装配式双槽钢拼合PEC柱受压性能试验研究

为发挥钢-混组合结构优良性能及装配式结构施工节能、质量可控的优势,满足建筑模块化、工业化发展需求,提出螺栓连接装配式双槽钢拼合部分包裹混凝土(PEC)组合柱,开展1个纯钢拼合柱、5个组合拼合柱轴心受压及偏心压弯性能试验,结合数值模拟对组合柱破坏形态、应变发展规律、变形性能和承载能力进行分析研究,揭示了螺栓间距、混凝土外伸宽度、相对偏心距大小等因素对双槽钢拼合柱受压力学性能的影响规律.研究结果表明:轴心受压双槽钢拼合柱破坏模式均为整体失稳破坏,偏心受压双槽钢拼合柱均为压弯破坏,使用钢板及螺栓能可靠连接构件,加载过程双肢未发生分离;加密螺栓间距能有效增强组合柱峰后延性,在一定间距范围内构件具较高刚度,由1000mm加至500 mm极限承载力提高4.43%;开孔钢板连接件能约束且保证混凝土与型钢协同工作,破坏阶段前混凝土与型钢未出现明显黏结分离;混凝土外伸宽度增加能提高构件稳定性能.提出考虑单肢影响的轴压承载力计算方法与基于Eurocode 4规范双槽钢拼合柱轴力-弯矩(N-M)相关曲线,理论结果与试验吻合较好,可为装配式拼合柱设计应用提供理论支撑.

PEC柱-钢梁摩擦耗能部分自复位组合框架抗震试验研究

为系统研究梁柱采用自复位连接组合框架的抗震机理,选取预拉杆长度设置、PEC柱截面强弱轴布置和柱脚连接方式3个设计参数,设计制作了4榀PEC柱-钢梁梁柱摩擦耗能部分自复位连接组合框架1∶2缩尺试件并进行拟静力抗震试验。通过试验现象观察和数据分析,对试件的滞回特性、抗侧刚度退化、复位能力、滞回耗能等抗震性能进行研究。结果表明:摩擦耗能部分自复位连接通过T形件长圆孔合理设置实现了“设计地震水平阶段实现复位,大震设计水平阶段自复位连接连接转化为伴随出现螺栓承压型受力实现部分自复位”的性能化设计目标;设计地震阶段,试件主要通过辅助摩擦耗能件耗能,且卸载残余侧移小于自复位结构侧移限值(0.3%),在大震作用阶段,试件通过辅助摩擦耗能件与结构构件损伤联合耗能,承载能力仍继续增大,且仍具有部分自复位能力;预拉杆设置有限长度可显著增强结构整体性,PEC柱弱轴布置一定程度上降低了结构整体性,而PEC柱脚采用铰接可显著削弱结构整体性。

PEC柱-型钢梁框架异型内节点的抗剪性能试验研究

由于民用建筑外观及工业建筑生产工艺要求,部分包覆钢-混凝土结构因错位、变梁变柱等会形成异型内节点.为研究该类异型内节点的抗剪性能,以柱两侧梁错位高度、单侧梁截面高度增大等为变量参数,按1∶2缩尺比例设计制作了1个常规内节点和3个异型内节点模型试件,并完成低周往复荷载试验,分析了内节点的破坏形态、滞回耗能、承载能力、延性性能等指标.试验研究结果表明:各试件滞回曲线均呈现对称饱满的梭形;等效黏滞阻尼系数在0.598~0.618,位移延性系数在3.28~4.96,表现出良好的耗能性能及变形性能;因错位、变梁形成的异型内节点与常规内节点相比,承载力分别提升约6.1%、14.0%、15.0%;位移延性系数提升了约-26.6%、11.0%、-14.1%,延性性能规律不明显,耗能能力、强度和刚度退化变化不大;对于左右梁截面尺寸相同且完全错开(即错位高度大于梁高)的Ⅰ类异型内节点,可按T形边节点进行设计;基于节点域传力机理,建立了Ⅱ类异型内节点抗剪计算模型,并提出了抗剪承载力计算公式,试验结果与理论计算结果吻合较好.

部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点抗震性能试验研究

为研究不同连接构造的部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点(PEC梁柱节点)的抗震性能,对2个PEC梁柱节点试件进行了拟静力加载试验,研究了低周往复荷载作用下PEC梁柱节点试件的破坏现象、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。结果表明:强轴连接PEC梁柱节点的滞回曲线呈梭形和弓形,在达到极限承载力后仍能保持一定的延性和耗能能力;弱轴连接PEC梁柱节点牛腿与梁间的焊缝处发生破坏,未展现出预期的耗能能力,PEC梁仍在弹塑性状态,没有达到极限状态;PEC梁柱节点核心区混凝土替换为加劲肋板后,试件仍具有较好的承载力、延性和耗能能力,刚度退化规律无明显变化,且强轴连接节点与弱轴连接节点刚度变化规律基本一致;PEC柱牛腿设计过短会导致焊缝连接处断裂,试件延性和耗能能力得不到发挥,剩余刚度较大。

焊接H型钢PEC柱-钢梁端板连接的滞回性能

为了解焊接H型钢部分包裹混凝土组合柱-钢梁端板连接的抗震性能,对6个节点试件进行循环加载试验,探讨端板厚度、柱翼缘宽厚比、加背垫板构造措施等对连接性能的影响。观察各个试件试验的破坏过程,通过实测数据分析,得到6个试件的弯矩-转角滞回曲线等试验结果。分析试件的滞回性能、极限承载力、延性、耗能能力等相关抗震性能指标。通过试验研究认为焊接H型钢部分包裹混凝土组合柱-钢梁端板连接的破坏模式有:梁翼缘和腹板屈曲并形成明显塑性铰、端板断裂、核心区柱翼缘鼓曲撕裂;端板厚度和柱翼缘宽厚比是影响节点承载力、抗震性能的关键因素,节点的抗弯承载力随着端板厚度的增大而增大,随柱翼缘宽厚比的减小而增大;端板厚度由12mm增加到18mm,试件的总耗能Wt提高了24.66%,由18mm增加到24mm,试件总耗能Wt提高了7.65%;试验中所有节点的平均有效极限转角θu大于或接近0.03rad,位移角延性系数在3.38~6.50之间。

轴心受力H型钢PEC组合柱承载能力分析

近年来国内对型钢混凝土组合结构的研究应用已经非常广泛,但就型钢混凝土部分外包组合柱的研究仍较少。为了研究H型钢混凝土组合截面部分外包组合柱(PEC组合柱)的极限承载力、稳定性及刚度,利用有限元ANSYS软件,对3组共18根构件(12根PEC组合柱,6根H型钢柱)进行单向轴心受压模拟试验,观察了试件加载后的变形情况及截面应力云图,提取数据绘制出型钢对混凝土的约束曲线。根据模拟结果分析了试件的强度承载力、稳定性承载力及刚度等力学性能。为了验证模拟的可靠性,选取1 m不同截面的两根PEC组合柱进行轴向加载试验。结果表明:PEC组合柱具有较好的变形能力;PEC组合柱的强度承载能力、稳定性及刚度比单独型钢柱均有提高;混凝土对防止型钢柱的局部屈曲起良好作用;型钢对混凝土的约束能力随型钢的高宽比的减小而增加;试验结果与模拟结果吻合较好,证实了模拟的可靠性。研究为后续的试验研究提供了合理的理论依据和参考。

冷弯薄壁C型钢PEC柱的承载能力分析

为研究冷弯薄壁带肋C型钢部分外包组合柱(PEC柱)的轴心受力性能,采用非线性有限元分析软件ABAQUS对2组14根带纵向折角肋的冷弯薄壁C型钢PEC柱进行模拟分析,通过模拟得到冷弯薄壁带肋C型钢PEC柱的破坏模式、承载能力、荷载-位移曲线和应力分布.结果表明:混凝土使冷弯薄壁C型钢的屈曲破坏得到很大程度的缓解;冷弯薄壁C型钢对混凝土的约束使混凝土强度得到充分发挥;冷弯薄壁C型钢的强度、刚度和稳定性明显提高.

约束PEC柱(绕强轴)的耐火性能及影响因素分析

利用ABAQUS有限元软件,建立了ISO-834标准升温条件下四面受火约束部分包裹混凝土(PEC)柱抗火分析有限元模型,应用已有的约束PEC柱抗火试验数据,验证了模型的合理性。应用上述模型,分析了轴向约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸等参数以及弯矩分布模式对约束PEC柱抗火性能的影响。结果表明:约束PEC柱(绕强轴)的轴向变形和轴力变化系数都呈现出先逐渐增大然后逐渐降低,最后以较大速率持续降低的趋势;截面边长和弯矩分布模式对约束PEC柱轴向变形和轴力变化系数的影响不显著;荷载偏心率对柱的轴向变形影响较小;轴向约束刚度比越小或荷载比越小,轴向变形就越大;荷载比越小或约束刚度比及荷载偏心率越大,轴力变化系数峰值就越大;3种弯矩分布模式中,均匀弯矩分布模式最不利,柱的耐火极限时间最短,而三角形弯矩分布模式与异号弯矩分布模式下PEC柱的耐火极限差别不大。

预制钢管混凝土叠合柱与PEC梁螺栓连接节点受力性能分析

为了揭示预制钢管混凝土叠合柱与预制部分包裹混凝土(PEC)梁螺栓连接节点的受力性能和破坏模式,通过ABAQUS有限元软件建立了该组合节点的有限元分析模型,考虑了材料本构关系和复杂接触问题。通过水平低周往复荷载试验验证了数值分析模型的准确性,对其破坏模式和骨架曲线进行了研究。考虑了几何参数、材料参数、荷载参数对节点力学性能的影响,揭示了多种参数对于节点性能的影响规律。结果表明,预制钢管混凝土叠合柱与预制部分包裹混凝土组合梁全螺栓节点具有良好的受力性能,柱钢材强度、柱混凝土强度、轴压比、螺栓直径及柱截面含钢率对节点的抗弯承载力影响较大;柱混凝土强度、轴压比及柱截面含钢率对节点的初始刚度影响较大。研究结果将为此类节点的分析与设计提供科学依据。

BRS板耗能部分自复位连接PEC柱(强轴)-钢梁组合框架层间抗震机理模拟分析

为了研究BRS板耗能部分自复位连接新型PEC柱-钢梁组合框架结构层间抗震机理,以试验试件为基本试件,考虑T形件螺栓连接方式、T形件前排螺栓长圆孔长度和预拉杆预应力值3个设计参数,衍生设计了4个模型试件,并采用ABAQUS有限元软件对其进行了低周往复荷载下抗震机理的数值模拟。根据模拟结果,得到了试件多条滞回曲线和相应应力云图,对试件承载能力、自复位功效、耗能能力和部分自复位连接传力机理进行了分析。研究结果表明:BRS耗能板T形件与PEC柱设置单边螺栓连接,T形件翼缘的面外翘曲明显,相应延缓了BRS板的耗能发展进程; T形件前排螺栓长圆孔长度取值决定BRS耗能板的耗能能力的发挥和实现连接转化承压型模式的设计预定目标;预拉杆预应力增大使得结构的残余变形减小,具有良好的自复位功效;所有试件在加载超过框架结构设防烈度地震层间侧移角限值0.02 rad时,试件层间侧移角与连接转角残余值均基本满足自复位结构残余侧移角限值0.005 rad的要求,试件具有良好的自复位功效和抗倒塌性能。

焊接H形钢PEC短柱弱轴偏心受压性能研究

为了研究PEC(partially encased concrete)组合短柱(弱轴)偏心受压的破坏模式、破坏特点和极限承载性能,将翼缘宽厚比、混凝土强度和荷载作用点作为参数,对PEC结构的焊接H型钢短柱做有关弱轴的研究,包括偏心试验和模拟分析。试验和模拟表明,PEC结构的焊接H型钢短柱(弱轴)失效特征为柱内混凝土受压区局部粉碎,受拉区开裂,横向系杆间柱翼缘局部向外凸曲,核心混凝土受横向系杆、翼缘及腹板的共同约束,达到最大承载力后试件仍具有牢靠的承载力,且变形良好。当翼缘宽度不变时。翼缘宽厚比降低致使PEC柱的最大承载力增加。相反,负载偏心距的增加导致结构最大承载力降低。Q235钢搭配C30或C40混凝土时,随混凝土强度增加,翼缘宽厚比较大的试件承载力明显提升;Q235钢与C50混凝土相配度不高,建议采用C30或C40混凝土。

部分外包组合PEC柱强、弱轴滞回性能破坏模式研究分析

通过研究部分外包组合PEC柱在低轴循环荷载试验下,按强、弱轴加载的2种布置方式的不同破坏模式及其特点。结果表明:强轴PEC柱的破坏是以钢板的屈曲破坏来控制,弱轴PEC柱的破坏是以混凝土的压溃破坏来控制。研究进一步丰富了PEC柱研究成果,为PEC柱应用于实际工程提供了一定的依据。

部分包覆钢-混凝土组合结构设计方法及实践

介绍了一栋全预制装配式钢-混凝土组合结构多层办公楼的结构设计,主体结构采用了部分包覆钢-混凝土组合框架柱(PEC柱)与钢蜂窝梁组成的组合框架结构,楼板采用预制的局部叠合板。部分包覆钢-混凝土组合结构是一种性能优越的全装配式结构,体系新颖、性能良好、连接可靠、拼接方便、经济合理。PEC柱能充分发挥钢材和混凝土的优势,与纯钢结构相比,可以节省资金约30%,有良好的经济效益和社会效应。蜂窝梁通过实腹钢梁经二次加工组合而成,提高了刚度,在第一个孔周边加强后,能节约钢材用量20%以上,有良好的经济效益,且蜂窝孔洞中适宜设备管线穿越,可提高净空,便于设备管线安装、集成,实现设备管线与主体结构的脱离,符合装配式设备的要求。文章阐述了该结构体系特点、设计方法、注意事项等,可为国家相应标准的编制提供依据,也可为类似结构的设计提供参考。

十字形部分包覆钢-混凝土组合柱轴压性能数值分析与承载力计算方法

为研究十字形部分包覆钢-混凝土组合柱(PEC柱)轴向荷载作用下的受力性能,通过有限元软件ABAQUS建立了足尺十字形PEC柱模型,并利用已有的试验数据验证了其可靠性;在此基础上,进行了典型十字形PEC柱轴压全过程受力分析,揭示了其在轴压作用下的受力机理和破坏模式,并对该构件进行了受力性能参数分析,系统分析了含钢率、截面高宽比、钢材强度、混凝土强度、系杆间距和截面面积等参数对其轴压性能的影响规律。研究结果表明:十字形PEC柱受力性能良好,其破坏模式主要表现为柱中部混凝土被压碎,钢筋骨架向外发生鼓曲,横向系杆间的型钢翼缘发生波纹状的局部屈曲;极限轴压承载力随截面含钢率、钢材强度、混凝土强度和截面面积的提高而增大,但截面高宽比和系杆间距等对其承载能力影响不大。最后,考虑混凝土约束效应分区,提出了十字形PEC柱轴压承载力简化计算方法,计算结果与有限元模拟结果吻合较好。研究结果将为十字形PEC柱的设计和应用提供参考。

轴心受压部分包裹混凝土十字形组合柱耐火性能研究

部分包裹混凝土异形组合柱可避免室内凸柱问题的出现,但由于型钢翼缘外露和截面形状系数大,其抗火性能较差。为考察常用的十字形部分包裹混凝土组合(PEC)柱的耐火性能,采用ABAQUS有限元分析软件建立了轴压下十字形PEC柱的温度场及热力学分析模型。在已有相关试验数据验证模型可靠性的基础上,分析了十字形PEC柱的升温过程、受力机理和破坏模式,并与矩形PEC柱进行对比。之后详细研究了荷载比、长细比、截面尺寸和受火方式等对轴压下十字形PEC柱耐火性能的影响规律。结果表明:相比于矩形PEC柱,十字形PEC柱升温速度更快,耐火性能更差;十字形PEC柱耐火极限随荷载比、长细比的增加而显著降低,随截面尺寸的增大而显著提高;型钢翼缘受火对十字形PEC柱耐火极限的影响远大于混凝土表面受火的影响,但型钢翼缘不受火时,十字形PEC柱的耐火极限随混凝土受火面积的增大基本呈线性降低。基于参数分析给出了四周受火十字形PEC柱耐火极限的简化计算方法,计算结果与模拟结果吻合良好。研究结果可为异形PEC构件的抗火设计提供依据。

新型卷边PEC柱BRS板耗能部分自复位连接——钢梁组合框架层间抗震性能分析

为了研究新型卷边PEC柱BRS板部分自复位连接组合框架结构层间抗震机理,以试件T形件上下翼缘均固定于PEC柱为基本试件,考虑BRS板宽度、预拉杆尺寸和竖向力3个设计参数,设计另3个对比模型试件,并采用ABAQUS有限元软件对其施加低周往复荷载以模拟其抗震机理。通过模拟结果及数据分析,得到各试件往复荷载下的滞回曲线、残余位移曲线、耗能曲线及应力云图,对试件承载能力、自复位功效、耗能能力和部分自复位连接传力机理进行了分析。研究结果显示:BRS板宽度的增大有效加强结构耗能功效,却相应减弱结构自复位性能;预拉杆长度的增加促使结构残余变形增大,削弱了结构自复位功效;竖向力的设置能够有效降低结构侧移小于0.02 rad下残余变形,结构侧移超过0.02 rad,竖向力加剧结构残余位移,降低结构自复位性能;所有试件在加载超过框架结构中震层间侧移角限值0.02 rad,试件层间侧移角与连接转角残余值均基本满足自复位结构残余侧移角限值0.005 rad的要求,试件具有良好的自复位功效和抗倒塌性能。

部分包覆蜂窝钢-混凝土组合柱轴心受压数值分析

部分包覆蜂窝钢-混凝土组合柱是将传统的部分包覆钢-混凝土组合柱和蜂窝钢柱结合起来的一种新型结构构件形式,目前国内外相关研究较少。利用ABAQUS有限元软件建立模型,对PEC蜂窝柱进行参数化分析,研究不同参数下其轴压性能的差异。研究结果表明:PEC蜂窝柱的极限承载力受主钢件截面扩高比、翼缘宽厚比及混凝土强度的影响较大,受纵筋配筋率、连杆配置及孔洞形式的影响较小;PEC蜂窝柱中的混凝土强度等级建议选择常用的C30、C40;PEC蜂窝柱在孔洞形式为圆形时承载力最高,方形最差。

不同系杆形式的部分组合钢-混凝土受弯构件试验研究

针对现行部分组合钢-混凝土构件中系杆易于脱落的问题,提出两种系杆改进形式,设计了4根梁试件进行试验研究,考察纯弯与剪弯受力状态下梁的性能表现。试验结果表明:X型与C型系杆均能较好地拉结受压翼缘,受压翼缘在弹性段内没有屈曲;采用了这两种系杆的试件承载能力基本一致;与C型系杆相比,X型系杆对混凝土的约束作用更强,混凝土整体性更好,并且能抑制斜裂缝;纯弯试件与剪弯试件破坏部位的现象主要以混凝土的压溃、受压翼缘屈曲为主,剪弯试件破坏部位还观察到了受拉翼缘的开裂。此外,按照边缘屈服和全截面塑性假定计算得到的试件抗弯承载力小于试验实测值,用其来估计类似截面的承载能力是可行的。

部分包裹混凝土偏心受压短柱受力性能试验研究

为了合理地建立部分包裹混凝土偏心受压柱的强度计算方法,对8根部分包裹混凝土偏心受压短柱的受力性能进行了试验研究.试验在5000 kN试验机上进行,主要测量了型钢、箍筋和混凝土的纵向应变,试件的裂缝发展过程,试件跨中的荷载-挠度曲线及试件的极限承载力.试件的主要参数为含钢率、荷载作用的偏心距和配箍率.试验结果表明,随着初始偏心距的增大,偏心受压柱的承载力降低;随着含钢率和配箍率的提高,偏心受压柱的承载能力提高有限.含钢率和配箍率是影响柱子延性的主要因素.

部分包裹混凝土复合柱的轴心受压性能

通过9个部分包裹混凝土组合短柱轴心受压性能的试验,对这种组合短柱的破坏模式和影响其极限承载力的因素进行了研究.试验设计分别考虑了含钢率、钢系杆间距对构件性能的影响.试件截面尺寸为200 mm×200 mm,长度均为800 mm,钢系杆直径取为10 mm.研究结果表明,这种组合短柱的破坏模式是翼缘局部屈曲,混凝土被压碎.横向系杆的设置加强了对混凝土的约束,系杆间距越小越能提高柱子的延性,但是在达到极限荷载之前,系杆应力并未达到屈服.基于试验研究结果,建立了轴压短柱承载力计算公式,可以用来预估组合柱的极限承载力.