Experimental research on self-stressing and self-compacting concrete filled steel tube columns subjected to eccentric load

A total of fifteen self-stressing and selfcompacting concrete(SSC)filled steel tube columns and three common self-compacting concrete filled steel tube(CFST)columns are tested under eccentric compression load to analyze the the effect of initial self-stress on the compression behavior of CFSTs.The results show that the elastic working range of the columns is lengthened because of initial self-stress and it slightly decreases with the increase of load eccentricity ratio and slenderness ratio.Because of the initial self-stress,the concrete core is always under compression in three directions,so the compactness is enhanced and the ultimate bearing capacity obviously increases;but the initial self-stress hardly affects the failure mode of the columns.

An Experimental Study on the Behavior of Square Concrete-Filled High Strength Steel Tube Columns

The paper presents an experimental study on the behavior of square concrete-filled high strength steel tube columns until failure.Four specimens were tested to investigate the effect of high strength steel and plain strength concrete on the load carrying capacity of the square concrete-filled steel tube columns.The effect of the concrete which filled in the steel tube was also investigated.Also,the effect of high strength steel and the presence of concrete were also investigated.The main parameters in the tests were:(1) the ultimate strength of steel (800 Mpa),(2) the presence of concrete in steel tube (hollow steel tube and concrete-filled steel tube),and (3) slender ratio.The main objectives of these tests were three-step:(1) to describe a series of tests on composite columns,(2) to analyze the influence of several parameters,and (3) to compare the accuracy of the predictions by using the specifications in the code (AISC-LRFD,EC4 and AIJ etc.) for the design of high-strength composite columns.Experimental results indicate that the ultimate strength of steel and presence of concrete had significant influence on both the axial compressive load capacity and the ductile of the square steel tube.

高强钢管超高性能混凝土界面黏结滑移性能试验

目的为了研究高强钢管超高性能混凝土的黏结滑移性能,方法考虑径厚比、长径比和钢纤维掺量3个参数的影响,设计并制作15根构件进行试验研究,通过推出试验,得到轴向荷载与加载端位移的荷载-位移曲线,以及高强钢管与超高性能混凝土之间的黏结强度,根据试验结果,对影响黏结强度的参数进行定性定量分析。结果结果表明:随着高强钢管长径比和径厚比的增加,黏结强度减小;随着钢纤维掺量增加,试件黏结强度先增加后减小,即当钢纤维掺量从1%增加到2%时,黏结强度增加,但当钢纤维掺量从2%增加到3%时,黏结强度反而降低;试件荷载-滑移曲线表现为两种形式,一是有明显的峰值点,峰值点后曲线急速下降(部分出现尾部上升的现象),二是曲线无明显峰值点,拐点后曲线持续缓慢增长。高强钢管超高性能混凝土的黏结破坏分为黏结阶段、滑动阶段和抗摩擦阶段。结论以长径比、径厚比、含钢率和套箍系数为参数,结合试验数据并对其进行回归分析,得到适用于高强钢管超高性能混凝土黏结强度的计算模型,并将计算结果与试验结果进行对比,计算值与试验值吻合较好,可为实际工程提供一定参考。

配筋空心方钢管高强混凝土纯弯构件受力性能有限元分析

目的 研究配筋空心钢管高强混凝土构件的抗弯性能,推动其在建筑结构中的应用。方法 采用有限元分析软件ABAQUS建立配筋空心钢管混凝土构件有限元模型,在验证模型准确的基础上,分析构件的受力全过程及钢材屈服强度、混凝土抗压强度、钢管壁厚、钢筋直径、普通钢筋数量对构件受弯性能的影响。结果 纯弯试件在荷载作用下受力过程可分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段;试件破坏形态均为受弯破坏,表现出较好地延性。结论 组合构件在弯矩作用下可以很好地协同工作;钢材屈服强度和钢管壁厚的增加对构件承载力的提高影响最显著,建议配置普通钢筋数量在6~8根为最优。

钢管超高强混凝土受弯力学性能试验研究

以官盛渠江大桥为依托,通过3组共6个受弯试件的模型试验,探讨钢管超高强混凝土(抗压强度f_(cu)=80.3~115.2MPa)的受弯力学性能,研究混凝土强度对钢管超高强混凝土的抗弯承载力、变形特征与失效模式的影响。试验结果表明:钢管超高强混凝土的受弯破坏模式与普通钢管混凝土相同,主要为挠度过大而失效,呈整体弯曲破坏,受压区有局部鼓屈;试件进入屈服阶段后,承载力降低较少,具有很好的弯曲延性性能;管内混凝土主要对钢管提供横向约束,避免钢管过早受弯压陷屈曲;在截面含钢率一定时,管内混凝土强度增长对钢管超高强混凝土受弯构件的受弯破坏模式、承载力与延性性能的影响较小。

基于机器学习的CFST柱高温剩余强度系数预测方法

目的 为提高计算精度和速度,利用机器学习模型泛化数据,以预测CFST柱的高温剩余强度系数。方法 利用生成对抗网络将搜集到的110个试验结果泛化生成407组数据,据此训练机器学习模型,并使用试验结果评估其性能,以确定最优模型;然后使用生成数据输入建立的模型预测CFST柱高温剩余强度系数,并和现有计算方法进行对比。结果 建立的随机森林模型在性能度量上表现最好,拟合优度达到0.947 7,均方误差为0.001 8,精度为94.7%;预测结果误差在±10%内的数据为83%,在±20%内的数据为100%;剩余强度系数主要影响因素依次为温度、钢材屈服强度、混凝土抗压强度和横截面积,钢管厚度影响很小。结论 提出的预测方法优于现有计算方法,具有更快的计算速度、更小的结果误差以及更强的模型可解释性,该方法可为CFST柱抗火设计提供参考。

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。

火灾后高强钢管混凝土柱轴压的参数化分析

为研究不同参数对火灾后高强钢管混凝土柱受轴压时的性能影响,利用ABAQUS有限元软件模拟火灾后高强钢管混凝土柱轴压模型,对该构件以钢管屈服强度、受火时间、混凝土强度为主要参数进行承载力-位移曲线分析,并剖析火灾后高强钢管混凝土柱典型曲线。结果表明:随着钢管屈服强度和混凝土强度增大,构件极限承载力增大;随着受火时间增加构件极限承载力出现下降趋势;从整体上看,受火时间分别为60、90、120 min时,构件中的混凝土承担主要载荷。

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。

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。

冻融循环作用后钢管混凝土界面黏结滑移本构模型研究

在北方寒冷地区,钢管混凝土结构因冻融作用侵蚀而造成钢管开裂以及钢管混凝土结构力学性能劣化从而导致结构破坏的事故时有发生。针对冻融侵蚀后钢管混凝土界面黏结性能问题,制作了钢管混凝土推出试件,考虑冻融循环次数、混凝土强度、钢管径厚比等不同参数,进行冻融试验和推出试验,分析了界面黏结力的分布规律和影响因素,研究了冻融循环作用后钢管混凝土界面黏结滑移本构关系,确定了界面平均黏结强度以及峰值黏结强度、残余黏结强度特征值。结果表明,随着冻融循环次数的增加,界面平均黏结强度减小,极限荷载对应的滑移逐渐增大,而残余黏结强度呈线性减小,稳定段起点滑移随着冻融循环次数的增加呈指数增长。峰值黏结强度、残余黏结强度随混凝土强度的增加而提高,随着径厚比的增大而降低。分析外钢管密布应变计所测出的应变分布规律可知界面黏结应力呈指数分布,对比分析由荷载、滑移结合能量法理论推导所得的黏结应力分布函数,结果表明其具有较高精度,为后期研究界面黏结性能提供了新思路。构建了冻融循环作用后界面黏结应力-滑移三段式本构模型,并提出了相应特征值计算公式和本构模型,可为该类构件设计时考虑冻融作用提供参考。

电力火灾后圆端形不锈钢管混凝土柱轴压性能研究

进行了14根电力火灾后圆端形不锈钢管混凝土短柱的轴压试验,分析截面高宽比、受火时间和含钢率对其火灾后剩余承载力的影响。试验表明:该类短柱的破坏模态均为局部屈曲、焊缝开裂和混凝土被压碎;试件的剩余承载力随着受火时间或高宽比的增加而降低,受火120 min后该类试件的承载力降低了7.8%~13.9%。接着建立了有限元模型,该模型可很好地模拟实测结果。基于有限元模型开展了理论分析,结果表明初始荷载对该类组合柱的剩余承载力影响较小。参数分析表明当混凝土强度从30 MPa增加到90 MPa时,其强度折减系数降低了15.8%;当截面周长从1 228 mm增加到4 913 mm时,其强度折减系数提高了20.5%;当受火时间从0 min增加到180 min时,其强度折减系数降低了8%;但含钢率、高宽比和钢材强度对其强度折减的影响较小。最后给出了电力火灾后圆端形不锈钢管混凝土短柱的剩余承载力的设计方法。

钢管混凝土叠合柱-H型钢梁外套筒式连接节点抗震性能试验与有限元研究

以钢管混凝土叠合柱为研究对象,设计了一种高强对穿螺栓连接的外套筒式梁柱节点。为了研究该新型节点的抗震性能和破坏机理,对3个缩尺比为1∶2的节点进行了拟静力试验。观察节点损伤过程及破坏模式,分析了梁端荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、节点延性及耗能能力,采用ABAQUS软件建立有限元模型,研究套筒宽厚比和加强肋板厚度对节点抗震性能影响。试验及有限元研究结果表明:节点滞回曲线饱满,延性系数介于3.13~4.19之间,等效黏滞阻尼系数介于0.211~0.296之间,节点域的变形较大且耗能能力较强;随着套筒厚度增大,核心区混凝土开裂减少,破坏位置由节点外移至梁端截面;减小套筒宽厚比和增大加强肋板厚度可以有效提高节点刚度。为保证外套筒式节点达到刚性节点要求,建议套筒宽厚比不大于25,加强肋板厚度不小于梁翼缘厚度。

冻融循环环境下方钢管混凝土粘结强度试验研究

为研究冻融循环环境下方钢管混凝土的粘结性能,设计制作了19组57个方钢管混凝土短柱试件,并对这些试件开展冻融循环后的推出试验。获得了试件的荷载-滑移曲线,分析方钢管混凝土粘结力的组成以及冻融循环次数、构件长细比、钢管宽厚比对粘结强度的影响。试验结果表明,冻融循环后方钢管混凝土的荷载-滑移曲线与常温下总体相似,包含无滑移段、上升段、下降段、残余段。无滑移段的粘结作用由化学胶结力提供,滑移产生后的粘结作用由摩擦力和机械咬合力提供。在试验参数范围内,方钢管混凝土的粘结强度随着冻融循环作用次数增加呈幂函数减小,随着构件长细比的增大呈线性降低,随着钢管宽厚比的增大呈指数下降。在试验结果基础上,提出了冻融循环后方钢管混凝土粘结强度的计算公式,计算结果与试验结果总体总体吻合。

矩形CFST受弯构件的塑性发展系数多因素模型及强度计算

矩形钢管对核心混凝土的约束效应有其特殊性,准确预测受弯构件截面塑性发展能力可有效保证构件的承载安全。为提高矩形钢管混凝土受弯构件截面强度的计算精度,在套箍系数的基础上进一步考虑高宽比和含钢率的影响,建立塑性发展系数多因素模型和抗弯强度改进模型。首先,基于钢管混凝土统一理论,研究矩形钢管混凝土受弯构件塑性发展系数的变化规律,并与当前规范计算公式进行对比;然后,结合规范和工程需求构造2 160个矩形钢管混凝土受弯数值模拟构件,利用改进的本构关系和构件失效判据开展纤维模型法精细分析,研究宽厚比、高宽比、含钢率、强度比对塑性发展系数的影响,确定高宽比和含钢率为塑性发展系数的主要影响因素,通过回归分析拟合与高宽比和含钢率相关的函数表达式,由此建立矩形钢管混凝土塑性发展系数多因素模型和抗弯强度改进模型;最后,利用搜集到的128组试验数据,将抗弯强度改进模型与国内外主要设计规范进行对比验证。结果表明,建立的塑性发展系数多因素模型克服了现行规范中计算模型精确性不足的缺陷,能够更加准确地反映矩形钢管混凝土受弯构件的塑性发展能力;建立的矩形钢管混凝土受弯构件抗弯强度改进模型求解的极限承载力与试验值比值的均值为0.971,均方根误差为0.118,吻合良好,具有更高的计算精度。

不锈钢管混凝土构件力学性能研究现状与展望

不锈钢管混凝土构件兼具钢管混凝土构件的特性和不锈钢材料的耐腐性。由于不锈钢的非线性特性,其力学行为与传统钢材显著不同。为了解决不锈钢管混凝土构件在应用中可能遇到的设计挑战,特别是由于忽视不锈钢的应变硬化和显著的非线性特性而导致对钢管截面强度过于保守的估计问题,对国内外不锈钢管混凝土构件的静力性能、界面黏结性能和动力性能的研究进展进行了详细阐述,并指出当前研究主要集中在静力性能,特别是截面轴压承载力的计算方法,而界面黏结性能和动力性能的研究还处于初步阶段。此外,针对目前不锈钢管混凝土构件的研究尚未充分考虑不锈钢材料应变硬化阶段的问题,对连续强度法的应用进行了总结和改进,提出了进一步的研究工作展望,以期更准确地描述和预测不锈钢管混凝土构件的力学性能,从而在结构设计中最大化其应用优势。

钢管高强混凝土组合柱的轴压性能有限元分析

为了研究钢管高强混凝土组合柱的轴压性能,利用几个已有组合柱的试验数据,对ABAQUS软件的参数进行标定,完成了数值模拟与参数分析。分析结果表明,所选参数能够较好地模拟钢管高强混凝土组合柱的轴向受力性能。文中给出了箍筋间距、钢管套箍指标、含钢率以及管内混凝土强度4个参数对组合柱轴压性能的影响,以供设计参考。

钢管再生混凝土黏结滑移推出试验及黏结强度计算

为了揭示钢管再生混凝土界面黏结滑移的作用机理,采用服役满50年的混凝土作为再生粗骨料来源,设计25根钢管再生混凝土短柱试件进行推出试验。考虑试件的截面形式、再生粗骨料取代率、混凝土强度等级、长径比及界面埋置长度5个变化参数对其黏结性能的影响,获取两类不同钢管再生混凝土的荷载滑移曲线、黏结应变和黏结力分布规律,推导黏结剪力传递长度公式,并运用相关强度公式对钢管再生混凝土的黏结强度进行对比计算。研究结果表明:加载端和自由端的荷载滑移全过程曲线具有相似性,但自由端的初始滑移发展较慢。钢管纵向应变在加载初期和加载末期分别呈负指数分布和线性分布,实测强度较名义黏结强度大。对比得到圆形试件的黏结性能优于方形试件;圆形试件的黏结强度随骨料取代率的变化具有一定的波动性;方形试件的黏结强度随取代率的增大而略为增大;当混凝土强度较高时,其极限黏结强度会有所提高;钢管再生混凝土的黏结强度随长径比的增加而有所降低。

方钢管混凝土轴压短柱的力学性能

根据统一强度理论,综合考虑了方钢管混凝土的材料特点,引入了考虑厚边比影响的等效约束折减系数,将钢管混凝土角部非均匀的约束力转化为均匀的约束力,从而将方钢管对混凝土的约束等效为圆钢管对混凝土的约束。在厚壁圆筒的统一强度理论解的基础上,推导了计算钢管混凝土极限承载力的公式,并用该公式对文献资料数据进行了计算对比。结果表明:该公式有很强的适用性,对发挥材料潜力、节约材料很有意义。

钢管活性粉末混凝土界面粘结强度计算方法研究

为研究钢管活性粉末混凝土(RPC)的粘结滑移机理,对10个钢管约束RPC试件进行单轴推出试验,分析了试件的破坏特征、荷载-滑移曲线和钢管应变,探讨了长径比、径厚比以及RPC强度的影响规律,结果表明:套箍系数较小时,荷载-滑移曲线有明显的下降段,较大时未出现下降;粘结强度总体随径厚比的减小和长径比的增大而提高,RPC强度的影响不明显;当粘结应力达到粘结强度时,钢管的横向变形系数超过泊松比,其约束作用开始发挥。在此基础上,建立了钢管内压力与粘结应力的关系,并通过试验数据回归提出了钢管约束RPC粘结强度计算模型,公式计算与试验结果符合较好。