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。

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.

中空波纹夹层钢管混凝土柱抗震性能拟静力试验研究

为了研究中空波纹夹层钢管混凝土柱的抗震性能,以轴压比、空心率、长细比和截面形式为试验参数,开展了中空波纹夹层钢管混凝土柱的拟静力试验,分析了试件的破坏模式、承载能力、延性与耗能能力、刚度退化和强度退化等性能指标.结果表明:中空波纹夹层钢管混凝土柱的水平承载力较高,滞回曲线饱满,无明显捏缩现象,延性和耗能能力良好,同级循环荷载作用下性能稳定;试件的破坏模式为延性破坏,具体表现为柱底钢管鼓曲变形、混凝土压溃、局部缺陷处管壁撕裂;空心率较小的试件承载力较高,耗能能力较强;当长细比由20增至30时,试件位移延性系数降低了47.49%,承载力也明显下降;随着轴压比的增大,试件耗能能力逐渐降低.

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。

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。

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。

风电混合塔筒中空夹层钢管混凝土转接结构轴压性能试验研究

在风电机组预应力钢-混凝土混合结构塔筒中,转接结构是用于连接上部钢塔段与下部混凝土塔段的过渡结构,其受力复杂,采用传统的钢筋混凝土结构形式容易产生裂缝甚至发生破坏。提出了一种中空夹层钢管混凝土转接结构,并进行了4个中空夹层钢管混凝土转接结构试件及1个钢筋混凝土转接结构对比试件的轴压试验。结合有限元及理论分析揭示了中空夹层钢管混凝土转接结构的承载能力及隔板、栓钉等因素对其受力性能的影响。结果表明:在相同用钢量下,中空夹层钢管混凝土结构形式显著提高了转接结构的承载能力及变形能力;隔板和栓钉的设置增强了钢与混凝土的连接,限制了内外钢板的局部屈曲、延缓了混凝土的压溃,进一步提升了结构的轴压受力性能;其中,栓钉对于增强结构整体性更为有利,使结构延性增加更为显著。

大空心率中空夹层钢管混凝土构件的抗撞性能研究

大空心率中空夹层钢管混凝土构件的抗撞击性能有其自身特点,利用有限元软件ABAQUS建立考虑初始几何缺陷的中空夹层钢管混凝土构件的侧向撞击模型,对比了不同初始几何缺陷组合下空心率范围为0.2~0.9构件的抗撞击性能;在此基础上讨论了初始几何缺陷对空心率为0.8构件撞击响应的影响,并对影响大空心率构件撞击响应的主要参数进行分析;最后基于参数分析结果和静态荷载作用下的荷载-局部压痕关系,给出大空心率中空夹层钢管混凝土构件在侧向撞击荷载作用下撞击力-局部变形简化预测公式。结果表明:与无几何缺陷构件相比,考虑初始几何缺陷时构件的撞击力平台值降低,局部变形增大,当空心率达到0.8时,几何缺陷的不利影响最显著,构件的撞击力平台值下降10.6%,跨中局部变形增大20.4%。提高名义含钢率和减小内钢管径厚比可有效减小初始几何缺陷对该类构件抗撞击性能的不利影响,而改变材料强度对该类构件抗撞性能影响相对较小。给出的简化计算公式可以较好地预测有无初始几何缺陷的大空心率构件在侧向撞击荷载下的撞击力-局部变形曲线。

外包不锈钢管中空夹层钢管混凝土压弯构件N_(u)-M_(u)相关曲线研究

外包不锈钢管中空夹层钢管混凝土构件结合了中空夹层钢管混凝土(CFDST)与不锈钢的优点,在桥墩、海洋平台与输电塔结构中有广泛应用前景。为此,该文基于前期试验,采用自编纤维模型法程序对225个外包不锈钢管CFDST压弯构件进行了系统分析。研究了各参数对该类压弯构件典型N/N_(u)-M/M_(u)曲线的影响,并将相关曲线与普通外包碳素钢管CFDST构件进行了对比,最后提出了该类压弯构件N/N_(u)-M/M_(u)相关曲线方程。分析结果表明:该文自编纤维模型法程序可较好预测外包不锈钢管CFDST构件压弯承载力以及N/N_(u)M/M_(u)曲线的发展;混凝土强度、内管径厚比、钢材屈服强度、空心率、名义含钢率与长细比影响N/N_(u)M/M_(u)曲线的形状;由于不锈钢材料明显的应变强化效应,相比于外包碳素钢管CFDST构件,外包不锈钢管CFDST构件的N/N_(u)-M/M_(u)曲线接近于钢结构;基于试验与参数分析结果以及外包碳素钢CFDST计算公式,得到了外包不锈钢CFDST相关曲线特征点公式和曲线方程,与程序计算结果吻合较好。

方中空夹层钢管陶瓷再生混凝土柱偏压力学性能研究

为研究粗骨料类型、空心率、长细比和偏心距对方中空夹层钢管陶瓷再生混凝土柱偏压力学性能的影响,进行了16根试件的偏压试验,其中粗骨料类型分别为废弃陶瓷和天然碎石。试验结果表明:所有试件均表现为弹塑性失稳破坏;试件的极限承载力和抗弯刚度随长细比和偏心距的增大而降低,其中中空夹层试件的极限承载力高于实心试件的相应值;陶瓷再生混凝土试件展现出了较好的延性和变形能力,其极限承载力与普通混凝土试件接近。使用有限元软件对试验进行模拟,模拟得到的荷载-跨中挠度曲线整体与试验曲线接近。采用T/CCES 7—2020和DB 36/J001—2007分别对中空夹层试件和实心试件极限承载力进行计算,计算结果接近试验值。

方中空不锈钢管混凝土短柱轴压承载力性能

为促进方中空不锈钢管混凝土构件在土木工程中的应用,以不锈钢外管厚度和混凝土强度为变量的6组试件为研究对象,首先,进行轴压试验,得到了不同试件在轴压荷载作用下的破坏模式、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线,并进一步分析了不锈钢方管宽厚比、核心混凝土强度以及不锈钢方管约束效应系数对方中空不锈钢管混凝土短柱极限承载力的影响;然后,初步讨论了倒角对强度和延性的影响,提出了避免内管先于外管屈曲的最小厚度计算方法;最后,基于试验结果以及已有文献数据,采用拟合方法推导了方中空不锈钢管混凝土短柱的抗压承载力计算式,并与已有文献的简化模型及国外主要规范的计算结果进行对比.研究结果表明:试件宽厚比由34.9降至20.9,极限承载力的提升率平均为98.5%,核心混凝土强度由C40提升至C60时,试件极限承载力的提升率平均为7.3%;短柱的轴压极限承载力随约束效应系数近似呈线性增加,约束效应系数ξ越大,短柱的承载力越高;本文得到的计算式可以较好地预测方中空不锈钢管混凝土短柱的轴压承载力.

船舶碰撞中空夹层钢管混凝土导管架平台损伤分析

针对船舶与中空夹层钢管混凝土(CFDST)导管架平台碰撞问题,利用ABAQUS/Explicit非线性有限元软件建立中空夹层钢管混凝土导管腿导管架数值模型,对船舶碰撞进行数值模拟,对比分析1 m/s、2 m/s和3 m/s的3种碰撞速度下工况下导管架抗碰撞性能、耗能及损伤。从碰撞力、碰撞区域变形以及导管架能量耗散等方面详细研究中空夹层钢管混凝土导管腿作用下导管架整体的损伤模式和动力响应。结果表明:CFDST导管架在船舶碰撞荷载作用下主要由CFDST导管腿耗能,有效控制了结构整体位移变形,提升了整体刚度,有效发挥平台各构件之间组合耗能,结构抗碰撞能力得到明显提升。

方中空夹层钢管混凝土叠合长柱轴压性能

目的 基于方中空夹层钢管混凝土叠合长柱轴压性能有限元分析,阐述轴压长柱受力状态,提出轴压承载力计算方法。方法 建立并验证方中空夹层钢管混凝土叠合长柱有限元模型,定义荷载-变形曲线上6个力学特征点,分析不同特征点处柱中部截面应力分布。研究材料强度、配筋率、空心率、截面径宽比、钢管径厚比及长细比等因素对叠合长柱轴压性能的影响。运用叠加法和折减法计算长柱轴压稳定承载力。结果 方中空夹层钢管混凝土叠合长柱力学性能良好,轴压性能受外钢管径厚比、外部混凝土强度以及长细比影响显著;综合叠加法与折减法计算的叠合长柱轴压承载力与有限元计算结果之比的平均值和标准差分别为1.013和0.038。结论 方中空夹层钢管混凝土叠合长柱具有较好的轴压性能,基于叠加与折减理论提出的计算公式可较好地计算其轴压承载力。

带肋中空夹层钢管自密实混凝土轴压性能研究

设计5类带肋中空夹层钢管自密实混凝土结构以满足此类钢-混凝土组合结构运用于类似风电塔架等高耸结构的要求。对设计的5类结构试件进行轴压试验,研究了试件在试验过程中的变形情况、破坏形式、荷载与应变关系和肋板布置方式对试件承载力的影响;验证有限元计算模型有效性之后,对试件在全过程受荷中的刚度变化,延性特性和内、外钢管的工作机理进行研究分析。最后提出综合性能评价标准衡量5类试件在非线性工作阶段的受力性能。通过这一系列的研究表明,在钢管中焊接与试件相同高度的通长肋板对试件包括承载力在内的各方面受力性能有显著的提高,而在钢管中焊接分层肋板对试件除了延性性能之外的各方面受力性能都有不同程度的降低。

夹层钢管混凝土压弯相关曲线研究

基于EC4规范中钢管混凝土压弯相关曲线方程,提出了夹层钢管混凝土柱压弯相关曲线的计算方法,改进了混凝土材料模型本构参数,并对夹层钢管混凝土柱压弯过程进行了数值模拟研究。通过对比夹层高强钢管混凝土柱低周往复循环加载试验数据、理论计算方法和数值仿真三者结果验证了提出的夹层钢管混凝土柱压弯相关曲线的适用性。该计算方法不仅可以较准确的判断出夹层钢管混凝土柱极限状态,而且为分析夹层钢管混凝土柱在不同轴力弯矩组合下的承载力提出新的方法思路。

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。

T形钢连接梁柱节点的试验和抗剪计算方法研究

通过对4个中空夹层钢管混凝土柱-钢混凝土梁采用高强螺栓T形钢连接的组合节点的低周反复荷载试验,研究了其典型破坏形态及节点域的剪力-剪切变形骨架曲线;在此基础上,对其节点域的传力机理和抗剪性能进行了理论全过程分析,分别建立了节点域钢管腹板、钢管翼缘和夹层混凝土的剪力-剪切变形的三折线模型,并根据剪切变形协调条件对三部分曲线进行简化后叠加,由此得到整个节点域的屈服抗剪承载力和极限抗剪承载力的计算公式,并将理论计算结果与试验数据进行对比,二者整体吻合较好.

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。