中空夹层钢管混凝土构件轴压性能有限元分析

为探明中空夹层钢管混凝土(CFDST)构件轴压性能的影响因素,在已有钢管混凝土柱轴压试验基础上,构建数值分析模型,开展长径比、空心率、内钢管壁厚、夹层混凝土抗压强度等参数对中空夹层钢管混凝土构件轴压性能的影响规律的研究。研究结果表明:研究参数范围内,轴压极限承载力随内钢管壁厚、夹层混凝土强度的增大,空心率、长径比的减小而增大。内钢管壁厚增大1 mm,轴压极限承载力提高2.9%~3.7%,承载力增长系数增大约0.7%;混凝土强度从C40增加到C90,圆截面试件轴压承载力增大了68%;方截面试件轴压承载力增大了53%;空心率每增大0.1,轴压极限承载力降低3.4%~8.7%,承载力增长系数减小约5%;圆截面试件长径比从2.2增大到7.2,承载力下降了3%。方截面试件长径比从2.2增大到5.7,承载力下降10%。长径比对构件的极限承载力影响,明显低于空心率、内钢管壁厚和内填混凝土强度对构件极限承载力的影响程度。随着试件长径比的增加,试件承载力峰值有所下降,但其承载力达到峰值时的位移量不断增大,表明构件延性有所提高。随内填混凝土强度的提高,试件的承载力峰值和达到峰值时的位移都有所提高,说明增大内填混凝土强度在提高钢管混凝土承载力的同时还能改善试件的延性性能。

风电混合塔筒中空夹层钢管混凝土转接结构轴压性能试验研究

在风电机组预应力钢-混凝土混合结构塔筒中,转接结构是用于连接上部钢塔段与下部混凝土塔段的过渡结构,其受力复杂,采用传统的钢筋混凝土结构形式容易产生裂缝甚至发生破坏。提出了一种中空夹层钢管混凝土转接结构,并进行了4个中空夹层钢管混凝土转接结构试件及1个钢筋混凝土转接结构对比试件的轴压试验。结合有限元及理论分析揭示了中空夹层钢管混凝土转接结构的承载能力及隔板、栓钉等因素对其受力性能的影响。结果表明:在相同用钢量下,中空夹层钢管混凝土结构形式显著提高了转接结构的承载能力及变形能力;隔板和栓钉的设置增强了钢与混凝土的连接,限制了内外钢板的局部屈曲、延缓了混凝土的压溃,进一步提升了结构的轴压受力性能;其中,栓钉对于增强结构整体性更为有利,使结构延性增加更为显著。

方中空夹层钢管混凝土叠合长柱轴压性能

目的 基于方中空夹层钢管混凝土叠合长柱轴压性能有限元分析,阐述轴压长柱受力状态,提出轴压承载力计算方法。方法 建立并验证方中空夹层钢管混凝土叠合长柱有限元模型,定义荷载-变形曲线上6个力学特征点,分析不同特征点处柱中部截面应力分布。研究材料强度、配筋率、空心率、截面径宽比、钢管径厚比及长细比等因素对叠合长柱轴压性能的影响。运用叠加法和折减法计算长柱轴压稳定承载力。结果 方中空夹层钢管混凝土叠合长柱力学性能良好,轴压性能受外钢管径厚比、外部混凝土强度以及长细比影响显著;综合叠加法与折减法计算的叠合长柱轴压承载力与有限元计算结果之比的平均值和标准差分别为1.013和0.038。结论 方中空夹层钢管混凝土叠合长柱具有较好的轴压性能,基于叠加与折减理论提出的计算公式可较好地计算其轴压承载力。

带肋中空夹层钢管自密实混凝土轴压性能研究

设计5类带肋中空夹层钢管自密实混凝土结构以满足此类钢-混凝土组合结构运用于类似风电塔架等高耸结构的要求。对设计的5类结构试件进行轴压试验,研究了试件在试验过程中的变形情况、破坏形式、荷载与应变关系和肋板布置方式对试件承载力的影响;验证有限元计算模型有效性之后,对试件在全过程受荷中的刚度变化,延性特性和内、外钢管的工作机理进行研究分析。最后提出综合性能评价标准衡量5类试件在非线性工作阶段的受力性能。通过这一系列的研究表明,在钢管中焊接与试件相同高度的通长肋板对试件包括承载力在内的各方面受力性能有显著的提高,而在钢管中焊接分层肋板对试件除了延性性能之外的各方面受力性能都有不同程度的降低。

新型钢管混凝土结构的力学性能与设计理论研究 第十三届全国结构工程学术会议特邀报告

近年来作者对薄壁钢管混凝土、钢管高性能混凝土和中空夹层钢管混凝土等新型钢管混凝土结构进行了研究,并取得初步成果.本文拟在简要归纳和总结这些研究成果的基础上.提出这些新型钢管混凝土结构设计计算的特点和方法,以期为有关工程实践提供参考。

装配式复式钢管混凝土框架-梁端连接钢板剪力墙抗震性能试验研究

提出装配式复式钢管混凝土框架-梁端连接钢板剪力墙新型结构体系,包含装配式梁柱连接、装配式柱柱拼接和装配式框架-剪力墙连接技术方案,可实现结构体系的全螺栓装配式连接。为研究所提装配式体系的抗震性能,开展3榀1:2缩尺模型拟静力试验,得到各试件的破坏模式、滞回曲线、位移延性等性能参数。发现3个模型均表现出良好抗震性能,最大层间位移角均超过4%,位移延性系数均超过4。框架-梁端连接钢板剪力墙(BSW)的破坏过程为:BSW屈曲后形成明显的"拉力带",随后BSW在与框架的连接处发生撕裂,最后框架在梁柱节点和柱底区域形成塑性铰。试验结果表明:BSW先于框架发生破坏,可为框架提供第一道抗震防线,框架则为第二道;BSW可有效提高框架结构的承载力、刚度和延性,且提高的幅度与BSW的个数呈近似线性关系;所提BSW与框架的装配式连接可靠,可保证BSW与框架在整个加载过程中的协同工作能力,进而促使BSW的性能得以充分发挥。系列试验结果为所提新型装配式复式钢管混凝土框架-梁端连接钢板剪力墙结构体系的抗震设计提供依据。

中空夹层钢管混凝土K型搭接节点滞回性能

针对K型搭接节点隐藏焊缝不焊接承载力较低的问题,按主圆支圆、主方支圆2种节点形式设计了6个中空夹层钢管混凝土加强型K型搭接节点,对其进行低周往复加载试验。应用ANSYS软件对试验试件进行模拟,得到了节点的破坏模式、荷载-位移关系、应力分布规律,对节点的承载力、延性、耗能、刚度退化等抗震指标进行分析。结果表明:主管夹层灌混凝土提高了节点刚度、承载力及耗能能力,主管夹层灌普通混凝土和粉煤灰混凝土对节点的加强效果基本相同;未加强节点的应力主要集中在节点域主管表面,破坏模式为主管表面塑性破坏,加强节点的应力主要集中在支管,以支管拉裂破坏为主,主管无明显变形。模拟结果与试验结果吻合较好。

近爆作用下中空夹层超高性能钢管混凝土柱的抗爆性能

为研究中空夹层超高性能钢管混凝土(Ultra-high performance concrete-filled double skin steel tubes,UHPCFDST)柱在近爆载荷作用下的抗爆性能,建立了TNT炸药-UHPCFDST柱-空气三维有限元模型,采用ALE多物质流固耦合算法分析了UHPCFDST柱在近爆作用下的损伤机理、能量吸收特性和影响参数,计算结果表明:UHPCFDST柱在近爆作用下的典型破坏模式为钢管的塑性变形和混凝土芯柱的凹陷破坏,且混凝土芯柱的损伤过程可以分为3个阶段;与填充普通混凝土柱相比,UHPCFDST柱具有优异的抗爆性能;在一定范围内,减小截面空心率可以有效提升UHPCFDST柱的抗爆性能;增加内外钢管厚度均可提升UHPCFDST柱的抗爆性能,但增加外层钢管厚度时提升效果更显著;有无轴压对UHPCFDST柱的变形有较大影响,在一定范围内增加轴压比有利于抵抗整体变形,但同时局部变形增大,当轴压比较大时,UHPCFDST柱在近爆载荷和轴向载荷作用下失去承载能力。

钢-混凝土组合结构构件工作性能的研究进展

钢-混凝土组合结构构件具有承载力高、塑性韧性好、抗火性能优于钢结构等诸多优点.为了研究其构件的力学性能和工作机理,对钢管混凝土构件、型钢-钢管混凝土构件、钢管混凝土叠合构件、中空夹层钢管混凝土构件工作性能的研究现状进行了总结,对钢-混凝土组合结构构件的研究方向进行了展望.

CFDST组合截面结构柱的抗火设计分析

基于钢管和混凝土的不同热工性能以及热传导的边界条件,采用有限单元法,建立CFDST柱截面二维计算模型,得出各节点在某一时刻的温度。根据高温下的钢材和混凝土本构关系,计算出不同温度下钢材和混凝土的应力,利用叠加原理求出CFDST组合结构柱的截面内力。结果表明CFDST组合结构柱外层钢管温度增长率高于混凝土和内层钢管的温度增长率;CFDST组合结构具有良好的耐火性能,主要影响因素包括构件长细比、内外层钢管强度、混凝土强度等级及空心率。

圆端形不锈钢管混凝土桥墩抗震性能试验研究

以外钢管材质、加载方向及中空夹层截面为变化参数,进行了4个圆端形不锈钢管(concrete-filled round-ended stainless steel tubular,CFRST)和2个圆端形普通钢管(concretefilled round-ended carbon steel tubular,CFRT)混凝土桥墩试件的往复加载拟静力试验.分析了试件的破坏形态、滞回性能、骨架曲线、延性系数及耗能等.试验结果表明:圆端形不锈钢管混凝土桥墩试件的破坏形态均为墩底外钢管的鼓曲及底部混凝土的局部压溃,各试件的滞回曲线较为饱满,无明显捏拢现象,耗能能力及延性均较好;与圆端形钢管混凝土桥墩试件相比,圆端形不锈钢管混凝土桥墩试件的峰值荷载及初始刚度基本不变,但延性及耗能能力增加,刚度退化程度减小;与圆端形实心不锈钢管混凝土桥墩试件相比,圆端形中空夹层不锈钢管混凝土桥墩试件沿强轴加载时峰值荷载、初始刚度、延性及耗能能力均增加,而沿弱轴加载时由于内钢管平直段发生向内凹曲,其峰值荷载及初始刚度虽仍有增加,但延性及耗能能力略有降低.给出了此类桥墩水平承载力的计算方法,计算结果与拟静力试验结果吻合较好.

中空夹层钢管混凝土刚性双层法兰受弯性能试验研究

中空夹层钢管混凝土输电杆塔的连接节点采用新型内外双层法兰形式。针对该法兰的抗弯性能问题,设计并实施纯弯承载力试验。通过加载试验,对法兰钢管及肋板上的应变随荷载变化的情况进行分析,两者给出较为一致的法兰截面的中和轴位置。通过研究法兰螺栓应变,揭示法兰内、外螺栓内力分布规律。试验结果表明,中和轴和旋转轴位置随弯矩变化,并且若将中和轴视为旋转轴进行计算会导致计算得出的承载力偏小。

多次侧向冲击下双层钢管混凝土结构的响应分析

利用落锤试验研究了双层钢管混凝土组合结构在多次侧向冲击作用下的抗冲击性能,分析了该组合结构在侧向冲击下的变形机理,并获取了双层钢管混凝土试件在历次冲击过程中的冲击力时程曲线以及历次冲击后的整体变形和凹陷变形数据。试验数据表明:外层钢管及其厚度对该组合结构的抗冲击能力和整体弯曲变形的大小有显著影响;混凝土层有效限制了结构的凹陷变形。相比于传统的空钢管,双层钢管混凝土结构在多次冲击荷载作用下显示了良好的抗冲击性能——更小的整体和凹陷变形,以及较高的吸能能力。

方形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能数值模拟与实验验证

建立了爆炸荷载作用下方形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土(Ultra-High Performance Steel Fiber Reinforced Concrete Filled Double Skin Steel Tube,UHPSFRCFDST)柱动态响应及其损伤破坏三维有限元数值模型。首先通过模拟结果与爆炸破坏试验结果的对比分析,验证了数值模型和计算方法的有效性。进而运用参数化分析方法,研究了空心率、含钢率、内、外层钢管厚度及其强度等关键参数对UHPSFRCFDST柱抗爆性能的影响。研究结果表明,UHPSFRCFDST柱具有优越的抗爆性能,所建立的三维有限元模型能够有效地分析UHPSFRCFDST柱在爆炸荷载作用下的动态响应及其损伤破坏;在一定范围内减小空心率及提高外层钢管强度可有效提升UHPSFRCFDST柱抗爆性能;提高含钢率、减小内、外层钢管高厚比均能够显著提升UHPSFRCDST柱抗爆性能;内层钢管强度对UHPSFRCFDST柱的抗爆性能影响并不明显。

方中空夹层钢管混凝土构件压扭性能试验研究

为研究方中空夹层钢管混凝土构件在压扭共同作用下的力学性能,以截面尺寸及轴压比为参数,对12根中空夹层钢管混凝土进行压扭静力试验,同时建立有限元模型分析材料强度及长细比对构件承载力的影响。结果表明:当轴压比较小(n<0.5)时,轴压比对抗扭承载力影响不大,进入塑性阶段后,扭矩-转角曲线出现明显的屈服平台,且承载力仍有小幅度的上升,构件具有良好的延性。当轴压比较大(n>0.5)时,抗扭承载力随轴压比的增大而明显减小,当n=0.6时,抗扭承载力已减小为纯扭时抗扭承载力的70%,进入塑性阶段后,承载力急剧下降,构件延性较差,呈现出完全不同的破坏模式。此外,外钢管强度对构件抗扭承载力影响较大,混凝土强度对构件承载力影响较小。抗扭刚度随长细比的增大而明显降低,但承载力受长细比的影响并不明显。

局部腐蚀方中空夹层钢管混凝土偏压性能研究

为研究局部腐蚀方中空夹层钢管混凝土偏压性能,以长细比、腐蚀率、荷载偏心率及蚀坑位置为参数,建立19个数值分析模型,分析了长细比、腐蚀率及荷载偏心率对该类构件承载力的影响及蚀坑位置的不同对变形模态的影响。结果表明:承载力与弹性范围内刚度均随着荷载偏心率、长细比、腐蚀率的增加而降低,其中荷载偏心率对承载力的影响最大。提出了临界腐蚀率的概念,当腐蚀率大于临界腐蚀率时,最大挠度出现在蚀坑而不是跨中,并得出临界腐蚀率与外钢管厚度的关系呈二次函数关系,与钢材强度的关系呈线性关系。受力全过程中蚀坑区域夹层混凝土纵向应力较其他位置明显增大,且进入塑性后出现明显的横向扩张,其他部位则仍处于弹性阶段。最终建议了局部腐蚀下方中空夹层钢管混凝土偏压承载力计算公式。

带钢管混凝土端柱的装配式双面叠合剪力墙抗震性能研究

带钢管混凝土端柱的装配式双面叠合剪力墙(简称PDSWEC墙)是一种新型装配式结构抗侧力构件,具有预制构件自重轻、可全装配化施工等优点。为研究PDSWEC墙的抗震性能,通过对照试验现象,标定数值模拟参数,并基于有限元数值模拟的结果,根据2组共6个试件的滞回曲线,研究了PDSWEC墙的抗震性能参数;分析了不同轴压比、不同端柱钢管壁厚对PDSWEC墙抗震性能的影响。研究结果表明:PDSWEC墙的破坏模式为叠合墙体中部混凝土压溃,竖向接缝破坏;其滞回曲线饱满,捏缩不明显,耗能能力好;提高轴压比有利于提高极限承载力但会降低其延性,应对最大轴压比加以限制,增加端柱钢管壁厚对PDSWEC墙抗震性能的提高十分有限。

法兰加劲肋贯穿的中空夹层钢管混凝土连接节点受弯性能研究

提出了一种法兰加劲肋贯穿的中空夹层钢管混凝土连接节点。该节点在保证节点强度和刚度的同时,可有效降低施工风险。对足尺节点试件进行纯弯试验研究,分析了其破坏形态、抗弯承载力以及中和轴位置。采用有限元软件ABAQUS对试件进行数值模拟分析。结合试验和数值模拟结果,分析了法兰加劲肋贯穿的中空夹层钢管混凝土连接节点应力发展过程和螺栓受力情况。对法兰板厚度、贯穿加劲肋数量、加劲肋高度以及螺栓规格对节点受弯性能的影响规律进行了参数分析,建议了各参数的取值范围。最后,结合法兰加劲肋贯穿的中空夹层钢管混凝土连接节点受弯力学特征,提出法兰节点的设计方法。

螺纹连接圆套圆中空夹层钢管混凝土轴压性能试验

提出了通过内衬管和螺纹连接方式用以接长钢管的圆套圆中空夹层钢管混凝土。以螺纹的长度、深度和位置为基本参数设计了12个内衬管螺纹连接圆套圆中空夹层钢管混凝土短柱,并开展了轴压试验。将此类试件与普通试件和焊接试件进行对比,分析了试件的轴压力-纵向压缩量曲线、轴压力-钢管应变曲线和破坏模态等,研究了不同参数对试件轴压承载力和刚度的影响。结果表明,在研究的参数范围内,试件的轴压力-纵向压缩量曲线可以划分为弹性阶段、弹塑性阶段、屈服-强化阶段和下降段。内衬管螺纹连接试件的承载力和刚度不逊于普通试件和焊接试件。随着螺纹长度的增加,试件承载力和刚度略有提升;端截面内衬管螺纹连接试件的承载力和刚度优于中截面内衬管螺纹连接试件的。建议了内衬管螺纹连接圆套圆中空夹层钢管混凝土轴压承载力计算方法。

近爆作用下双层方钢管混凝土墩柱的抗爆性能试验

为研究双层方钢管混凝土墩柱的抗爆性能,开展了3根双层方钢管混凝土墩柱试件的近距离及接触爆炸试验,并对3根爆炸损伤试件和1根无损试件进行了静力轴压承载力试验。基于剩余轴压承载力损伤指标,将双层方钢管混凝土墩柱的损伤破坏程度分为4个等级,分析了不同爆炸距离和炸药当量作用下的试件损伤程度。研究结果表明:近距离及接触爆炸作用下,双层方钢管混凝土墩柱主要在正对爆心区域发生局部凹陷变形、钢管断裂破口、混凝土压碎和前壁贯穿等局部破坏模式,墩柱未发生明显可见的整体变形;爆炸损伤导致试验墩柱承载力损失了22%~41%,装药距离对爆炸后墩柱剩余承载力具有显著影响;3根爆炸试验墩柱均属于中度破坏,能保持较好的爆炸后承载能力。与钢筋混凝土墩柱的对比分析表明:相同爆炸作用下,双层钢管混凝土墩柱损伤破坏小、剩余承载能力高,且钢管约束作用可以有效抑制混凝土剥落破坏形成高速飞射破片,避免其对周围人员和设施造成二次伤害,具有显著优于钢筋混凝土墩柱的抗爆性能。