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.

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。

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。

火灾下双钢管混凝土复合短柱的性能与承载力计算方法

为研究双钢管混凝土复合短柱的耐火性能,建立了双钢管混凝土复合短柱精细化数值模型,在类似构件试验成果验证的基础上,开展其高温反应规律和耐火性能影响因素研究;全面分析了内管径厚比、外管径厚比、内外管直径比等参数的影响,以及不同截面组合形式(内圆外圆、内方外圆和内圆外方)双钢管混凝土短柱的耐火极限。基于热传导分析理论推导双钢管混凝土短柱截面的温度场分布公式,并根据有限元模拟结果对公式进行修正;最后基于温度等效原理进一步提出了火灾条件下双钢管混凝土短柱截面温度场的简化计算公式和承载力计算方法。结果表明:双钢管混凝土复合短柱具有较好的耐火性能,在直径不变时增大内钢管的厚度以及在厚度不变时增加内钢管的直径都有利于耐火极限的提高;在荷载作用和含钢率相同的条件下,不同截面组合形式的双钢管混凝土短柱耐火极限相差不大,但总体上双圆钢管混凝土短柱的耐火性能偏优;提出的温度场简化计算公式和基于等效温度的承载力计算方法与有限元结果相对误差都在15%以内。

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。

L形双连接板实体式方钢管混凝土组合柱抗震性能研究

提出了一种采用双连接板的L形实体式方钢管混凝土组合柱,为了研究其抗震性能,设计了3个采用不同的钢管连接件的尺寸(宽度分别为100mm或200mm)、不同轴压比(0.4和0.6)的试件。对各试件施以不同的竖向恒载,进行了拟静力试验,讨论了试验参数对试件抗震性能的影响。结果表明:连接板宽度与水平峰值荷载和刚度呈正相关,增加连接板宽度对两者的提升很大,与延性和耗能能力呈负相关,增大连接板宽度两者有所下降,而且更宽的连接板会加剧强度退化和刚度退化;竖向恒载与水平峰值荷载和耗能能力呈负相关,加大轴压比导致两者均变小,且加剧了刚度衰减,但是能在一定程度上改善延性,强度退化也更均匀。通过有限元模拟研究了钢管壁厚度、钢管管径和钢材强度等级对组合柱受力性能的影响。结果表明:增大钢管壁厚度、钢管管径都可以显著加强L形双连接板实体式方钢管混凝土组合柱的水平峰值荷载和刚度,但变形能力即延性也明显下降;提高钢材强度等级则能使水平峰值荷载和延性都得到改善。

预制节段拼装双层钢管-混凝土组合墩柱抗震性能分析

为研究预制节段拼装CFDST墩柱的抗震性能,开展了预制节段拼装CFDST墩柱拟静力试验,并采用有限元软件ABAQUS对墩柱力学行为进行数值模拟,分析素混凝土层、初始预应力度和节段数量对墩柱抗震性能的影响.结果表明:在水平往复荷载作用下,墩柱未出现明显破坏,滞回曲线呈明显旗帜形,最大残余偏移率为0.18%,具有良好的自复位性能;最大偏移率为5.25%时,轴向预应力损失约为10.20%,墩身变形主要来自接缝处开口,正、负向最大累计开口量分别达到10.70和12.35 mm,存在明显的多转角变形模式;数值模型可以较好地模拟墩柱的非线性力学行为;考虑节段间素混凝土层可以更为合理地模拟墩柱滞回性能,提高初始预应力度可增强墩柱强度和耗能能力,而节段数量则对墩柱滞回性能影响较小.

用双模量理论研究钢管混凝土柱的临界载荷

采用双模量弹性理论研究了钢管混凝土长柱的弹性稳定问题。利用钢管混凝土柱的轴向静力平衡方程确定中性轴位置,再利用钢管混凝土柱弯矩平衡方程得到弯曲微分方程,即可求得钢管混凝土长柱的临界载荷。算例分析表明,采用双模量弹性理论方法得到的计算结果,比有关文献方法的计算结果更接近试验结果。

圆中空夹层钢管再生陶瓷混凝土压弯构件力学性能研究

以空心率、混凝土类型、长细比和偏心率为参数变量,共进行12根圆中空夹层钢管再生陶瓷混凝土压弯构件和4根圆中空夹层钢管普通混凝土压弯构件的对比试验研究。试验结果表明:试件均为整体失稳破坏,中长柱外钢管屈曲出现在端部及中部截面附近,偏心率越大,挠度发展更快,同时承载力和刚度降低,延性增大;长柱未出现屈曲现象,与中长柱相比,其承载力和刚度降低,延性变化不明显;本次试验的空心率对刚度和延性影响不明显;与普通试件相比,再生试件在弹塑性阶段刚度略有下降,二者后期延性接近。采用本文提出受钢管约束的再生陶瓷混凝土本构关系建模能较好地模拟出本次试件的破坏形态,模拟的荷载-挠度曲线与试验结果接近,计算的峰值荷载与试验值的之比差值均在5%以内;采用再生陶瓷混凝土本构关系与普通混凝土本构关系进行有限元模拟对比:与普通试件相比,再生试件承载力略微降低,弹塑性阶段刚度有所下降,但后期延性略有增加。荷载达峰值时,随着偏心率增大,混凝土承担的荷载比例逐渐增大;与长柱相比,中长柱承担荷载比例更大;由于内管承担了部分荷载,中空试件中混凝土承担荷载小于实心试件。

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱抗冲击性能研究与机理分析

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱(FRP-concrete-steel double skin tubular columns)目前已在桥梁墩柱中得到应用,抗冲击性能是其推广应用的重要指标。为此,基于前期试验,采用ABAQUS软件建立了考虑轴力与侧向冲击耦合影响的有限元模型。首先,分析了轴力-冲击联合作用下该类构件的抗冲击机理;其次,重点研究了FRP厚度和缠绕角度、轴压比、冲击速度、空心率、内钢管径厚比与材料强度对抗冲击性能的影响;最后,给出了轴力-冲击耦合作用下构件动力放大系数的计算公式。结果表明,混凝土的塑性变形是构件抗冲击的主要耗能机制;轴力对构件抗冲击性能有明显影响,当轴压比大于0.7时,轴力对抗冲击性能有削弱作用;内钢管径厚比对构件抗冲击性能影响较小;建议的计算公式可较好地预测该类构件的抗冲击承载力。

方中空夹层钢管混凝土偏心受压柱力学性能的研究

以长细比和偏心率为变化参数 ,共进行了十二个方中空夹层钢管混凝土偏心受压构件的试验研究。在确定组成方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 ,利用数值解法对方中空夹层钢管混凝土压弯构件的荷载 变形全过程关系进行了分析 ,理论分析结果与试验结果吻合较好。最后 。

圆中空夹层钢管混凝土压扭构件工作机理研究

为了对圆中空夹层钢管混凝土构件在压、扭复合受力下的工作机理进行研究,采用大型通用有限元软件ABAQUS对圆实心钢管混凝土压、扭复合受力构件进行建模计算,现有的试验验证了计算结果与计算方法的正确性。再采用同样的方法对圆中空夹层钢管混凝土构件在压、扭复合受力状态下进行了模拟计算。通过计算发现,扭矩—转角全过程关系曲线分为弹性、弹塑性、塑性强化三阶段。通过对三个阶段扭矩—转角全过程关系曲线、内外钢管和混凝土的应力分布云图、三者间相互作用力以及轴压比影响的分析,结果表明,在加载过程中,当轴压比较小时,随着轴压比的增大,极限扭矩增加;当轴压比较大时,随着轴压比增大,极限扭矩降低。

复式钢管混凝土柱-钢梁节点累积耗能性能研究

为研究外方内圆复式钢管混凝土柱-钢梁节点的累积耗能性能,对6个组合节点试件和1个方钢管混凝土柱-钢梁节点对比试件进行了低周往复荷载作用下的试验研究和参数分析,探讨了节点的各项耗能指标及影响参数。结果表明:此类组合节点试件具有良好的滞回耗能能力,其中锚固腹板加肋和竖向肋板外伸长度120mm的节点试件累积耗能能力较好,且累积损伤对节点滞回耗能影响不明显;其余节点试件的梁端位移角达到1/23时,试件开始有累积损伤,滞回耗能下降幅度不超过10%,累积损伤对其影响不严重;复式钢管混凝土柱-钢梁节点的累积耗能各项指标均优于方钢管混凝土柱-钢梁节点;节点试件的累积耗能随着梁柱弯矩比的增大而有所提高,随竖向肋板外伸长度和梁柱线刚度比的增大也有所提高,但有一定限值。

大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能研究

为研究大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件的滞回性能,对10个圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯试件(8个往复加载和2个单调加载试件)进行试验研究。考察空心率(0.6和0.8)和轴压比(0、0.2、0.4和0.6)对试件的破坏模态、P-Δ关系曲线和滞回性能的影响,并建立数值模型对单调加载的压弯试件的受力机理进行分析,最后讨论了圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件侧向承载力简化计算方法。研究结果表明,两种空心率试件的破坏形态基本一致,表现为试件下部不同程度的局部破坏;往复压弯试件的P-Δ曲线较为饱满,表现出较好的滞回性能。空心率从0.6增加到0.8对试件的侧向承载力和延性影响较小,两种空心率下的峰值荷载平均相差约3%。随着轴压比增加,试件的极限荷载降低,延性逐渐变差。往复加载试件的强度退化不明显,空心率为0.8的试件刚度退化更显著。试件的平均位移延性系数为3.56,平均黏滞阻尼系数为0.322,表现出较好的耗能能力。当空心率为从0.6增加到0.8,试件的黏滞阻尼系数平均提高15%。

复合钢管混凝土轴压柱承载机理分析

基于混凝土的塑性损伤模型对外方内圆型复合钢管混凝土柱轴压试件的承载机理进行研究,对比了复合钢管混凝土柱和单钢管混凝土柱在加载过程中横截面上混凝土的纵向应力分布规律,揭示了该组合构件的承载机理:复合钢管混凝土柱中核心混凝土受到内外层钢管的双重约束作用,因此,核心混凝土的轴向应力比单钢管混凝土柱的纵向应力大,极限承载力也随之增大;但夹层混凝土的纵向应力与单管混凝土纵向应力两者相差不大;在此基础上分析钢管壁厚及混凝土强度等级等参数对复合柱力学性能的影响.

圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件工作机理研究

圆中空夹层钢管混凝土是在两个同心放置的圆钢管中间灌注混凝土而形成的一种新型组合结构。已有学者对其在轴压、压弯、纯弯等方面及在往复荷载下的力学性能进行研究,当被用作构筑物独立柱、输电塔杆、发电风车支架时其抗扭性能是十分重要的,但目前还未见对这方面研究的报道。利用有限元软件ABAQUS建模对钢管混凝土纯扭构件进行计算,数值模拟结果的正确性得到了试验结果的验证。在此基础上,对圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件的扭矩-转角全过程曲线进行了计算。计算结果表明,扭矩-转角曲线可分为三个阶段:弹性段、弹塑性段和塑性强化段,通过对这三个阶段中内外钢管和混凝土的应力分布云图及其相互作用的分析,揭示了圆中空夹层钢管混凝土在扭矩作用下的工作机理。

圆中空夹层钢管混凝土柱抗剪承载力计算研究

利用有限元软件ABAQUS数值模拟了圆中空夹层钢管混凝土柱受剪切作用时剪应力与剪应变的关系曲线,并通过对大量算例的分析,确定了构件不同破坏形式的剪跨比范围,研究了内外钢管屈服强度、截面名义含钢率、内管径厚比、空心率及混凝土强度对剪应力-剪应变关系曲线的影响规律。研究结果表明:剪跨比不大于0.1时,圆中空夹层钢管混凝土柱抗剪承载力可按纯剪构件计算,并给出了抗剪承载力的简化计算公式。公式计算结果与有限元计算结果吻合较好。

矩形中空夹层钢管混凝土短柱力学性能的数值分析

在确定组成矩形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,利用数值解法对矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件的荷载-变形关系进行了全过程分析.

方套方中空夹层钢管混凝土柱单边螺栓连接节点拟动力试验分析

为揭示中空夹层钢管混凝土柱单边螺栓连接在地震作用下的动力特性和破坏模式,文章选取典型的中柱节点作为试验模型,进行方套方中空夹层钢管混凝土柱单边螺栓端板连接节点拟动力试验。研究柱截面空心率、端板形式以及采用可拆卸组合楼板对节点动力性能的影响。获得节点在各工况下的动力特性和破坏模式,分析构件最大位移时程曲线、最大加速度时程曲线、柱顶水平荷载-水平位移滞回曲线,获得阻尼比、刚度退化和累积滞回耗能等抗震性能指标的变化规律。试验结果表明,方套方中空夹层钢管混凝土柱单边螺栓端板连接节点具有优越的抗震性能和良好的延性,可以在高烈度地区的多高层装配式钢结构建筑中应用和推广。

FRP-钢-混凝土组合柱的研究现状

纤维增强聚合物(FRP)复合材料作为约束材料,已在组合柱中得到了大量研究与应用.其中组合形式主要包括FRP混凝土钢混合双管柱、FRP钢管混凝土柱以及FRP型钢混凝土柱.通过回顾和总结近几年国内外对于上述3种组合柱的研究成果,详细分析了组合柱的力学性能,并研究了各种组合柱的受力特点及组合柱中FRP、钢和混凝土3种材料之间的相互作用机理.结果表明:虽然针对FRP钢混凝土组合柱已进行了大量试验研究,但理论研究尚不成熟,今后的研究应基于理论分析与试验研究相结合,对FRP钢混凝土组合柱进行透彻研究,同时还需有效结合3种材料进行截面设计,从而提高组合柱的力学性能.