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.

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。

异形多腔钢管混凝土分叉短柱抗震性能试验及数值计算

针对某超高层巨型框架结构中异形截面多腔钢管混凝土(concrete-filled steel tube, CFT)分叉柱,为研究截面加强构造对分叉短柱抗震性能的影响,进行了4个试件在竖向轴压力及水平往复两次的低周反复荷载下的抗震性能试验研究,试件上部为五边形四腔体钢管混凝土双柱肢,下部为八边形十三腔体钢管混凝土单柱肢,以此形成分叉柱;研究的截面构造包括四种:基本构造,钢管钢板整体加厚构造,距中和轴较远的钢管角部钢板内表面贴焊等肢角钢的局部钢板加厚构造,距中和轴较远的钢管腔体内置圆钢管构造。基于试验结果及截面构造特点,进行了数值计算。试验及数值计算结果表明:异形截面多腔钢管混凝土分叉短柱的破坏主要发生在上柱根部分叉截面处,表现为距离中性轴较远处的钢板撕裂以及局部焊缝开裂引起的整块钢板撕裂;内置圆钢管的加强构造承载力提高7.6%、变形能力提高14.4%,综合耗能能力最强,局部钢板加强构造承载力提高9.2%、变形能力下降18.7%,钢管钢板整体加厚构造承载力略有提高、但变形能力下降较多;提出的异形多腔钢管混凝土柱简化建模方法计算效率较高,精度满足工程设计要求。

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。

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。

通号电化科创大厦超限高层结构设计

通号电化科创大厦结构高度121.35m,采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。结构设计采用了钢管混凝土外框柱、密肋楼盖及双连梁以达到更优的建筑使用空间。结合地层情况及摩擦型桩基的特点,基础设计采用了考虑桩土共同作用的设计思路,分别通过国内规范考虑承台效应的方法及参考国外文献的方法对桩土分担比例做了计算并按其结果进行了应用。本工程有多项不规则项,为超限高层结构。采用YJK和ETABS软件对结构进行了静力弹性分析,两种软件的分析结果较为吻合且均满足规范要求。采用Perform 3D软件对结构进行了罕遇地震下的动力弹塑性分析,根据分析结果对结构在罕遇地震下的抗震性能进行了评估,结构能够满足罕遇地震下预期的抗震性能目标。钢管混凝土柱与混凝土梁的连接节点为本工程的关键节点,针对该连接节点以往做法存在的问题,本工程设计了一种开大孔的连接节点并进行了节点有限元分析,结果表明节点具有一定的安全储备。最后,对密肋楼盖的建模模拟情况及计算结果进行了讲述。

复式钢管混凝土柱-钢梁半穿心节点拉拔性能试验研究

对3种复式钢管混凝土柱-钢梁半穿心节点试件(腹板半穿心节点试件AJ1、腹板-翼缘半穿心试件AJ2和腹板-横隔板半穿心节点试件AJ3)进行了拉拔试验,探讨了节点的破坏形态和拉拔性能。结果表明试件AJ2、AJ3的承载力比试件AJ1分别提高了14.2%和13%,表明内外钢管间设置横向水平半穿心构件有利于改善节点抗拉传力机制并可明显提高其抗拉承载力。为进一步研究半穿心构件对节点拉拔性能的影响,进行了纯钢梁翼缘节点试件AJ1-R、AJ2-R、AJ3-R的拉拔试验。结果表明,3种半穿心节点试件AJ1、AJ2、AJ3的极限荷载较纯翼缘节点试件AJ1-R、AJ2-R、AJ3-R分别提高了60.1%、22.7%、73.8%,初始刚度提高约2倍;半穿心腹板为主要传力构件,保证了节点具有较强的承载能力和抗拉刚度;半穿心翼缘能直接传递梁柱之间拉力,而半穿心横隔板有利于发挥斜向腋板传递拉力的作用,达到与半穿心翼缘相当的承载能力,且能较好地保证核心区混凝土的密实性和节点变形性能。

某250m超高层建筑的塔楼结构设计分析

某超高层建筑高度为249.9m高度,位于6度设防地震烈度区,是采用叠合柱、型钢剪力墙并带有斜柱转换的框架-核心筒(双筒)结构体系。分析了整体结构在地震作用下的变化,并采用有限元软件着重分析了斜柱、型钢剪力墙和楼层楼板等构件的受力特点。结果表明,结构可满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的预期抗震性能目标要求,承载能力、变形能力、层间弹塑性位移、层间位移角可满足抗震性能目标C的各项抗震性能水准要求。

临沂金水湾二期超高层结构设计

临沂金水湾二期超高层项目结构高度153.3m,属于高震区超高层超限结构,地上结构采用钢管混凝土框架⁃钢筋混凝土核心筒混合结构,塔楼外框柱均倾斜布置以满足建筑外立面的变化。采用YJK和ETABS两种软件对主塔楼结构进行了弹性分析,并采用PERFORM⁃3D软件进行了动力弹塑性分析。从结构体系、性能设计等方面对超高层结构设计进行了简要论述,并对梭形超高层建筑的斜柱设计要点、环带桁架、底层分叉柱以及结构动力弹塑性四个方面进行了详细分析、介绍,最后给出了上述要点的计算结论和构造建议。

钢管混凝土双肢柱改进型单腹板肩梁承载能力试验研究

针对宝钢三期1580热轧、1420/1550冷轧及二炼钢连铸等工程中改进的钢管混凝土双肢柱单腹板肩梁,进行了4个轴压比为0.1,缩尺比为1∶3的单腹板肩梁模型试件的水平单调加载试验研究.对单腹板肩梁的试验现象进行了描述,分析了肩梁腹板的主应变分布规律,得到了肩梁试件的承载力和破坏模式,并将试验结果与现行的肩梁设计方法进行了比较,以期对这种肩梁形式的受力性能和设计方法有进一步的认识.

圆形和方形配筋钢管混凝土短柱受压性能比较

为了研究圆形和方形配筋钢管混凝土柱受压性能,对圆形和方形的中空钢管柱、素混凝土钢管柱及配筋钢管混凝土柱共30个试件进行了轴压试验,在混凝土截面积、钢管截面积和钢筋截面积稍有差别的条件下,对圆形和方形柱试件的承载力、变形性能、合成效果以及破坏模式进行了对比分析.结果表明,圆钢管混凝土柱的承载力高,变形性能好,受压性能比方钢管混凝土柱更优越;就破坏模式而言,和圆钢管混凝土柱相比,方钢管混凝土柱对于屈曲变形更为有利.

钢管砂轻混凝土轴压短柱力学性能研究

为了研究钢管砂轻混凝土短柱的轴压性能,以砂轻混凝土中河砂与陶砂的体积比例为变化参数,制作了3个圆钢管砂轻混凝土短柱试件和3个方钢管砂轻混凝土短柱试件,进行了静力单调轴压性能试验。观察了试件的受力过程和破坏形态,获取并分析了试件的应力-应变全过程曲线,基于统一强度理论、极限平衡理论和叠加理论分别计算了钢管砂轻混凝土短柱试件的轴压极限承载力。结果表明:钢管砂轻混凝土轴压短柱的外部钢管均向外屈曲,核心砂轻混凝土被压碎,方钢管砂轻混凝土短柱上部破坏程度较圆钢管砂轻混凝土短柱严重;钢管砂轻混凝土短柱的应力-应变曲线存在弹性、弹塑性和塑性三个受力阶段;建议采用基于叠加理论的AIJ-1997(CECS 159:2004或AIJ-1997)进行圆(方)钢管砂轻混凝土短柱轴压极限承载力的设计计算。

变截面钢管混凝土格构柱轴压极限承载力

变截面钢管混凝土格构柱的轴压试验结果表明,随着试件高度的增大和柱肢坡度的减小,其极限荷载逐渐降低。基于上述规律,在等截面钢管混凝土格构柱计算框架的基础上,研究了变截面钢管混凝土格构柱轴压极限承载力的计算方法。提出变截面钢管混凝土格构柱等效长度的概念和等效长度法的计算公式,其承载力计算结果与试验结果吻合良好。最后在有限元数值分析验证的基础上,给出适合工程应用的四肢变截面钢管混凝土格构柱轴压极限承载力的实用算法,为钢管混凝土设计规程的进一步完善提供参考。

中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究

基于给定的核心混凝土和钢材的三轴本构模型,设定构件内、外两层钢管使用相同的钢材,并考虑核心混凝土和钢管变形协调,应用连续介质力学理论,对中空夹层钢管混凝土短柱进行了弹塑性全过程理论分析,建立了中空夹层钢管混凝土短柱组合弹性模量理论计算公式和应力-应变关系全曲线的理论计算模型。该计算模型形式简单,参数少易确定,便于程序化实现,并与文献资料的试验结果进行了比较,结果表明,该模型能较好地反映试验规律以及组合构件材料物理性能的优点,为中空夹层钢管混凝土组合结构进一步研究奠定了基础。

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%。

标准火灾作用下的钢管混凝土叠合短柱温度分布

研究火灾中钢管混凝土叠合短柱温度-时间关系及其影响因素。完成了4根圆形截面钢管混凝土叠合短柱的火灾试验,分析火灾中圆形截面钢管混凝土叠合短柱温度-时间关系变化,考虑因素包括构件截面周长、长细比和截面含管率,并采用有限元程序模拟试验结果。研究结果表明:在相同受火时间作用下,截面含管率和试件高度相同时,试件截面周长越大,试件内温度越低;试件截面周长和截面含管率相同时,长细比越大,试件内温度越低;试件截面周长和长细比相同时,截面含管率的变化对试件内温度场影响较小。有限元法可以较好地模拟方形截面钢管混凝土叠合短柱的温度场分布。

“T”形钢管混凝土芯柱耐火极限数值分析

为研究等肢"T"形钢管混凝土芯柱的耐火极限及其影响因素,采用有限元分析软件ABAQUS建立等肢"T"形钢管混凝土芯柱高温反应分析模型,在验证模型可靠性基础上,分析了载荷比、截东边长、长细比、载荷偏心率、含钢率等主要因素对"T"形钢管混凝土芯柱耐火极限的影响.研究结果表明:在一定参数范围内,载荷比和截面边长是构件耐火极限的主要影响参数,载荷比越小,截面边长越大,构件的耐火极限越高;长细比和载荷偏心率对其影响较大,长细比和载荷偏心率越小,构件的耐火极限越高;含钢率对其影响不显著.

钢管混凝土墩柱截面选型

为了获得一种易于操作的钢管混凝土墩柱单肢截面优选方法,对工程中常见的3种截面形式(圆形、矩形与矩形中空夹层截面)进行了截面优选研究。基于统一理论和等效截面思想,提出了表征截面压弯承载力的经济性指标界限偏心率,研究了套箍系数、矩形截面高宽比、矩形中空夹层截面挖空率对界限偏心率以及3种钢管混凝土截面经济性的作用规律。结果表明:套箍系数、矩形截面高宽比、矩形中空夹层截面挖空率越大,矩形和矩形中空夹层截面的经济性越好;当套箍系数大于0.8,矩形截面高宽比大于2.0,矩形中空夹层截面挖空率大于0.3时,这3个参数对界限偏心率的影响较小;界限偏心率能够很好地表征钢管混凝土单肢截面的经济性;在截面内力和材料给定的条件下,通过查界限偏心率表能够快速确定钢管混凝土墩柱最优截面形式,对工程实际具有一定的参考价值。

不锈钢管中管钢管混凝土抗剪性能试验研究

冰荷载是严寒地区海洋平台的主控荷载,对海洋平台导管腿抗剪承载力要求较高。为研究影响不锈钢管中管钢管混凝土海洋平台导管腿抗剪承载力的因素,共制作了18根管中管钢管混凝土抗剪构件,研究外钢管材料、混凝土强度、空心率和剪跨比对管中管钢管混凝土抗剪承载力的影响。通过研究不同情况下构件破坏形态、承载能力、局部应变关系来分析试件内部变化情况发现:随着空心率的减小、混凝土强度的增加,构件抗剪强度均有所增大;剪跨比越大,其抗剪强度越小。结合试验情况,提出了管中管钢管混凝土抗剪承载力经验公式,并通过ABAQUS有限元建模软件进行分析验证,结果表明模拟与试验结果吻合良好。

震后可快速恢复功能的双钢管混凝土柱试验研究

为研究外方内圆双钢管高强混凝土(CFDT)柱能否在大震后快速恢复其结构功能,完成了4个试件的拟静力试验,试件方钢管壁板宽厚比为24.7。结果表明,位移角达到1/100时,方钢管壁板未鼓曲,外观无损坏,不需修理即可继续使用;试件的水平力-位移滞回曲线饱满,极限位移角大于1/40;轴压比设计值为0.8及1.0的CFDT柱试件,其抗震性能基本相同;方钢管的加劲板与圆钢管焊接,使试件的极限位移角增大。