Numerical analysis of ultimate strength of concrete filled steel tubular arch bridges

The calculation of ultimate bearing capacity is a significant issue in the design of Concrete Filled Steel Tubular (CFST) arch bridges. Based on the space beam theory, this paper provides a calculation method for determining the ultimate strength of CFST structures. The accuracy of this method and the applicability of the stress-strain relationships were validated by comparing different existing confined concrete uniaxial constitutive relationships and experimental results. Comparison of these results indicated that this method using the confined concrete uniaxial stress-strain relationships can be used to calculate the ultimate strength and CFST behavior with satisfactory accuracy. The calculation results are stable and seldom affected by concrete con-stitutive relationships. The method is therefore valuable in the practice of engineering design. Finally, the ultimate strength of an arch bridge with span of 330 m was investigated by the proposed method and the nonlinear behavior was discussed.

Approach for analyzing the ultimate strength of concrete filled steel tubular arch bridges with stiffening girder

A convenient approach is proposed for analyzing the ultimate load carrying capacity of concrete filled steel tubular (CFST) arch bridge with stiffening girders. A fiber model beam element is specially used to simulate the stiffening girder and CFST arch rib. The geometric nonlinearity, material nonlinearity, influence of the construction process and the contribution of prestressing reinforcement are all taken into consideration. The accuracy of this method is validated by comparing its results with experimental results. Finally, the ultimate strength of an abnormal CFST arch bridge with stiffening girders is investigated and the effect of construction method is discussed. It is concluded that the construction process has little effect on the ultimate strength of the bridge.

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.

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。

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。

钢管混凝土键连接框架梁和剪力墙的受剪性能

目的 研究钢管混凝土键连接框架梁和剪力墙的受剪性能,为工程应用提供设计依据。方法 应用有限元分析软件ABAQUS对比钢管混凝土键连接与现浇连接梁墙的结构受剪性能,分析前者受剪机理及不同因素对受剪性能的影响。结果 钢管混凝土键连接梁墙的结构承载力和延性系数较现浇结构分别提高约10%和34%;钢材强度从Q235到Q390,初始刚度增加8.44%;截面高度从100 mm到120 mm,延性系数提高17.73%;截面厚度每增加2 mm,承载力提高约15%;截面长度和混凝土强度等级对承载力、初始刚度和延性系数的影响均小于15%,纵向距离对其受剪性能几乎无影响。结论 采用钢管混凝土键连接梁墙的结构总体受剪性能优于现浇结构;钢材强度和截面厚度分别是影响初始刚度和承载力的主要因素。

薄壁钢板局部屈曲关键问题研究进展

钢结构以及钢-混凝土组合结构由于其强度高、耗能能力好、施工方便等优异性能,被广泛应用于工程结构中。然而,随着高强度钢材的应用,薄壁钢板呈现薄壁化、宽厚比随着构件截面尺寸的增大而不断增大的趋势,由于工程结构及荷载的复杂性等因素,钢板过早发生局部屈曲的风险不断加大,薄壁钢板的局部屈曲问题凸显,亟待开展系统性深入研究。对薄壁钢板局部屈曲研究的进展进行了概述,分析总结了现有试验研究和理论研究方面存在的局限性,详细介绍了笔者团队近年来聚焦于薄壁钢板局部屈曲关键问题开展的一系列研究工作及成果。

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。

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。

不均匀温度场下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空分析

为了解不均匀温度场作用下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空原因,依托高原山区某跨径430 m的钢管混凝土拱桥,进行强辐射、大温差联合作用下拱肋拱顶节段足尺模型试验,分析模型温度场分布,并对该不均匀温度场作用下管内混凝土脱空机理进行研究。结果表明:钢管混凝土拱桥水化阶段和运营阶段径向温度场可简化为多段式折线变化规律。14:00时刻,水化阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)先减小后升高再减小,在距向阳侧界面D/8~3D/8处(D为钢管内径)存在一个大温差面,运营阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)呈先减小后不变再增加的非对称分布规律,从钢管混凝土界面至距其D/8处温度变化大。混凝土水化阶段和运营阶段管内混凝土脱空机理为:在温度场作用下钢管混凝土界面最大纵向应力差分别高达82.6 MPa和61.95 MPa,最大界面径向拉应力分别为0.8 MPa和2.06 MPa,均超过钢管和混凝土间的粘结强度。

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。

基于零位移与无应力状态控制的斜拉扣挂施工扣索力确定方法

大跨度拱桥常采用斜拉扣挂法开展拱肋施工,但在节段拼装过程中扣索索力和拱肋空间位形之间互相影响,索力优化计算以及扣索状态控制问题复杂。提出改进零位移法结合无应力状态控制法的复合扣索力计算方法:基于改进型零位移法快速得到满足成拱线形要求的扣索力大小,基于成拱索力采用无应力状态法反推各施工阶段扣索索力。该复合方法可避免传统零位移法扣索力不准和反复迭代计算的缺陷,施工中扣索可实现一次张拉,后续节段拼装中无需对扣索进行索力调整。以某跨径430 m大跨度钢管混凝土拱桥缆扣合一施工为工程应用背景,采用的零位移法结合无应力状态法对大跨度非对称式钢结构拱肋进行斜拉扣挂拼装的扣索力求解和施工模拟。分析拼装过程中扣索力变化规律,并对比验证实际线形与目标线形偏差,以及拱肋应力与设计应力之间偏差程度。结果表明,所提出的复合算法理论简单且索力求解计算便捷。所求的扣索力可有效保证拱肋拼装完成及松索后拱肋线形和受力均满足要求。

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。

界面焊接环向钢筋的钢管混凝土叠合柱抗剪性能研究

为研究界面焊接环向钢筋的钢管混凝土叠合柱的抗剪性能,以环向钢筋的布置间距和直径为研究参数,对6根叠合柱试件进行了横向剪切静力试验和数值模拟,分析了各参数对试件的破坏过程、破坏形态、荷载-跨中挠度曲线以及抗剪承载力的影响规律。研究结果表明:界面环向钢筋布置方案不同的叠合柱试件破坏形态基本相同,均发生斜压破坏;试件的受力过程可划分为弹性阶段、弹塑性阶段、强化阶段和破坏阶段四个阶段;随着界面环向钢筋布置间距的减小,试件的抗剪承载力提高显著,最大增幅达22%;增大界面环向钢筋的直径可提高试件的抗剪承载力,但作用效果有限,最大增幅仅为6.1%。通过试验数据对有限元模型的有效性进行验证,并进一步分析了不同阶段有限元模型的应力状态,明确了此类叠合柱的受剪机理。