大直径圆钢管混凝土截面温度场分布的试验研究

为了研究温变对大直径圆钢管混凝土构件截面温度场分布的影响,分别在室外环境和人工气候模拟试验箱内进行了温变试验,测得不同温变条件下钢管混凝土试件和素混凝土对照试件的温度场。试验结果表明:钢管混凝土试件和素混凝土对照试件温度场变化规律基本一致,无日照作用时截面温度场呈均匀分布,日照作用下截面温度场呈非均匀分布。两种环境下,试件截面温度场均呈现出从外往内越靠近圆心,温度变化越滞后的现象,而且试件截面最大温差主要取决于太阳辐射和气温变化幅度。     

圆形和方形截面钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能对比分析

为研究圆钢管与方钢管约束钢筋混凝土柱火灾下力学性能的差异,采用ABAQUS软件建立圆形和方形截面钢管约束钢筋混凝土柱温度场和耐火极限的有限元分析模型,以截面尺寸、荷载比和长细比等为参数,分析了截面温度的分布规律以及不同参数对耐火极限的影响,比较了圆钢管和方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的差异。研究结果表明:相同截面形状系数(单位长度构件外表面直接受热面积与其体积的比值)下,方钢管与圆钢管约束钢筋混凝土柱的截面温度分布规律类似,方形截面内部混凝土的温度较圆形截面相同位置处的略低,前者的耐火极限高于后者,且构件长细比与荷载比越小,二者耐火极限差距越显著;当长细比为30时,对于荷载比不超过0.5且截面边长不小于600mm的方钢管约束钢筋混凝土柱,其耐火极限可达到或超过柱类构件一级耐火极限3h的要求,而对于圆钢管约束钢筋混凝土柱,仅当荷载比更小且截面直径更大时,才能满足这一要求。     

火作用下钢管约束钢筋混凝土柱温度场分析

为得到火作用下圆钢管约束钢筋混凝土柱的温度分布规律,采用有限元软件ABAQUS建立了ISO-834标准火作用升温条件下钢管约束钢筋混凝土柱截面温度场计算模型,分析了升温时间、含钢率、钢管直径、钢管材料类型(普通钢和耐火钢)及纵筋保护层厚度等参数对截面温度场的影响。分析结果表明,升温时间、钢管直径对截面温度场影响较大,而含钢率、钢材种类、混凝土强度以及纵筋保护层厚度对截面温度场的影响较小。基于有限元分析结果,对比了已有的ISO-834标准火作用下组合柱的温度场简化计算式,对比结果表明:已有简化计算式可较准确地计算钢管的温度,但不能较准确地计算钢筋和混凝土的温度。     

火灾下圆钢管混凝土柱温度场数值模拟

为研究圆钢管混凝土柱在火灾下的温度分布及火灾后的力学性能,利用有限元软件ABAQUS对火灾下圆钢管混凝土柱温度场进行计算和分析.分析结果表明,砂浆保护层的存在对内部钢管和混凝土有效地起到了阻火、隔热作用.采用有关试验数据与计算结果进行了对比,证明使用ABAQUS进行截面温度场的计算具有足够的精度,其方法是切实可行的.     

矩形钢管混凝土截面温度场的试验研究

分别在日照和阴凉条件下对一个矩形钢管混凝土试件进行截面温度场连续的试验观测,并结合有限元方法,在实测温度数据基础上分析矩形钢管混凝土截面温度场的分布规律。结果表明:截面温度场在时间和空间上的非线性分布明显;测点越靠近截面中心点,温度越低且变化越缓和;截面温度场在日照作用下比阴凉条件下整体偏高;日照作用下截面靠近管壁点与中间点最大温差为5.2℃,阴凉处最大温差为3.2℃;靠近管壁点的最高温、最低温和最大温差均比中间点和气温高,其变化趋势与中间点和气温相近;有限元计算结果与实测结果相符。     

实腹式型钢混凝土异形柱框架受力性能有限元分析

采用ABAQUS对实腹式型钢混凝土异形柱框架在单调水平荷载作用下的受力性能进行有限元分析,获得了框架柱型钢的正应力分布和节点核心区型钢的剪应力分布,以及框架的整体和局部变形。与试验结果的对比表明,计算结果是可靠的。由分析可知,实腹式型钢混凝土异形柱框架承受水平荷载作用时,沿加载方向,边框架的角柱和中框架的边柱的截面内力分布不均匀,而边框架的边柱和中框架的中柱的截面内力分布较为均匀;边框架的角柱处于双偏压状态;节点核心区型钢腹板中心的剪应力最大,向四周逐渐减小;处于不同位置的相同类型节点的剪切变形不同。     

混凝土圆筒仓日照温度分布有限元分析

为研究日照作用对大直径钢筋混凝土筒仓的影响,本文以热传导理论为依据结合有限元方法,考虑太阳辐射、气温变化、地理位置和几何尺寸等对温度分布的影响,以大型有限元软件ANSYS为平台,利用其参数化设计语言(APDL)建立混凝土圆筒仓日照分布的参数化有限元计算程序,对钢筋混凝土筒仓空仓时的温度场进行瞬态分析。分析得出日照作用下温度分布规律,结果表明不同截面的日照非线性温差以及同一截面的日照非线性内外温差都较大,应对钢筋混凝土圆筒仓的日照温度效应予以重视。     

基于气象参数的混凝土结构日照温度作用分析

气象参数是分析日照环境下混凝土结构温度作用的关键参数之一。影响日照环境下混凝土结构温度场的气象参数主要有太阳辐射、气温和风速。本文分析了这些气象参数变化的一般规律,提出其时程分析模型,并从概率统计的角度分析了这些参数的分布规律,确定了具有一定重现期的气象参数代表值。最后以一个混凝土箱梁为例,利用这些气象参数代表值计算分析了其日照温度场,并根据计算温度场拟合得到竖向温差分布曲线。计算表明,分析日照环境下混凝土结构温度场时应考虑气象参数的随机分布。     

钢管混凝土柱-RC环梁节点计算方法的研究

针对钢管混凝土柱-RC环梁节点型式,通过对边柱、中柱、角柱处采用三种不同型式钢管混凝土柱-环梁节点的受力性能进行了实体有限元分析,并参照有关试验结果,分别对三种不同型式节点在梁端弯矩剪力作用下,环梁截面内的扭矩、弯矩和剪力提供了实用的计算方法,为这类结构的设计提供了依据。     

严寒地区矩形钢管混凝土截面温度分布试验

为研究严寒地区钢 混凝土组合结构的温度荷载,以西宁市作为严寒地区的代表,在现场进行了水平放置带加劲肋的矩形钢管混凝土构件截面温度场测试试验,对日照作用下钢管混凝土构件截面温度分布进行了研究。同时还将矩形钢管混凝土构件的三维温度场简化为二维温度场,建立了ABAQUS有限元热力学分析模型,在考虑太阳辐射、风速以及环境温度等参数的作用下提出了构件截面温度场有限元计算方法。结果表明:钢管混凝土构件钢管测点及管内混凝土测点温度的实测值均与有限元计算值吻合良好;考虑日照作用的矩形钢管混凝土截面温度场为非均匀温度场,构件截面存在着明显的温度梯度;钢管温度受到环境温度的直接影响,其温度变化略微滞后于环境温度变化,温度极值明显大于环境温度极值;管内混凝土的温度则受到环境温度的间接影响,其温度变化明显滞后于环境温度变化,温度极值则小于钢管温度极值;矩形钢管混凝土截面温度分布还会受到管内纵向加劲肋的影响,该加劲肋增大了其与混凝土的接触面积,减少了管内混凝土温度变化的滞后程度,降低了构件截面的梯度温差。     

碳纤维增强复材部分包裹圆钢管混凝土短柱的轴压性能

为了揭示碳纤维布(CFRP)部分包裹圆钢管混凝土短柱的轴压性能,对7根CFRP包裹圆钢管混凝土短柱和1根圆钢管混凝土短柱进行了轴压试验。通过ABAQUS软件建立了轴压作用下CFRP包裹圆钢管混凝土短柱的数值分析模型,考虑了界面之间复杂接触关系和材料特性,开展了轴压作用下CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱力学性能的参数分析,研究了主要参数对CFRP包裹钢管混凝土短柱轴压承载力和初始轴向刚度的影响,揭示了其典型破坏模式。研究结果表明:轴压作用下CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱的破坏模式主要包括CFRP断裂、钢管局部屈曲和核心混凝土局部压溃; CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱的轴压承载力随着材料强度、包裹层数和柱截面面积的增加而增大;其初始轴向刚度随着混凝土强度和柱截面面积的增大而逐渐增大。     

圆钢管混凝土柱火灾升温试验及钢管温度计算方法

钢管混凝土柱充分利用了钢和混凝土各自的优点,具有良好的结构受力性能和经济性,且施工方便,广泛应用于工程建设。由于钢管内部的混凝土能吸收大量的热量,钢管混凝土柱的抗火性能优于纯钢柱;但若不对其进行防火保护,大部分情况下其耐火极限不能满足规范要求;若对其按纯钢柱进行抗火设计,又会造成很大的浪费。目前国内外对钢管混凝土柱的耐火性能及抗火设计已进行了大量的研究,提出了一些抗火设计方法,但这些方法在实际工程应用中比较复杂,简便性有待提高。构件在火灾下的截面温度分布是抗火设计的基础,为此对10个圆钢管混凝土柱试件进行了标准火灾下非加载耐火试验,得到了火灾下截面温度分布情况;并进行了钢管混凝土柱火灾下截面温度场有限元分析,研究了柱直径、钢管厚度等的影响。进而提出了火灾下钢管混凝土柱钢管温度简化计算方法,其计算精度得到了试验及有限元计算结果的验证。     

暴露环境下矩形钢管混凝土构件截面温度场实测研究

超高层结构常采用矩形钢管混凝土柱,在太阳辐射下,钢管表面温度最高可达到50℃左右,由于钢材和混凝土的热物理性能存在较大差异,以及太阳辐射的非均匀性,导致钢管壁的四面和核心混凝土温度分布极不均匀,进而会影响钢管混凝土柱的受力。为了解太阳辐射下矩形钢管混凝土柱的截面温度场分布,通过对矩形钢管混凝土构件截面布置温度测点进行了截面温度场的实测,对构件温度分布进行了分析。结果表明:方钢管混凝土试件截面温度场随截面空间分布的非线性特征和时间变化的非线性特征显著;钢管表面各测点与中心测点及气温间温度峰值出现的时间存在差异;截面温度场为非均匀温度场,截面中心温度最低时整个截面温度场的非线性特征表现最为显著。     

侧向冲击作用下圆钢管-钢骨混凝土柱抗冲击性能研究

为研究钢管-钢骨混凝土柱的抗冲击性能,利用非线性有限元软件ABAQUS建立了圆钢管-钢骨混凝土柱数值模型。并与已有冲击试验进行对比验证,以保证建模方法的正确性。基于验证后的建模方法研究了侧向冲击作用下圆钢管-钢骨混凝土柱的抗冲击性能,重点分析了冲击质量、冲击速度、钢管壁厚、轴压比和长细比对圆钢管-钢骨混凝土柱抗冲击性能的影响,并对比分析了不同截面形式复合柱的抗冲击性能。结果表明：随着冲击质量和冲击速度的增大,冲击力峰值、冲击力平台值、跨中挠度及冲击力持续时间增长;合理增加钢管壁厚和内插钢骨可以明显改善柱的抗冲击性能;在用钢量和混凝土用量相同时,圆钢管混凝土柱抗冲击性能最优,圆钢管-钢骨混凝土柱次之,方钢管-钢骨混凝土柱较差。     

碳纤维增强复材部分包裹圆钢管混凝土短柱偏压性能研究

为探究CFRP部分包裹钢管混凝土短柱的偏压力学性能,进行了9根CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱和1根圆钢管混凝土短柱的偏压试验,通过ABAQUS软件建立了偏压作用下CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱的数值分析模型,开展了CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱偏压性能的参数分析研究,包括构件材料强度、偏心距e、径厚比D/t、包裹层数n、包裹间距b、包裹宽度a、柱截面面积A_(sc)和CFRP预紧力系数P/P_f等,揭示了其在偏压荷载下的典型破坏模式,探讨了CFRP部分包裹圆钢管混凝土偏压短柱的有效加固机制。研究结果表明:CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱在偏压作用下的主要破坏模式包括钢管局部屈曲、CFRP断裂、混凝土开裂和局部压溃,其偏压承载力随着材料强度、包裹层数和柱截面面积的增加而增大,并随着径厚比、CFRP包裹间距和偏心距的增大而减小。     

钢骨混凝土核心柱温度场及高温后剩余承载力性能研究

首先,在合理建立室内火灾传热模型的基础上,利用有限单元法给出了内配圆钢管的钢骨混凝土核心柱高温下温度分布的数值计算方法,并编制了有限单元法的计算程序,通过与所进行的火灾试验对比分析,验证了分析理论及计算程序的正确性;其次,在确定核心柱截面温度场分布后,通过非线性有限元方法和数值积分方法,编制了计算火灾后核心短柱剩余轴压承载力的程序;最后,通过对2根核心柱的高温后承栽力试验,验证了理论计算的正确性。理论计算和试验结果都表明,内配圆钢管的钢骨混凝土核心柱在遭受火灾后承载力降幅较小且承载力曲线下降缓慢,表明其具有良好的抗火性能。     

钢管高性能混凝土轴压短柱的静力性能(Ⅱ):机理分析及承载力

研究钢管高性能混凝土轴压短柱中钢管和混凝土的应力、应变等的分布规律,发现圆试件中截面混凝土纵向应力在圆周方向均匀分布,而方试件中截面混凝土的纵向应力在弯角处最大。试件在受荷过程中,中截面钢管首先屈服,然后逐渐向试件两端发展。典型算例的分析结果表明,圆钢管对混凝土的约束作用好于方钢管的,圆钢管对混凝土沿圆周方向均匀约束,而方试件在截面弯角处的约束力最大。所有试件在中截面约束力最大。黏结强度对于试件的轴压承载力基本没有影响。普通钢管混凝土轴压短柱的承载力计算式同样适用于钢管高性能混凝土轴压短柱的承载力计算。钢管高性能混凝土轴压短柱与普通钢管混凝土轴压短柱在静力性能方面并无本质区别。     

不同腔体构造圆钢管混凝土短柱抗震性能试验

为研究不同腔体构造对圆钢管混凝土短柱抗震性能的影响,进行了3个不同腔体构造的大截面尺寸圆钢管混凝土短柱试件的低周反复荷载试验。试件钢构件分别为圆钢管、圆钢管腔内焊接环向及竖向肋板并设置钢筋笼以及圆钢管内置圆钢管,其中后两者钢构件用钢量相等。各试件的轴力均相等。分析了各试件的承载力、刚度退化、滞回特性、延性、耗能及破坏特征。研究表明：竖向肋板的设置可以提高构件的受弯承载力;环向肋板可以显著约束钢管径向变形;内置圆钢管强化了核心区混凝土的约束,使得外钢管弹塑性变形能力增强;含钢率相等条件下,圆钢管内置圆钢管混凝土短柱与圆钢管腔内焊接环向及竖向肋板并设置钢筋笼混凝土短柱相比,虽然水平承载力略有下降,但是其延性系数和累积耗能能力有显著提高;3个不同腔体构造圆钢管混凝土短柱的等效黏滞阻尼系数分别为0.41、0.53、0.58,均具有较好的耗能性能。圆钢管混凝土柱在压、弯、剪复合受力状态下的承载力试验值高于按照我国规范和规程所得出的计算值,表明我国规范和规程在计算足尺试件承载力时,结果偏于安全。     

基于压电陶瓷的圆钢管混凝土短柱冲击应力监测模拟研究

为研究压电陶传感器在实时监测结构冲击应力方面的可行性,将压电陶瓷片置于圆钢管混凝土短柱中部截面处,利用有限元软件ABAQUS在冲击荷载作用下对圆钢管混凝土短柱进行仿真数值模拟,并将试验结果与仿真模拟结果进行对比,验证了模拟过程中建模及参数选取的正确性。同时通过命令流获取的压电陶瓷片电压值及其理论灵敏度值反推出核心混凝土内部的应力,将此结果与对应点模拟得到的应力值进行分析,最终两者呈线性分布;同时将此应力值与放置混凝土块模拟出的应力值对比分析,得到增幅大体一致的应力时程曲线。研究结果表明,利用压电陶瓷片可以较好地监测冲击作用下核心混凝土内部时变应力。     

耐火钢-钢管混凝土柱的抗火性能分析

迄今为止,国内学者研究较多的是普通钢管混凝土柱的耐火性能,而对耐火钢-钢管混凝土柱的抗火性能研究报道较少。通过利用ANYSY有限元软件对普通圆钢管混凝土柱在火灾升温曲线下温度场的模拟,采用数值计算方法求解普通圆钢管混凝土柱耐火极限,与试验结果吻合很好。将普通钢管替换为耐火钢,研究耐火圆钢管混凝土柱耐火极限,并与普通圆钢管混凝土柱对比,发现在一定受火时间内耐火圆钢管混凝土柱耐火极限明显提高。