双壁波纹钢管混凝土构件短柱轴压力学性能

为改善空心钢筋混凝土柱(HRC)的使用与受力性能,提出一种双壁波纹钢管混凝土(CFDCST)构件。本文共进行了4个大尺寸双壁波纹钢管混凝土短柱与2个空心钢筋混凝土短柱的轴压试验,关键试验参数为试件类型与波纹钢管类型。分析构件的破坏模式,对比不同参数下构件的承载力、峰值应变、延性系数等关键力学指标,获得荷载-波纹钢管应变关系曲线以揭示试件的约束机理并验证外波纹钢管类型的影响。试验结果表明:外波纹钢管可为夹层混凝土提供约束作用,且螺旋角越小,外波纹钢管的约束作用越强;内波纹钢管则主要为夹层混凝土内壁提供有效支撑,以保持截面的完整性。名义约束效应系数与空心率相近时,由于咬口滑移影响,大螺旋角双壁波纹钢管混凝土比小螺旋角双壁波纹钢管混凝土的峰值应力、峰值应变与延性系数分别降低15.5%、21.8%与16.7%。在总用钢量相近的情况下,小螺旋角双壁波纹钢管混凝土柱的承载力、峰值应变与延性系数分别比空心钢筋混凝土柱提高10.6%、36.2%与50.0%。基于试验结果,检验了3种典型承载力公式的适用性,并提出了相应设计建议。

火灾后圆套圆CFDST柱轴压力学性能

为了研究火灾后圆套圆CFDST柱轴压力学性能,利用ABAQUS建立有限元模型,通过试验对有限元模型进行验证。首先,选用火灾后钢材和夹层混凝土的热工参数和本构模型,剖析了中空夹层钢管混凝土柱温度场的分布规律。然后,以受火时间、空心率、混凝土强度等为主要变化参数,剖析了火灾后中空夹层钢管混凝土柱轴压工作机理,并对其典型的承载力-位移曲线进行分析。结果表明:随着受火时间和空心率的增加,试件的极限承载力呈现下降趋势;外钢管为Q590的试件承载力比外钢管为Q390的试件承载力提高了42%,外钢管屈服强度对试件极限承载力影响显著;混凝土强度为C70的试件极限承载力比混凝土强度为C50的试件极限承载力略有提高。

火灾后方截面CFDST构件偏压机理分析

为了研究火灾后方截面中空夹层钢管混凝土柱(CFDST)的偏压力学性能,采用ABAQUS软件建立有限元模型,考虑火灾受火时间、偏心距和空心率等因素,合理分析构件载荷-跨中挠度关系曲线,深入揭示方截面CFDST偏压工作机理。结果表明:随着火灾受火时间的增加、偏心距和空心率的增大,构件偏压极限承载力均呈降低的趋势;构件的延性随着受火时间、空心率和偏心距的增加而变好;整体上看,受火时间60 min时中空夹层钢管混凝土构件主要是由混凝土承担载荷,混凝土和外钢管分别占总承载力的44.96%和37.48%,内钢管所承担的载荷仅占17.56%。

CFDST组合截面结构柱的抗火设计分析

基于钢管和混凝土的不同热工性能以及热传导的边界条件,采用有限单元法,建立CFDST柱截面二维计算模型,得出各节点在某一时刻的温度。根据高温下的钢材和混凝土本构关系,计算出不同温度下钢材和混凝土的应力,利用叠加原理求出CFDST组合结构柱的截面内力。结果表明CFDST组合结构柱外层钢管温度增长率高于混凝土和内层钢管的温度增长率;CFDST组合结构具有良好的耐火性能,主要影响因素包括构件长细比、内外层钢管强度、混凝土强度等级及空心率。

单边高强螺栓连接圆形CFDST柱组合节点抗震试验与分析

为揭示地震作用下单边高强螺栓连接圆形中空夹层钢管混凝土(concrete filled double skin steel tube,CFDST)柱(简称“圆形CFDST柱”)组合节点的受力性能和破坏机理,文章开展了单边高强螺栓连接圆形CFDST柱组合节点的抗震试验,建立了此类组合节点的有限元分析模型,通过滞回曲线和破坏模式比较验证了有限元分析模型的准确性;对组合节点进行了深入的参数分析,讨论了钢材强度、楼板配筋率、端板厚度及螺栓预紧力等诸多参数对此类组合节点水平荷载-水平位移关系曲线的影响。研究结果表明:单边高强螺栓连接圆形CFDST柱组合节点具有较高的承载力、良好的延性及滞回性能,满足在高烈度地震区的结构抗震性能要求。

爆炸荷载下预制节段拼装双层钢管混凝土墩柱的动力响应数值模拟

为提升装配式公路桥梁的抗爆防护能力,提出了一种新型预制节段拼装双层钢管混凝土(PS-CFDST)组合墩柱.基于非线性显式动力分析程序LS-DYNA建立了新型PS-CFDST墩柱在爆炸荷载作用下动力响应分析的精细有限元模型,并通过已有试验结果验证了模型的准确性.对爆炸荷载作用下PS-CFDST墩柱的动力响应进行数值模拟分析,研究了PS-CFDST墩柱在爆炸荷载作用下的破坏过程、损伤机理和耗能机制.运用参数化分析方法,研究了爆炸距离、节段数量和预应力水平等关键参数对PS-CFDST墩柱动力响应的影响,并在此基础上提出了PS-CFDST墩柱的抗爆设计建议.结果表明:PS-CFDST墩柱除通过材料塑性损伤耗能之外,节段接缝界面滑移耗能机制对耗能贡献可达40%以上;增大墩柱可接近距离是提升墩柱抗爆安全性的有效手段,增大预应力有利于减小柱中最大水平位移和墩底剪切滑移,从而提升PS-CFDST墩柱的抗爆性能.

圆中空夹层不锈钢管水泥砂浆短柱轴压性能研究

海洋工程平台塔架结构中,圆形截面中空双钢管是主要受力构件,工程界十分关注其受压性能和耐腐蚀性能。为研究圆中空夹层不锈钢管水泥砂浆短柱的轴压力学性能,以外不锈钢管壁厚、内碳素钢管直径和是否含夹层水泥砂浆为试验变量,共设计了12个短柱试件。分析各试件的破坏情况、荷载-位移曲线、承载力、变形能力及应变特征,研究不同变量对极限承载力的影响规律。结果表明:试件破坏形态为外钢管端部或中部局部屈曲破坏;随着不锈钢管壁厚的增大,试件的轴压承载力近似呈线性增长;夹层水泥砂浆对试件力学性能影响较大,可有效提高试件承载力,抑制外不锈钢管的变形,提高试件延性;对于含夹层水泥砂浆的试件,承载力随空心率增大而减小,不含夹层水泥砂浆的试件,承载力随空心率增大而增大。根据国内外规范以及相关学者提出的理论公式,计算了试件的极限承载力,并与试验承载力进行了对比分析,给出了设计建议。

不同截面中空夹层钢管混凝土中长柱偏压分析

为探究方套方、方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱偏压受力性能,利用ABAQUS有限元软件,创建方套方、方套圆两种截面中空夹层钢管混凝土中长柱有限元模型,以长细比、偏心距、核心混凝土强度、外钢管含钢率、内钢管含钢率作为变化参数,对上述两种截面中空夹层钢管混凝土中长柱进行偏压受力分析。对比分析了不同截面中空夹层钢管混凝土中长柱的荷载-跨中挠度曲线、压弯承载力、初始刚度的变化。研究结果表明:方套方、方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱的极限承载能力,初始刚度随长细比,偏心距的增大而减小,随核心混凝土强度等级,内、外钢管含钢率的提高而增大;偏心距、核心混凝土强度、外钢管含钢率对方套方、方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱的极限承载能力影响较大;长细比、核心混凝土强度对方套方、方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱的初始刚度影响较大;相同条件下,方套圆截面中空夹层钢管混凝土中长柱受力性能优于方套方截面。

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。

圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱偏压性能分析

目的研究圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱的偏压性能,提出其偏压承载力计算方法。方法以长细比、偏心率、混凝土强度、纵筋配筋率及外钢管直径为参数,利用ABAQUS有限元分析软件建立相应的有限元模型,考察不同参数对荷载-挠度曲线和荷载-弯矩曲线的影响,并进行工作机理分析;最后基于叠加理论给出偏压承载力计算方法。结果圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱在偏压状态下的受力全过程可分为弹性、弹塑性和塑性3个阶段;长细比和偏心率是影响偏压承载力的主要因素,其中长细比由40增加到50和60时,承载力分别降低9.4%和18.9%;偏心率由0.2增加到0.4和0.6时,承载力分别降低31.0%和50.3%;由偏压承载力计算方法所得的结果与有限元模拟结果吻合较好。结论圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱在减轻自重的情况下具有一定的承载能力和延性,偏压性能良好。

带楼板复式钢管混凝土柱-钢梁组合节点恢复力模型研究

楼板(指钢筋混凝土楼板,即RC楼板)作用使组合节点的梁柱线刚度比发生变化,对其承载力、破坏形态及滞回性能的影响均较大,而现有的恢复力模型均未考虑楼板初始刚度的影响。基于带楼板复式钢管混凝土柱-钢梁组合节点拟静力试验,研究了试件的骨架曲线特征,提出了此类组合节点的三折线骨架曲线模型;考虑楼板对组合节点初始刚度的影响,分析了刚度退化和滞回规则,推导并建立了带楼板复式钢管混凝土柱-钢梁组合节点的恢复力模型,采用试验数据验证了该恢复力模型的正确性。研究结果表明:楼板作用对节点的初始刚度影响显著,同时提高了节点的极限荷载;文中建立的恢复力模型能较准确地反映该类组合节点的滞回特性。

中空夹层钢管混凝土构件轴压性能有限元分析

为探明中空夹层钢管混凝土(CFDST)构件轴压性能的影响因素,在已有钢管混凝土柱轴压试验基础上,构建数值分析模型,开展长径比、空心率、内钢管壁厚、夹层混凝土抗压强度等参数对中空夹层钢管混凝土构件轴压性能的影响规律的研究。研究结果表明:研究参数范围内,轴压极限承载力随内钢管壁厚、夹层混凝土强度的增大,空心率、长径比的减小而增大。内钢管壁厚增大1 mm,轴压极限承载力提高2.9%~3.7%,承载力增长系数增大约0.7%;混凝土强度从C40增加到C90,圆截面试件轴压承载力增大了68%;方截面试件轴压承载力增大了53%;空心率每增大0.1,轴压极限承载力降低3.4%~8.7%,承载力增长系数减小约5%;圆截面试件长径比从2.2增大到7.2,承载力下降了3%。方截面试件长径比从2.2增大到5.7,承载力下降10%。长径比对构件的极限承载力影响,明显低于空心率、内钢管壁厚和内填混凝土强度对构件极限承载力的影响程度。随着试件长径比的增加,试件承载力峰值有所下降,但其承载力达到峰值时的位移量不断增大,表明构件延性有所提高。随内填混凝土强度的提高,试件的承载力峰值和达到峰值时的位移都有所提高,说明增大内填混凝土强度在提高钢管混凝土承载力的同时还能改善试件的延性性能。

自复位预制节段拼装中空夹层钢管混凝土桥墩地震易损性分析

为评估自复位预制节段拼装中空夹层钢管混凝土(Concrete-filled Double Skin Steel Tubular,CFDST)桥墩在地震动作用下的易损性,本研究基于现有的低周反复荷载试验数据,采用有限元分析方法,选用墩顶水平位移角和残余位移角2个指标作为评估标准进行定量分析。针对3种不同类型地震动(远场、近场无脉冲和近场有脉冲),分别建立了关于水平位移角和残余位移角2个指标的易损性曲线,并分析了不同损伤指标和地震动类型对其地震易损性的影响。研究结果表明,在自复位预制节段拼装CFDST桥墩地震易损性分析中,仅采用水平位移角作为损伤指标是安全可靠的;相比远场地震动和近场无脉冲型地震动而言,近场脉冲型地震动对自复位预制节段拼装CFDST桥墩的变形和自复位有显著影响。

圆中空夹层钢管混凝土柱承载力研究

采用统一强度理论,对圆中空夹层钢管混凝土柱进行了研究,分析了钢管的拉压强度比,以及中间主应力对圆中空夹层钢管混凝土柱承载力的影响,提出了圆中空夹层钢管混凝土柱的极限承载力计算公式,与文献资料的试验结果作了比较,验证了理论公式的正确性,并得出了中空夹层钢管混凝土柱和钢管混凝土具有相同优点等结论。该结果为中空夹层钢管混凝土柱的承载力分析计算提供了一定的理论依据,对工程设计有一定的参考价值。

圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究

分别进行了十四个轴心受压构件和十二个偏心受压构件的试验研究 ,二种构件的试验参数分别为钢管径厚比和空心率 ,构件长细比和偏心率。在确定组成圆中空夹层钢管混凝土的钢材和核心混凝土应力 -应变关系模型的基础上 ,利用数值解法对圆中空夹层钢管混凝土轴压和压弯构件的荷载 -变形关系进行了全过程分析 ,分析结果与试验结果吻合良好。最后在参数分析的基础上 ,提供了圆中空夹层钢管混凝土轴压和压弯构件承载力实用验算方法。

复式钢管混凝土偏压柱试验

通过对9个不同尺寸和壁厚的内圆外方的复式钢管混凝土柱试件(其中内(圆)增强方钢管混凝土试件6个,方中空夹层钢管混凝土试件3个),进行偏压试验得到极限承载力和荷载-变形曲线。试验表明,对内(圆)增强方钢管混凝土,内置圆钢管的存在能够对偏压方钢管内核心混凝土起增强作用,且这种增强作用随着圆管管径的增大愈加明显;对于方中空夹层复式钢管混凝土偏压短柱,随着圆钢管管径的增加,其承载力降低的程度愈大。

方中空夹层钢管混凝土压弯扭构件试验研究

以长细比、空心率和轴压比为主要变化参数,进行了5个方中空夹层钢管混凝土和2个方实心钢管混凝土压弯扭构件的试验研究。采用有限元软件ABAQUS对压弯扭试件的扭矩-转角全过程关系进行计算,计算得到的扭矩-转角关系曲线在达到承载力之前与试验结果符合较好。通过典型算例进行计算,从钢管与混凝土各自承担的荷载、轴压比和空心率对扭矩-转角关系曲线的影响三个方面对方中空夹层钢管混凝土压弯扭的工作机理进行了分析。研究结果表明:随着轴压比(n≥0.2)的增大,试件抗扭强度承载力越小;偏心率较小时,空心率越大抗扭承载力越大,延性越好。

圆中空夹层钢管混凝土柱轴压工作机理研究

利用有限元软件ABAQUS建模,并对圆中空夹层钢管混凝土轴心受压时的荷载-变形全过程关系曲线进行计算,计算结果与试验结果符合良好。同时,对轴压时荷载-变形全过程中内外钢管和混凝土所承担的荷载及其相互作用力进行分析,并对空心率、名义含钢率和材料强度等因素对相互作用力的影响进行分析。

新型钢管混凝土结构的力学性能与设计理论研究 第十三届全国结构工程学术会议特邀报告

近年来作者对薄壁钢管混凝土、钢管高性能混凝土和中空夹层钢管混凝土等新型钢管混凝土结构进行了研究,并取得初步成果.本文拟在简要归纳和总结这些研究成果的基础上.提出这些新型钢管混凝土结构设计计算的特点和方法,以期为有关工程实践提供参考。

圆中空夹层钢管混凝土短柱的承载力

针对圆中空夹层钢管混凝土轴压短柱的极限承载力,应用薄壁圆筒的统一强度理论极限解,考虑内圆与外圆中空夹层钢管混凝土的内外钢管薄壁效应,提出了计算公式,与文献资料的试验结果做了比较。同时分析了钢管的径厚比、拉压强度比以及中间主应力对圆中空夹层钢管混凝土柱承载力的影响规律。结果表明:把内外钢管看成薄壁圆筒,推导的极限承载力计算公式的计算值与试验值误差小;极限承载力随着径厚比及拉压强度比的增大而减小,随中间主应力的增大而增大。