载力的80%时,横截面高度上的应变分布服从平截面假定;随着偏心率增大,柱延性提升,在偏心率超过0.205后,柱延性开始下降;随着壁厚增加,柱延性提升,在壁厚达到8 mm后,柱延性开始下降;随着高宽比提升,柱延性降低;随着截面尺寸增大,在壁厚不变的情况下,柱延性降低,在壁厚等比例增大时,柱延性变化不大;随着高宽比、截面尺寸、钢管壁厚度的增大,柱承载力提升;随着偏心率升高,柱承载力降低;参考规范JGJ 138—2016对大高宽比钢管混凝土柱偏压承载力的计算更为准确。

内置H型钢的圆铝管混凝土短柱轴压性能分析

为研究内置H型钢的圆铝合金管混凝土短柱的轴压力学性能及受力机理,采用ABAQUS建立了该类试件的有限元模型,在有限元验证基础上,研究了试件在轴向荷载作用下的破坏形态,对典型试件进行了受力全过程分析以及接触力分析,研究了试件不同高度处的截面各组成部分的荷载分担情况,总结了试件各部分之间接触应力的变化规律;研究了混凝土抗压强度、含钢率、铝合金管壁厚以及截面构造对试件轴压力学性能的影响。结果表明:试件在轴向荷载作用下铝合金管、混凝土以及H型钢表现出良好的组合效应,通过参数分析发现,轴压短柱受力过程中的横向变形随着混凝土立方体抗压强度增大而增大,参数分析中圆铝合金管壁厚对轴压短柱的承载能力影响最大。可见内置H型钢的圆铝合金管混凝土柱组合构件在受轴向荷载时表现出较强的承载能力以及良好的抵抗变形能力。

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。

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。

圆钢管砖骨料地聚物再生混凝土柱滞回性能试验研究

为探究废弃黏土砖再利用的可行性,对6根圆钢管砖骨料地聚物再生混凝土柱的滞回性能进行了系列试验研究。以不同钢管厚度(4、6 mm)、砖骨料取代率(0%、50%、100%)、轴压比(0.05、0.25、0.50)为参数,得到了试件在往复荷载作下的失效模态、骨架曲线和滞回曲线,并对构件的刚度退化、滞回性能、峰值承载力、延性、承载力退化和耗能能力等抗震性能指标的变化规律分析。结果表明:试件的失效模式表现为底部发生鼓曲、开裂,出现塑性铰的区域核心混凝土破碎,与普通钢管混凝土相似;砖骨料取代率和轴压比的增加会降低试件的承载力,钢管厚度的增加会提高试件的承载力。试件的滞回曲线饱满,表现出不明显的捏缩,表明耗能能力较好;轴压比的增加导致试件的变形能力降低,加快了刚度和承载力的退化速度,增长钢管厚度可以提高试件的变形能力;砖骨料取代率对试件刚度退化、延性、承载能力和耗能能力的影响有限。

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。

不同构造下的钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能研究

与普通节点不同,钢管混凝土柱-钢梁节点在地震作用下更容易发生破坏,为了提高钢管混凝土柱与钢梁连接节点的抗震性能,进行了不同构造下的钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能研究。以预埋锚杆构造的两种钢管混凝土柱-钢梁节点和钢梁穿透式构造的钢管混凝土柱-钢梁节点为研究对象,在梁体中部设置了横向支承,采用层间位移角控制周期性荷载,当地震荷载不同时,测试了3种构造钢管混凝土柱-钢梁连接节点的抗震性能。结果表明,钢梁穿透式构造的钢管混凝土柱-钢梁节点对地震具有较高的承载能力,弱化伸缩梁端节点的构造方法符合抗震设计要求,通过端板的屈曲可以消散大部分能量,具有强大的耗能能力。

预应力薄壁圆钢管约束混凝土短柱轴压性能初探

为提高薄壁钢管混凝土柱轴心受压性能,提出了预应力薄壁圆钢管约束混凝土柱,即采用对拉螺栓对薄壁圆钢管施加环向预应力,形成对内部混凝土初始约束围压,以提高内部混凝土的轴心抗压强度及承载力性能。为探究其轴向受压性能提升效果,进行了预应力薄壁圆钢管约束混凝土短柱轴心受压试验;并采用ABAQUS有限元计算软件建立了相应的非线性有限元数值模型,基于试验所获得荷载-位移数据,验证了模型的可靠性。在合理可靠试验模型的基础上,进行了不同预应力度(k=0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)和不同钢管厚度(t=1.5mm、2.0mm、2.5mm和3.0mm)情况下的轴心受压性能影响分析。结果表明:采用对拉螺栓对薄壁圆钢管混凝土柱施加环向预应力,可有效提高其轴心抗压强度、刚度和延性;在合适预应力范围内,预应力度(k=0~0.4)越大,预应力薄壁钢约束混凝土短柱轴心受压性能提升越明显;但较大的预应力度(k=0.5)会让构件在达到峰值荷载后,其承载力降低较为明显,从而使构件延性降低;当预应力度k不变,构件的轴心受压性能随钢管厚度t的增大而增大。

钢管混凝土扁柱-钢梁节点抗震性能有限元分析

为避免钢框架结构中梁柱节点凸出墙体,文章提出一种钢管混凝土扁柱与钢梁节点,采用ABAQUS有限元模拟软件建立4个不同连接位置的钢管混凝土扁柱-钢梁节点的有限元模型,分析节点在低周往复荷载下的破坏模式和抗震性能;结果表明,所提出的节点构造可以实现梁柱刚性连接,所有节点均发生梁铰破坏,抗震性能和耗能能力良好。进一步研究轴压比、竖向隔板厚度和连接构造对节点抗震性能的影响规律,结果表明:随着轴压比的提高,柱端峰值承载力随之下降;减小柱内竖向内隔板的厚度会导致柱端承载力的降低;将盖板连接改为竖向加劲肋连接后,能有效缓解节点处柱壁的应力集中现象。

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。

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。