异形钢管短柱轴压力学性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS建立等截面周长的三角形、扇形、D形、1/4圆形、1/2圆形5种异形截面钢管短柱轴压力学性能分析的有限元计算模型,有限元计算与试验所得的荷载-应变全过程曲线及短柱破坏形态吻合较好。在此基础上对其受力全过程中钢管的应力与塑性应变的分布进行分析,并对截面形式、钢管壁厚、钢管屈服强度等几种影响异形钢管承载力和变形的因素进行比较。结果表明:异形钢管短柱在1/2柱高处发生局部屈曲破坏,截面形式、钢管壁厚、钢管屈服强度等参数对其力学性能影响显著。     

圆锥形钢管混凝土长柱力学性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS建立圆锥形钢管混凝土长柱力学性能分析的三维实体有限元计算模型,并与相应的试验结果进行对比。结果表明:有限元计算与试验所得的荷载-3H/4挠度曲线、承载力及破坏形态吻合较好。在此基础上,对圆锥形钢管混凝土长柱受力全过程中钢管与混凝土应力、应变分布情况进行分析,同时给出钢管与混凝土之间的相互作用规律,并对长细比、锥度、偏心距、材料强度及钢管壁厚等参数对圆锥形钢管混凝土长柱初始刚度、承载力及荷载-3H/4挠度曲线的影响进行比较。结果表明:圆锥形钢管混凝土长柱在3H/4处发生侧向挠曲破坏,长细比、锥度、偏心距、混凝土抗压强度及钢管壁厚等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

椭圆形钢管混凝土长柱轴压力学性能研究

利用有限元软件ABAQUS建立椭圆形钢管混凝土长柱轴压力学性能分析的三维实体有限元模型,并进行相应的试验,有限元计算与试验所得的荷载-柱中挠度全过程曲线及长柱破坏形态吻合较好。在此基础上对其受力全过程中钢管及混凝土应力、应变分布情况进行分析,同时给出钢管与混凝土之间的相互作用,并对长细比、材料强度、钢管壁厚及截面尺寸等参数对轴压时长柱极限承载力及荷载-柱中挠度曲线的影响进行比较。结果表明:椭圆形钢管混凝土长柱在1/2柱高处发生侧向挠曲破坏,长细比等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

椭圆形钢管混凝土长柱偏压力学性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS建立了椭圆形钢管混凝土长柱偏压力学性能分析的有限元模型,并对12个椭圆形钢管混凝土长柱的偏压试验结果与有限元模拟结果进行对比。结果表明:有限元计算与试验所得的荷载-挠度全过程曲线、承载力及破坏形态吻合较好。在此基础上对其受力过程中钢管及混凝土应力、应变分布情况进行分析,同时给出钢管与混凝土之间的相互作用,并对长细比、偏心距、材料强度、钢管壁厚等参数对长柱偏压极限承载力及荷载-柱中挠度曲线的影响进行比较。结果表明:椭圆形钢管混凝土长柱在H/2处发生侧向挠曲破坏,长细比、混凝土抗压强度、钢管壁厚及偏心距等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

方锥形钢管混凝土长柱工作机理分析

利用有限元分析软件ABAQUS建立方锥形钢管混凝土长柱力学性能分析的三维实体有限元计算模型,并进行相应的试验研究。有限元计算与试验所得的荷载-3H/4挠度曲线、承载力及破坏形态吻合较好。在此基础上,分析方锥形钢管混凝土长柱中钢管和混凝土的应力、应变分布情况以及钢管与混凝土之间的组合作用,并比较长细比、偏心距、锥度等参数对方锥形钢管混凝土长柱极限承载力及荷载-3H/4挠度曲线的影响。结果表明:方锥形钢管混凝土长柱在3H/4处发生倾向挠曲破坏,长细比、锥度、偏心距、混凝土抗压强度及钢管壁厚等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

内衬钢管方中空钢筋混凝土短柱轴压性能分析

为提高空心钢筋混凝土柱的承载能力和延性,文中提出一种内衬钢管的方中空钢筋混凝土短柱。采用有限元软件建立该类柱的非线性有限元模型,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元建模方法的合理准确性,基于此进一步考察钢管壁厚和直径、截面边长、钢管屈服强度和混凝土抗压强度对组合柱轴压刚度、承载力以及延性的影响,并对典型试件进行受力全过程分析。结果表明内衬钢管方中空钢筋混凝土短柱轴压承载力及刚度随混凝土抗压强度的提高而增大,延性随钢管壁厚及直径的增加而增大。     

圆锥形中空夹层钢管混凝土轴压短柱受力机理分析

为了研究圆锥形中空夹层钢管混凝土轴压短柱的受力机理,通过有限元软件ABAQUS建立了该类构件的力学模型,并与已有试验数据进行对比,验证了模型的合理性。分析了典型构件的受力全过程荷载-应变关系曲线、钢管与混凝土之间的相互作用力、破坏模态和荷载分配; 同时分析了空心率、锥度、钢管径厚比和混凝土强度等参数对相互作用力的影响。结果表明:典型构件荷载-应变关系曲线可分为弹性段、弹塑性段、下降段和稳定段4个阶段; 构件破坏是由外钢管向外鼓曲所导致的,破坏截面约在0.8H(H为构件高度)柱高处; 锥度和空心率的改变对构件破坏截面位置影响较大,随着锥度和空心率的增大,破坏截面位置逐渐向柱顶靠近; 影响外钢管与混凝土之间相互作用力的主要因素有空心率、锥度、外钢管径厚比、外钢管屈服强度和混凝土强度; 影响内钢管与混凝土之间相互作用力的主要因素有空心率、锥度和外钢管屈服强度; 内钢管径厚比与内钢管屈服强度对混凝土与内、外钢管之间的相互作用力影响较小,可不作为主要参数进行分析。     

冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析

基于材料强度折减及钢管壁厚折减的方法,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压力学性能采用有限元法进行了研究。基于合理的有限元分析模型,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土柱的破坏模态、轴向荷载-位移关系、钢管与混凝土相互作用进行了分析,研究了含钢率、截面尺寸、钢管屈服强度、混凝土轴心抗压强度以及冻融循环-酸雨交替次数对试件轴压极限承载力的影响。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性; 冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后轴压圆钢管混凝土短柱的破坏模态与普通试件相似,轴向荷载-位移曲线变化趋势一致,试件均为塑性破坏; 圆钢管混凝土轴压短柱随冻融循环-酸雨锈蚀交替次数的增加,材料性能劣化严重,外钢管对核心混凝土约束作用减弱,试件极限承载力明显下降。     

椭圆形钢管混凝土构件纯弯力学性能分析

利用有限元软件ABAQUS建立椭圆形钢管混凝土构件纯弯力学性能分析的有限元计算模型,并通过6个椭圆形钢管混凝土构件纯弯试验验证有限元计算模型的准确性。在此基础上对其受力全过程中钢管及混凝土应力分布情况进行分析,同时给出钢管与核心混凝土之间的相互作用,并对剪跨比、钢管强度、混凝土强度、短轴长和长轴长等参数对纯弯时构件极限承载力及荷载-位移曲线的影响进行比较。结果表明:椭圆形钢管混凝土构件在跨中发生倾向弯曲破坏,钢管屈服强度、混凝土强度、长轴长、短轴长及钢管壁厚等参数对其力学性能影响显著,剪跨比对其力学性能影响不明显。     

内填料石钢管混凝土短柱轴压性能研究及承载力计算

为合理重复利用废弃石材,将抗压强度高、脆性强的石材置于钢管混凝土柱(CFST)中部,利用钢管的约束充分发挥石材的抗压强度并延缓其压溃,形成内填料石钢管混凝土(SCFST)柱。为研究SCFST短柱的轴压受力机理,采用通用有限元软件ABAQUS建立SCFST短柱精细化3D有限元模型,并利用已经完成的18根SCFST短柱和6根传统钢管混凝短柱试件的破坏形态和荷载-变形关系试验结果对模型的可靠性进行验证。通过验证后的有限元模型,分析SCFST短柱各部件之间的相互作用及荷载分配规律。在此基础上,进一步开展系统的参数分析,研究内填料石尺寸、钢管壁厚、钢管屈服强度和混凝土强度等参数对SCFST柱轴压性能的影响规律。研究结果表明,不同部件间的相互作用随钢管壁增厚和混凝土强度提高而增大,受内填石料尺寸的影响较小。提出了适用于SCFST短柱的轴压承载力计算式,在研究参数范围内计算式具有较好的计算精度。     

Mechanical performances of concrete-filled steel tubular stub columns with round ends under axial loading

An experimental study of 22 concrete-filled round-ended steel tubular (CFRT) stub columns under axial compression is conducted compared with 4 circular concrete-filled steel tubular (CFT) stub columns. The influences of width–thickness ratio, concrete strength, steel yield strength and wall-thickness of steel tube on the ultimate bearing capacity of the CFRT columns are discussed. The 3D finite element (FE) model is also developed to analyze the behavior of the CFRT columns under axial compression. From the results, local buckling of the round-ended steel tube associated with shear failure of in-filled concrete could be observed. With the increasing width–thickness ratio, the corresponding load–strain curves have a shorter elastic–plastic stage. The parametric studies indicate that the concrete strength, tube thickness and width–thickness ratio of the steel tube also have a great effect on the ultimate bearing capacity. The numerical results also show that the confinement effect of the stub columns decreases with the increasing width–thickness ratio. A practical calculation formula for the bearing capacity of the CFRT stub columns is proposed, which is well in agreement with the experimental results.     

薄壁方形钢管再生块体混合短柱破坏形态分析

为揭示方形钢管再生块体混合构件的受力性能及破坏机理,对薄壁方形钢管再生块体混合短柱的荷载-变形曲线进行全过程分析;并以轴压破坏形态为切入点,从钢管宽厚比、核心混凝土强度、加劲肋等套箍系数因素对试件破坏形态的影响进行了分析。研究结果表明:在破坏阶段不带肋试件呈软化特性,带肋试件呈加劲特性;薄壁方形钢管再生块体混合短柱的主要破坏形态为试件中部腰鼓形压皱破坏,核心组合混凝土试件中再生块体先在块体卵石与旧混凝土界面产生裂缝,随后卵石被压碎而发生破坏;随套箍系数的增大,钢管对核心混凝土约束作用增强,则趋于腰鼓形破坏,反之发生剪切形破坏。通过研究建立薄壁方形钢管再生块体混合短柱的破坏模型。     

Experimental investigation on concrete-filled stainless steel stiffened tubular stub columns

This paper presents an experimental investigation on concrete-filled normal-strength stainless steel stiffened tubular stub columns using the austenitic stainless steel grade EN 1.4301 (304). The stiffened stainless steel tubes were fabricated by welding four lipped angles or two lipped channels at the lips. Therefore, the stiffeners were formed at the mid-depth of the sections. In total, five hollow columns and ten concrete-filled columns were tested. The longitudinal stiffener of the column plate was formed to avoid shrinkage of the concrete and to behave as a continuous connector between the concrete core and the stainless steel tube. The behavior of the columns was investigated using two different nominal concrete cubic strengths of 30 and 60 MPa. A series of tests was performed to investigate the effects of cross-section shape and concrete strength on the behavior and strength of concrete-filled stainless steel stiffened tubular stub columns. The measured average overall depth-to-width ratios (aspect ratio) varied from 1.0 to 1.8. The depth-to-plate thickness ratio of the tube sections varied from 60 to 90. Different lengths of columns were selected to fix the length-to-depth ratio to a constant value of 3. The concrete-filled stiffened stainless steel tubular columns were subjected to uniform axial compression over the concrete core and the stainless steel tube to force the entire section to undergo the same deformations by blocking action. The column strengths, load–axial strain relationships and failure modes of the columns are presented. Several comparisons were made to evaluate the test results. The results of the experimental study showed that the design rules, as specified in the European specifications and the ASCE, are highly conservative for square and rectangular cold-formed concrete-filled normal-strength stainless steel stiffened stub columns.