Seismic Behavior of Diaphragm-Through Connections of Concrete-Filled Square Steel Tubular Columns and H-Shaped Steel Beams

Based on the introductions of a type of diaphragm-through connection between concrete-filled square steel tubular columns (CFSSTCs) and H-shaped steel beams,a finite element model of the connection is developed and used to investigate the seismic behavior of the connection.The results of the finite element model are validated by a set of cyclic loading tests.The cyclic loading tests and the finite element analyses indicate that the failure mode of the suggested connections is plastic hinge at the beam with inelastic rotation angle exceeding 0.04 rad.The suggested connections have sufficient strength,plastic deformation and energy dissipation capacity to be used in composite moment frames as beam-to-column rigid connections.

Influence of Axial Load Ratio on Shear Behavior of Through-Diaphragm Connections of Concrete-Filled Square Steel Tubular Columns

Nonlinear finite element analysis and parametric studies were carried out to study the influence of axial load ratio on the shear behavior of the through-diaphragm connections of concrete-filled square steel tubular columns. The analysis reveals that smaller axial load ratio can improve the shear bearing capacity and ductility while larger axial load ratio will decrease the shear behavior of the through-diaphragm connections. The parametric studies indicate that the axial load ratio should be limited to less than 0.4 and its influence should be considered in the analysis and design of such connections.

方钢管混凝土柱穿入式组合节点耗能机制

开展了4个翼缘削弱的钢管混凝土柱穿入式组合节点抗震性能与三维实体有限元精细化模型分析。在混凝土三轴塑性损伤和钢材混合强化模型基础上,进一步引入钢材的韧性损伤模型,探讨了钢梁削弱程度对节点抗震性能与破坏形式的影响规律,结果显示引入钢材韧性损伤的有限元模型分析结果与试验结果更加吻合,且钢梁削弱程度降低了该节点的刚度、承载力和耗能。随后对不同钢梁尺寸和柱端拉筋强构造下的组合节点进行了承载力、刚度和塑性耗能分配与失效机制的影响规律分析,分析结果表明:穿入式节点分别在梁-柱抗弯承载力比介于1.66~2.11、梁-柱线刚度比介于1.90~1.96、梁-柱截面刚度比介于1.16~1.21时,将由梁耗能向柱耗能转变;柱端拉筋强构造技术后,由于拉筋直接约束混凝土,大幅度提升了柱端抗弯承载力和耗能能力,组合节点在高轴压比时仍维持梁端失效破坏模式;根据《建筑抗震设计规范》,梁-柱抗弯承载力比取值小于1时为强柱弱梁,这对穿入式组合节点强柱弱梁的定义较为保守。

RPC外包方钢管混凝土柱轴压受力性能研究

为了研究活性粉末混凝土(Reactive powder concrete,RPC)外包方钢管混凝土柱的轴压受力性能,以RPC厚度和长细比为参数,对6根构件开展轴压试验研究,探讨该类组合柱的破坏模式、受力机理、套箍效应和承载力。试验结果表明:外层RPC可为内部方钢管混凝土柱提供较强的约束力,在受力后期套箍效应凸显。随着RPC厚度的增加,组合柱的承载力逐渐提高;随着组合柱长细比的增大,虽然其弹性刚度和承载力逐渐降低,但延性改善。采用ABAQUS软件建立RPC外包方钢管混凝土柱的有限元模型,分析RPC强度、RPC厚度、钢管强度等级、含钢率、内部混凝土强度和长细比等参数对组合柱承载力的影响规律,可得方钢管混凝土柱发挥系数的变化幅值为0.78~1.01。在试验研究、有限元参数分析和理论探讨的基础上,借鉴钢管混凝土结构技术规范,提出了RPC外包方钢管混凝土轴压短柱和长柱的承载力简化计算方法,公式计算值与已有数据样本吻合良好。

反复荷载下方钢管型钢再生混凝土组合柱抗震性能试验研究

为研究方钢管型钢再生混凝土组合柱的抗震性能,通过对9个组合柱试件进行低周反复荷载试验,对其地震破坏特征进行分析,并详细探究再生粗骨料取代率、型钢配钢率、方钢管宽厚比和轴压比等影响参数对组合柱承载力、延性及耗能能力等抗震性能指标的影响。研究结果表明:在反复水平荷载作用下组合柱呈现典型的压弯塑性铰破坏模式。组合柱的荷载-位移滞回曲线呈饱满“纺梭形”,具有较好的耗能能力。再生粗骨料取代率对组合柱的承载力的影响较小,随着再生粗骨料取代率的增加,组合柱的延性和耗能能力逐渐下降,延性和耗能能力最大分别下降7.83%和7.6%,组合柱试件承载力先升高后下降,承载力最大变化幅值为1.98%,影响幅值较小。随着方钢管宽厚比的减小或型钢配钢率的提高,组合柱的承载力和延性均得到提高,宽厚比从100降至33,承载力提高了57.44%,而型钢配钢率从4.2%增长至6.3%,承载力和延性则分别提高了21.45%和20.44%,说明方钢管宽厚比和型钢配钢率对组合柱抗震性能影响较大。另外,增大轴压比对组合柱试件的抗震性能不利,随着轴压比的增大,组合柱的滞回曲线饱满度下降,延性降低,轴压比从0.2提高到0.6,延性降低了11.11%。研究结论可为方钢管型钢再生混凝土组合柱的抗震设计提供参考。

方形耐候钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

为研究方形耐候钢管混凝土短柱的轴压力学性能,首先设计并开展了4根轴压短柱试验研究。进而采用Abaqus有限元软件建立方形耐候钢管混凝土短柱有限元模型并进行数值分析。数值模拟结果表明,轴压短柱直至破坏共经历了3个阶段:弹性段、弹塑性段和破坏段。其破坏模式均为柱中局部屈曲。耐候钢拉伸性能试验特征与低碳钢的力学性能相近,有限元建模采用低碳钢本构关系可准确模拟方形耐候钢管混凝土短柱的轴压力学性能。钢管内焊接拉筋能有效改善钢管对核心混凝土的约束作用,进而提高轴压短柱的极限承载力和延性。最后,方形耐候钢管混凝土短柱轴压力学性能与普通钢管混凝土短柱无异。

新型方钢管混凝土柱轴压力学性能试验研究

研发了一种旨在提升核心混凝土约束作用和整体承载能力的新型方钢管混凝土柱,并以抗剪钉、拉板、加劲肋等不同构造为试验参数,系统进行了多个试件的轴压试验。试验结果表明:新型方钢管混凝土柱的破坏模式为屈曲破坏,方钢管破坏区域产生局部鼓曲,最终混凝土压溃。采用ABAQUS有限元分析软件建立了4根新型方钢管混凝土柱的数值分析模型,对其在轴向压力作用下的承载力进行精细化模拟,结果表明:有限元分析得到的柱破坏形态和荷载-位移关系曲线均与试验结果吻合较好。建立了该新型方钢管混凝土柱的极限承载力表达式,理论分析结果精确度较好。对相关影响参数进行分析可知,设置加劲肋可显著提升新型方钢管混凝土柱的轴压承载力,而设置拉板和抗剪钉与否对其轴压承载力影响不显著。

方钢管混凝土桁架结构优化的拟满内力遗传算法

为解决离散变量方钢管混凝土桁架的结构优化问题,以桁架杆件最低总造价为目标函数,采用拟满内力遗传算法对杆件截面进行结构尺寸优化.拟满内力遗传算法引入拟满内力算法作为遗传算子,并将部分初始种群由拟满内力算法产生以增加种群多样性.对传统遗传算法罚函数进行改进,以增强算法的寻优效率.通过两个算例的对比分析,结果表明运用拟满内力遗传算法进行方钢管混凝土桁架结构优化,相对于拟满内力算法和传统遗传算法其造价分别降低了15%、15%、45%、53%.拟满内力遗传算法进行方钢管混凝土桁架结构优化的是有效、可行的.

柱端带肋方钢管混凝土柱抗震耗能分析

方钢管混凝土柱在高层及超高层中得到了广泛应用,但存在钢管对混凝土约束较弱与柱端部局部屈曲等问题,有必要采取构造措施以提高柱的抗震性能。通过建立端部带肋方钢管混凝土柱的三维实体精细有限元模型并与拟静力试验结果验证,有限元结果与试验结果吻合良好,之后建立多个足尺模型进行参数分析,分析了柱端设肋对钢管水平鼓曲与竖向位移、钢管与混凝土的应力-应变、塑性耗能的影响,探讨了不同肋高下柱的塑性耗能分配机制。结果表明:柱端设置加劲肋可显著减少柱的水平鼓曲和竖向位移,提高柱的峰值承载力和延性,减小钢管与混凝土的压应变并提高压应力,增大柱的总塑性耗能值,延缓柱的破坏;轴压比为0.5、0.8时,当肋高分别达到1000mm、1500mm,再增大肋高对柱的塑性耗能影响较小。研究结论可为实际工程中柱端带肋方钢管混凝土柱的设计与加固构造措施提供参考与依据。

L形多腔方钢管混凝土柱的抗火性能研究

为研究L形多腔方钢管混凝土柱的抗火性能,建立了42个不同荷载比、钢材屈服强度、柱肢宽度和混凝土抗压强度的有限元模型,并进行火灾模拟分析。结果表明:模型的测点温度和轴向位移的模拟值与试验值误差较小,模型具有可靠性,可用于异形多腔钢管混凝土柱的抗火性能模拟;荷载比的减小、钢材强度的减小、混凝土强度的增大和柱肢宽度的增大有利于构件耐火极限的提高;提出了L形多腔方钢管混凝土柱的耐火极限计算式并验证了其准确性,为此类构件在装配式住宅的工程应用中提供了抗火设计依据。

方钢管混凝土柱与钢梁连接的设计方法

在试验研究和理论分析的基础上 ,提出了方钢管混凝土柱与钢梁连接节点的设计及构造建议 ,并对试验结果和理论公式的计算结果进行了对比 .这一设计方法已被国家有关技术规程所采纳 .

外包钢加固震损钢管混凝土柱的抗震性能试验

为了研究外包钢加固震损方钢管混凝土柱的抗震性能,基于现行设计规范,设计并制作了4根方钢管混凝土柱模型,其中,1根为原型对比柱,1根为直接加固柱,2根受到不同程度地震损伤用来模拟中震和大震后采用外包钢加固修复,所有钢管混凝土柱均进行了低周反复荷载试验,以研究外包钢加固震损柱的可行性和有效性,探讨不同地震损伤程度对加固效果的影响。试验结果表明:外包钢合理地加固方钢管混凝土柱后的破坏形态为压弯破坏,满足"强剪弱弯"的抗震设防设计目标;外包钢加固柱的承载力显著提高,延性性能有所增加,抗震性能得到明显改善;在一定损伤程度情况下能加固柱并恢复受损前的抗震性能;从极限承载力、延性系数、能量耗散系数来看,采用外包钢法加固震损柱是一种有效的抗震加固方法。

CFRP约束方钢管混凝土轴压短柱的静力性能研究

进行16个CFRP约束方钢管混凝土轴压短柱的静力试验。试验结果表明,试件的破坏属于强度破坏,CFRP延缓了钢管的屈曲,受约束混凝土具有良好的塑性填充性能,CFRP的增加和混凝土强度等级的提高可以提高试件的承载力和刚度。钢管与CFRP可以协同工作。试件的荷载-应变曲线可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降段。给出受约束混凝土的应力-应变表达式,模拟试件的荷载-应变曲线和变形模态,计算结果与试验结果吻合良好。

方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析

基于方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的低周反复荷载试验,在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上,采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱内隔板式节点和外加强环式节点进行了单调加载及循环加载作用下的受力性能分析。有限元分析得出的荷载-位移曲线及剪力-剪切变形曲线与试验结果吻合较好。在此基础上对外加强环式节点进行了参数分析,研究了方钢管混凝土柱的轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响,结果表明轴压比、宽厚比的影响较大。

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 。

方钢管混凝土柱与钢梁的外肋环板节点抗震性能试验研究

为研究外肋环板节点的抗震性能,本文对3个十字型足尺试件进行了低周反复循环加载试验,分析了各试件的破坏过程及特征,然后根据实测的滞回曲线对节点的承载力、延性、耗能能力、强度退化、刚度退化等抗震性能指标进行了详细的比较分析。研究结果表明,外肋环板节点构造措施简单合理,具有较好的抗震性能。通过空钢管试件和填充混凝土试件的对比分析,表明在钢管中填充混凝土有利于改善节点的抗震性能。

方钢管混凝土框架-十字加劲薄钢板剪力墙的力学性能研究

采用大型通用非线性有限元软件ABAQUS 6.10分别对方钢管混凝土框架-十字加劲薄钢板剪力墙和非加劲薄钢板剪力墙进行了数值分析,对二者的受力特征、刚度、极限承载力、剪力分配及柱子的受力特征进行了研究。结果表明:当肋板刚度比为30时,十字加劲肋能够提高钢板剪力墙结构的弹性屈曲荷载、极限承载力、初始刚度,降低柱子轴压比对剪力初始分配的影响;在加载的初始阶段(顶点侧移角小于0.2%),钢板剪力墙承担了大部分剪力,随后墙板承担剪力的比例逐渐下降,框架承担的比例逐渐上升,当顶点侧移角达到1%时,框架和钢板剪力墙承担剪力的比例保持不变;方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙的滞回环饱满,滞回性能稳定。由于薄钢板墙拉力场作用,方钢管混凝土柱壁易与混凝土发生分离,在设计时应予以注意。

方钢管螺旋筋复合约束混凝土柱轴压机理及承载力计算

为研究方钢管螺旋筋复合约束混凝土柱的轴压受力性能,完成了25个方钢管螺旋筋复合约束混凝土柱试件和4个普通方钢管混凝土柱试件的轴心受压试验。从试件的表观破损全过程、核心混凝土的碎裂形态、螺旋筋的失效模式、荷载位移曲线、各钢材组分的应变发展规律等多个角度对方钢管螺旋筋复合约束混凝土柱的轴压机理展开分析,并与普通方钢管混凝土柱进行了对比。研究结果表明:螺旋筋有效改善了方钢管对核心混凝土约束不均匀的特点;螺旋筋、纵筋及方钢管之间具有良好的变形协调性,在本研究的配筋率范围内(0.44%~2.90%),螺旋筋的屈服强度均能充分发挥;方钢管螺旋筋复合约束混凝土柱比普通方钢管混凝土柱具有更好的轴压承载能力和变形能力,且随着螺旋筋间距的减小、直径和径宽比的增大,其表现出更优良的轴压性能;基于复合约束模型推导的承载力公式,其物理意义明确、形式简单,且计算值与试验值吻合较好,可供工程设计参考。

带约束拉杆方形钢管混凝土短柱偏压工作机理

为研究带约束拉杆方形钢管混凝土短柱偏压的工作机理,采用考虑材料泊松比变化、钢管和核心混凝土界面作用及钢管残余应力的有限元模型,利用有限元软件ABAQUS对其偏压受力全过程进行分析.从横向变形、荷载-竖向位移曲线、核心混凝土纵向应力分布、钢管与核心混凝土的相互作用、约束拉杆的影响等方面讨论了带约束拉杆方形钢管混凝土短柱偏压工作机理.结果表明:有限元计算结果与试验结果吻合较好;设置约束拉杆可减小构件的横向挠曲变形,改变截面的变形模态,增强钢管对核心混凝土的约束效应,提高短柱的偏压承载力和延性;约束拉杆间距越小,短柱的延性越好,偏压承载力越大;泊松比对短柱偏压承载力具有一定影响,残余应力则对其几乎无影响.

方钢管混凝土柱-外包钢混凝土组合梁连接节点滞回性能分析

提出了一种新型的方钢管混凝土柱与外包U形钢混凝土组合梁连接节点形式:隔板贯通部分钢筋贯穿式节点。设计了3个节点试件,对其进行低周反复荷载试验,利用ANSYS软件对低周反复荷载作用下的节点试件进行非线性有限元分析并与试验结果对比。结果表明:有限元分析得到的节点破坏形态、应力分布、滞回曲线、骨架曲线与试验结果吻合较好。在此基础上,对发生梁端塑性铰破坏模式的节点滞回性能进行参数分析,研究楼板厚度、U形钢壁厚、组合梁纵向受力钢筋配筋率、贯通隔板厚度以及轴压比对节点滞回性能的影响。研究结果表明:楼板厚度和U形钢壁厚对节点滞回性能有显著的影响,组合梁纵向受力钢筋配筋率对节点滞回性能影响较为显著,贯通隔板厚度和轴压比对节点滞回性能影响很小。