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.

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。

钢管混凝土键连接框架梁和剪力墙的受剪性能

目的 研究钢管混凝土键连接框架梁和剪力墙的受剪性能,为工程应用提供设计依据。方法 应用有限元分析软件ABAQUS对比钢管混凝土键连接与现浇连接梁墙的结构受剪性能,分析前者受剪机理及不同因素对受剪性能的影响。结果 钢管混凝土键连接梁墙的结构承载力和延性系数较现浇结构分别提高约10%和34%;钢材强度从Q235到Q390,初始刚度增加8.44%;截面高度从100 mm到120 mm,延性系数提高17.73%;截面厚度每增加2 mm,承载力提高约15%;截面长度和混凝土强度等级对承载力、初始刚度和延性系数的影响均小于15%,纵向距离对其受剪性能几乎无影响。结论 采用钢管混凝土键连接梁墙的结构总体受剪性能优于现浇结构;钢材强度和截面厚度分别是影响初始刚度和承载力的主要因素。

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。

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.

超高层建筑结构体系契合性研究

为了研究超高层建筑外型与建筑功能对结构选型的影响,以两栋低烈度区约400m高的超高层建筑为案例,简要介绍了两个案例的建筑造型、使用功能、构件布置、荷载条件等基本情况;同时,对比了水平荷载作用下,两案例的主要计算结果;最后,将两案例的造价与同地区相似高度建筑的造价进行了对比。结果表明:两案例既满足了建筑使用和立面美观的要求,又满足了结构受力和整体稳定安全的要求,同时均比国内高度相近的超高层建筑具有更好的经济性。说明契合建筑外观与使用功能是结构布置合理性的根本,两者和谐结合方能实现综合最优。

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。

广州白云国际会议中心国际会堂结构设计和施工重难点

采用YJK和ETABS对广州白云国际会议中心国际会堂结构进行弹性分析,采用Perform-3D进行罕遇地震作用下的整体结构弹塑性动力分析,并通过采取针对性的加强措施,改善了结构受力,提高了结构抗震性能,达到了预设的抗震性能目标。对大跨度钢结构构件进行方案选型,提出了大跨度钢结构桁架局部构件后装施工控制法和大悬挑钢结构桁架构件局部弯矩释放法,可以有效地减小结构构件局部受力,更加经济合理。对主会场大跨度楼盖进行竖向舒适度分析,结果表明竖向振动加速度满足规范要求,人群激励模式起控制性作用。通过采用合理的结构方案,以及与建筑专业的密切配合,很好地实现了建筑功能及建筑造型,以及项目快速建造的要求。

隔板贯通式方钢管混凝土柱-钢蜂窝梁节点抗震性能

目的 研究隔板贯通式方钢管混凝土柱-钢蜂窝梁(DTSCFSTC-SCB)节点的抗震性能,为工程应用提供设计依据。方法 应用有限元分析软件ABAQUS对比DTSCFSTC-SCB节点与隔板贯通式方钢管混凝土柱-钢梁(DTSCFSTC-SB)节点的抗震性能,分析不同参数对其抗震性能的影响。结果 DTSCFSTC-SCB节点的承载力较DTSCFSTC-SB节点的承载力降低10%,延性系数提高6.8%;钢材强度、梁柱线刚度比对其抗震性能影响较大(25%~138%);隔板内(外)伸宽度仅在一定范围内对其延性影响较明显(13%~18%),隔板厚度仅在一定范围内对其承载力影响较明显(7%~8%),开孔率对其最大承载力、耗能能力影响较明显(4%~12%);轴压比、混凝土强度等级、含钢率、孔间距、孔壁距离对其抗震性能影响很小(1%~5%)。结论 该节点具有工程可行性,钢材强度、梁柱线刚度比是影响其抗震性能的主要因素。

宽厚比对足尺方钢管混凝土短柱抗震性能影响的试验研究

开展了6个横截面宽度为800 mm的方钢管混凝土(concrete filled steel tubular,CFST)短柱在恒定轴力和水平往复荷载作用下的加载试验,分析了钢管约束作用(宽厚比B/t=50,B/t=80和B/t=100)对足尺短柱破坏形态、滞回性能、延性性能、刚度退化和耗能能力等抗震性能的影响规律。结果表明:(1)该试验中,所有足尺方钢管混凝土短柱均发生压弯破坏,即在柱底部出现钢管环状鼓曲、核心混凝土压碎行为;(2)方钢管混凝土柱的延性能力随着宽厚比的减少(约束作用提升)并无明显改变,且足尺柱的延性能力明显低于已有试验中的小尺寸柱;(3)宽厚比对足尺方钢管混凝土柱的刚度退化和等效黏滞阻尼系数影响不大;但柱的总耗能随宽厚比的减小而增大;(4)随着宽厚比的减小,钢管约束效应提升,柱压弯承载力有所提高,但提高的幅度明显小于相关规范值。另外,与现有中国、美国、欧洲等设计规范计算结果对比发现,中国规范和欧洲规范的计算结果偏大,美国规范计算结果则较为保守。

基于强健性的大跨径钢管混凝土刚架系杆拱桥设计

为提高中、下承式大跨径钢管混凝土刚架系杆拱桥的强健性,提出一套针对该类桥型的基于强健性的设计方法。该方法包括强健性概念设计、强健性结构验算与优化、强健性构造措施三个方面。强健性概念设计可依据现行规范进行;强健性结构验算与优化考虑动力放大系数,对吊杆、系杆破断工况进行受力分析验算,并对结构进行优化;强健性构造措施为在设计使用寿命短于主结构的关键、易损构件时,采取可查可换的构造措施。以六律邕江特大桥为工程实例,采用该方法进行强健性设计,结果表明该桥结构受力满足设计要求;为改善桥面系的强健性,宜设置较强的边纵梁、较弱的次边纵梁和中纵梁;吊杆和系杆采用便于更换的构造,确保桥梁安全。该强健性设计方法可对桥梁关键构件进行强健性定量评价,应用效果良好。

水平力作用下部分填充方钢管混凝土柱的最优填充率分析

在钢管内部分填充混凝土形成的部分填充钢管混凝土柱能提升钢管柱的强度、刚度和抗震性能,适用于桥墩柱和框架中下部柱子。基于验证的精细化有限元分析模型,对部分填充方钢管混凝土柱在轴压和水平荷载共同作用下的受力性能进行了参数分析,主要分析了轴压比(0.1~0.6)、钢管宽厚比(20~50)、钢材强度(Q235~Q690)、混凝土强度(C20~C60)、截面宽度(200~600 mm)和柱子高宽比(4~16)的影响。结果表明:填充率会影响部分填充钢管混凝土柱的破坏模式,随填充率增大,柱子破坏模式从钢管截面破坏转变为柱底部钢管混凝土截面破坏,柱子的强度和刚度提高;混凝土填充率增加到一定程度后柱底钢管混凝土截面形成塑性铰,此时达到最优填充率,继续增加填充率,柱子的强度及延性基本不变;轴压比、宽厚比、钢材强度、混凝土强度、截面宽度和高宽比对最优填充率的影响呈现出规律性变化;建立了部分填充方钢管混凝土柱在轴力和水平力作用下的简化力学模型并提出了其最优填充率的计算方法。

T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究

为研究T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁组合框架的抗震性能,设计了一榀由T型件与单边螺栓相连的1:2缩尺的组合框架,并通过拟静力加载试验对框架的承载能力、滞回性能、刚度退化、耗能能力和延性性能进行了分析,并与一榀T型件单边螺栓连接方钢管柱-钢梁框架进行了对比分析,结果表明:两试件滞回曲线均较为饱满,无明显捏缩,方钢管混凝土柱-钢梁组合框架要比方钢管柱-钢梁框架的承载力高,且初始刚度要高出19%,但其耗能能力和延性均有所降低,两试件加载后期承载力下降均较缓慢,且水平位移达到了层间位移角1/30,表明两试件均具有良好的抗震性。

基于拟满内力遗传算法的方钢管混凝土桁架结构拓扑优化

为了解决方钢管混凝土桁架结构离散变量拓扑优化问题,通过遗传算法随机生成初始拓扑构形,采用启发式算法检查并修正拓扑构形;以方钢钢管截面型号、拓扑变量、混凝土强度等级为优化变量,以结构造价最低为优化目标,建立基于独立拓扑变量的拓扑优化数学模型,提出一种基于拟满内力遗传算法的方钢管混凝土桁架结构拓扑优化方法;拟满内力遗传算法初始总群中部分个体由拟满内力算法的优化解产生,并且将拟满内力算法作为算子加到遗传操作后运行;同时对传统遗传算法的罚函数进行改进,提高遗传算法运行效率;通过算例对12杆桁架结构优化前、后模型及拓扑优化结果进行对比。结果表明:相对于拟满内力算法与遗传算法,所提出的方法应用于方钢管混凝土桁架结构拓扑优化总造价更低;拓扑优化后的结构杆件较少,并且各杆件均已充分发挥承载能力,拓扑优化效果明显改善。

内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能研究

为探究约束拉杆对横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能的影响,采用有限元软件ABAQUS数值仿真模拟和轴压试验分析了内置横向拉杆的横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的轴压性能,通过对比分析了内置横向拉杆的数量对横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的荷载-轴向应变曲线、延性、屈服荷载以及核心混凝土约束效应的影响规律。研究表明,内置横向拉杆能够增强对核心混凝土的约束效应,提高横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的轴压承载力和延性。

双向偏压方钢管混凝土柱三面受火耐火性能有限元分析

目的 研究双向偏压方钢管混凝土柱在三面受火作用下的耐火性能,为该类型结构的工程应用提供理论依据。方法 采用ABAQUS软件建立双向偏压方钢管混凝土柱三面受火的热学分析模型与力学分析模型,分析其受力机理及常见参数对其耐火极限的影响。结果 荷载偏心角、荷载比、长细比、截面边长和偏心率是影响构件耐火极限的主要参数,荷载偏心角越大,荷载比越大,长细比越大,截面边长越小,其耐火极限越小。偏心率在0~0.3区间存在明显的极强中心,其耐火极限最大,可比轴压时提高80%以上。结论 在参数分析范围内,提出的耐火极限简化计算公式与有限元计算结果吻合较好。

基于抗震性能的方钢管混凝土柱端加劲肋构造比较与计算

通过构造措施优化方钢管混凝土柱端部加劲肋设计,提高柱抗震性能,是保证工程服役能力的重要方法。本文建立了端部设置不同加劲肋形式的方钢管混凝土柱有限元模型,通过试验验证了有限元模型的可靠性。利用验证后的模型分析加劲肋的形式、高度、宽度对柱体抗震性能的影响,提出柱端设肋试件的水平承载力计算方法。研究结果表明:柱端设肋试件的破坏形态,随着加劲肋高度的增加由肋顶截面破坏转为柱底破坏;在柱端设肋能有效提高试件的承载力和延性;双肋和斜肋对试件承载力的提升相差不大且明显强于单肋;单肋对钢材的利用率依次高于斜肋、双肋;随着加劲肋高度和宽度的增加,试件的极限承载力和延性显著提高;水平承载力计算结果与有限元模拟结果、试验结果吻合较好,达到量化控制水平承载力的目的。

方钢管再生混凝土框架-再生空心砌块填充墙抗震性能试验研究

为研究方钢管再生混凝土框架-再生空心砌块填充墙的抗震性能,以有无填充墙为变化参数,进行了2榀框架试件的低周反复加载试验。结果表明:方钢管再生混凝土框架破坏过程为RAC梁破坏→柱脚鼓曲,增设填充墙后,其破坏过程为填充墙破坏→RAC梁破坏→柱脚鼓曲。方钢管再生混凝土框架-再生砌块填充墙试件滞回曲线呈饱满梭形,其在受力过程中经历了弹性、弹塑性及破坏阶段。方钢管再生混凝土框架-再生砌块填充墙试件可满足结构正常使用阶段的变形要求,并具有良好的抗倒塌能力。相较于无填充墙试件,有填充墙试件在正、负向的承载能力分别提升了9.0%与-7.8%,在正、负向的延性系数分别提升了15.6%与35.7%。墙体存在可将框架初始刚度提升1.06倍,但对其残余刚度影响不大。墙体破坏前,其存在可提升框架耗能性能;墙体破坏后,其存在反而会抑制框架耗能性能。