高强方钢管超高性能混凝土短柱轴压承载力计算方法研究

为研究高强方钢管超高性能混凝土(UHPC)短柱轴压承载性能,进行了40根高强方钢管UHPC短柱轴压荷载试验。结果表明：套箍系数是影响方钢管UHPC短柱轴压破坏过程和形态的主要因素,极限荷载随套箍系数增大而增大,核心UHPC强度提高幅度均值为15%。比较分析了多部现行规范、规程的承载力计算方法的差异,相关规范与规程中不考虑钢管约束效应时,其承载力计算值的均值低于试验极限荷载值,考虑约束效应的参数适用性受限。并基于叠加原理采用线性回归分析和考虑等效约束作用分别建立了高强方钢管UHPC短柱轴压承载力的实用计算式和理论分析式。     

钢管混凝土复合短柱轴压性能试验研究

钢管混凝土复合柱由钢管混凝土柱肢和钢筋混凝土联接板组成。以柱肢钢管壁厚和联接板厚度为试验参数,对7个复合短柱试件进行轴压性能试验研究,同时进行了与复合柱试件组成相对应的4个钢管混凝土柱构件和3个钢筋混凝土板构件的轴压试验。研究复合短柱在轴压荷载作用下的破坏模式和荷载 位移曲线,对比分析试件与对应构件的荷载 应变曲线,研究柱肢钢管壁厚和联接板厚度对复合短柱轴压承载力的影响。试验结果表明：轴压复合短柱受力全过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性发展阶段;轴压复合短柱的破坏特征为钢筋混凝土联接板混凝土压碎,此时钢管混凝土柱肢的受力状态与对应的钢管混凝土构件的受力状态不同,钢管混凝土柱肢并没有充分发挥其自身的承载能力;在复合短柱的轴压承载力计算中应引入柱肢承载力折减系数,该系数与柱肢套箍系数相关;通过对现有的钢管混凝土轴压短柱的试验数据进行回归分析,拟合得到柱肢承载力折减系数的经验计算公式;按照建议方法计算得到的复合短柱的轴压承载力与试验结果吻合良好。     

高寒环境温度下圆钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

针对高寒环境温度对钢管混凝土结构力学行为影响显著的问题。开展钢管混凝土短柱轴压性能试验,分析试件在不同温度下的试验现象及破坏形态,探究不同环境温度对圆钢管混凝土短柱轴压力学性能的影响规律,揭示温度对钢管混凝土套箍效应的影响机理;针对现行规范在钢管混凝土承载力计算中未考虑温度作用的不足,基于试验结果分析提出考虑环境温度的钢管混凝土短柱承载力计算修正公式。结果表明：温度变化对钢管混凝土短柱承载力和延性影响显著,随着温度的下降,试件承载力增大,而延性大幅降低,脆性显著增大;温度从40℃降至-40℃,M型、L型试件承载力分别提高27.8%和34.3%;环境温度对构件套箍效应影响明显,套箍率越小越显著;提出的考虑温度影响的钢管混凝土短柱轴压承载力计算修正公式具有较好的可靠性和精度,可为高寒大温差地区钢管混凝土结构的设计提供必要依据。     

Q345钢管自密实混凝土短柱轴压力学性能试验

开展了18根Q345钢管自密实混凝土短柱的轴压力学性能试验研究,分析核心混凝土强度、钢管径厚比对钢管自密实混凝土短柱轴压承载力、破坏模式、套箍效应等力学性能的影响。采用有限元软件ANSYS对钢管自密实混凝土短柱轴压力学性能进行数值仿真分析,所得有限元计算值与试验结果吻合较好。研究表明:根据钢管对核心混凝土约束作用的强弱,钢管自密实混凝土轴压短柱主要呈现两种破坏模式:剪切型破坏和腰鼓型破坏。自密实混凝土强度越高,试件承载力越大。基于已完成的试验成果及《钢管混凝土结构技术规程》(GB 50936—2014),提出安全可靠的轴压承载力计算公式。     

方钢管混凝土轴压短柱力学性能非线性有限元分析

在以往有关研究成果的基础上,选取具有代表性的轴压方钢管混凝土结构试验,利用通用有限元软件ABAQUS建立有限元模型,对方钢管混凝土轴压短柱的受力性能进行计算分析。分析受力过程中钢管混凝土柱的破坏模态;计算方钢管混凝土轴压短柱荷载-变形关系曲线;分析含钢率、套箍系数对极限承载力和荷载-变形关系曲线的影响规律。并将计算分析结果与试验结果相比较,验证了建立的模型可以模拟方钢管混凝土柱的极限承载力和破坏全过程。文中的研究成果可为其他研究提供相关参考。     

基于数值分析的椭圆钢管混凝土柱轴压性能及承载力计算

为了研究椭圆钢管混凝土柱的轴压性能和承载力,通过ABAQUS程序建立了轴压作用下椭圆钢管混凝土柱的数值分析模型,考虑了复杂接触问题、材料非线性和椭圆特征。利用试验结果验证了数值分析模型的准确性。开展了轴压作用下椭圆钢管混凝土短柱的诸多参数分析,评价了各参数对组合柱轴压承载力和刚度的影响,揭示了椭圆钢管混凝土短柱的破坏模式和受力机理,基于统一理论提出了椭圆钢管混凝土短柱的轴压承载力简化计算方法。研究结果表明,椭圆钢管混凝土短柱在轴压作用下的破坏模式包括剪切破坏、局部鼓曲破坏和整体鼓曲破坏;椭圆钢管混凝土短柱的轴压受力特征可以分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化段和下降段,均与约束效应系数有关。提出的椭圆钢管混凝土短柱的轴压承载力简化计算公式可以用于椭圆钢管混凝土柱设计。     

钢管约束的钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

为增强核心混凝土约束作用并改善其力学性能,在钢管混凝土外部增设圆钢管形成钢管约束的钢管混凝土组合柱,以构件类型、内层和外层钢管含钢率及核心混凝土强度等级为参数,设计并完成了14个钢管约束的钢管混凝土短柱和14个钢管混凝土短柱的轴压试验;观察试验现象和不同试件的破坏模式,研究各关键参数对试件轴压力学性能的影响,分析内层和外层钢管应力和应变发展规律,对比分析钢管混凝土和钢管约束的钢管混凝土的承载力和变形性能。研究结果表明:当钢管约束的钢管混凝土套箍系数不小于0.87,可使钢管混凝土柱的剪切脆性破坏转为截面压溃破坏,外观表现为腰鼓形破坏;达到承载力时,外层钢管横向应力可以达到钢材屈服强度,对核心混凝土的约束作用较强;钢管约束的钢管混凝土短柱轴压承载力较含钢率相近的常规钢管混凝土承载力可以提高20%左右,较内部钢管混凝土承载力可提高约70%。基于叠加法和GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》,提出两种钢管约束的钢管混凝土轴压承载力计算方法,预测结果与试验结果吻合良好。     

CFRP-薄壁圆钢管混凝土轴压短柱试验研究

进行了以CFRP为套箍指标主导的大钢管径厚比CFRP-薄壁圆钢管混凝土轴压短柱的轴压试验,观察了其破坏形态与变形特征,测得了CFRP和钢管的荷载-应变关系曲线。分析了CFRP-薄壁圆钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形曲线,探讨了套箍指标对试件受力性能和延性的影响,阐述了区别于普通CFRP-圆钢管混凝土轴压短柱的破坏过程。结果表明:CFRP-薄壁圆钢管混凝土轴压短柱的破坏形态为CFRP断裂引发钢管径向鼓曲破坏;在塑性上升阶段,CFRP能延缓钢管的屈服速率,同时CFRP被赋予一定的塑性,构件在这一阶段具备一定的加劲特征,而钢管混凝土试件呈现软化特征;CFRP套箍指标对构件的极限承载力和延性影响较大,钢管套箍指标的影响相对较弱。     

配有圆钢管的钢骨混凝土轴压短柱的极限承载力计算(Ⅰ)

针对钢管混凝土核心短柱轴压状态,采用汉基塑性全量理论对钢管进行极限承载力分析,得到屈服时钢管竖向应力对承载力的贡献,同时对核心混凝土采用Drucker-Prager屈服准则进行钢管约束下的承载力的计算分析。考虑配箍率对极限承载力的影响,提出了不同配箍率下的钢管混凝土核心短柱的极限承载力计算公式,并与现有试验数据进行对比,结果吻合良好,为钢管混凝土轴压短柱极限承载力的计算提供一种新的方法。     

配有圆钢管的钢骨混凝土轴压短柱的极限承载力计算（Ⅰ）

针对钢管混凝土核心短柱轴压状态,采用汉基塑性全量理论对钢管进行极限承载力分析,得到屈服时钢管竖向应力对承载力的贡献,同时对核心混凝土采用Drucker-Prager屈服准则进行钢管约束下的承载力的计算分析.考虑配箍率对极限承载力的影响,提出了不同配箍率下的钢管混凝土核心短柱的极限承载力计算公式,并与现有试验数据进行对比,结果吻合良好,为钢管混凝土轴压短柱极限承载力的计算提供一种新的方法.     

Experimental behavior of circular concrete-filled steel tube stub columns

This paper presented an experimental study on the behavior of circular, concrete-filled, steel tube (CFT) stub columns with self-compacting concrete (SCC) and normal concrete (NC) concentrically loaded in compression to failure. Four measurement methods on the axial deformation of specimens were compared. Seventeen specimens were tested to investigate the effects of concrete strength, notched holes or slots, and different loading conditions on the ultimate capacity and the load-deformation behavior of the columns. The behavior of these stub columns in confinement was discussed.It is concluded that for the specimens with the entire section loaded, strain gauges with different dimensions could record the strains of the steel tubes, and electronic displacement transducers with certain gauge lengths could record the axial displacement. By using higher strength concrete, the specimens with the entire section loaded experienced a significant increase in the ultimate capacity, but their residual capacity after failure is almost constant. However, once the steel tube was notched, the axial compressive stiffness of specimens was reduced; in some cases the ultimate capacity was also reduced, and the steel tube acted more as a transverse confinement than an axial compression component. Eurocode 4 predicted a reasonable capacity for the unnotched CFT stub columns with both SCC and NC if the entire section of the specimen is loaded.     

圆钢管活性粉末混凝土轴压力学性能研究

进行22根圆钢管活性粉末混凝土轴压短柱试验,分析其荷载-变形曲线、破坏特征和工作全过程。试验研究表明:圆钢管RPC轴压短柱的荷载-纵向应变曲线弹性阶段约为极限荷载的90%~95%;套箍系数ξ较小时,在达到极限荷载后承载力急剧下降;ξ较大时,在达到极限荷载后承载力下降平缓并呈回升趋势。ξ较小的试件多呈剪切破坏形态;ξ较大的试件所有断面上均被墩粗、试件的上下两端明显局部鼓曲。在分析国内40个试件试验结果的基础上,研究建立了圆钢管活性粉末混凝土峰值应力、峰值应变、平台应力等理论特征参数的计算方法和应力-应变全曲线方程,验证对比了有关技术规程中圆钢管混凝土基本构件承载力的计算方法,最后建议了圆钢管活性混凝土轴压短柱极限承载力统一计算公式。     

CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的轴压力学性能

对8根碳纤维增强复合材料(CFRP)-圆/方钢复合管约束型钢高强混凝土（C-C/STCSRC）短柱和4根CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土（C-CTSRC）短柱进行了轴压试验,分析了CFRP约束效应系数、钢管截面形式以及钢管受力性能对CFRP-圆/方钢复合管约束型钢高强混凝土（C-C/STCSRC）轴压短柱力学性能的影响。结果表明:CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）轴压短柱的极限承载力提高率随着约束效应系数的增加呈指数形式增长;在柱核心混凝土截面面积相同时,CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）轴压短柱的极限承载力比CFRP-方钢复合管约束型钢高强混凝土（C-STCSRC）轴压短柱的极限承载力高50%以上;在弹性工作阶段,CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土（C-CTSRC）柱的弹性模量高于CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）柱的弹性模量;CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）柱的极限承载力高于CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土柱的极限承载力;CFRP与钢管黏结良好时,CFRP与钢管能够协同工作。     

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.     

CFRP-方钢管混凝土轴压短柱承载力分析

采用统一强度理论对CFRP-方钢管混凝土轴压短柱进行受力分析,并引入等效应力系数、混凝土强度折减系数和等效约束折减系数,将CFRP-方钢管混凝土转化为CFRP-圆钢管混凝土,进而建立了CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式。将所得理论公式的计算结果与文献资料数据进行对比,验证了该公式的正确性,并进行了影响因素分析。结果表明:随材料拉压比、统一强度理论参数和CFRP厚度的增加,CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力不断增大,但CFRP的约束效率却随其厚度的增加在减小;所得结论可为CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的设计、施工及推广提供一定的理论依据。     

圆CFRP-钢复合管约束高强混凝土短柱轴压试验研究

为研究圆CFRP-钢复合管约束高强混凝土短柱轴压受力性能,进行了6个CFRP-钢复合管约束高强混凝土（CFRP-steel composite tubed high-strength concrete,C-STC）柱和2个CFRP约束高强混凝土（CFRP-confined high-strength concrete,CC）柱、1个钢管约束高强混凝土（steel tubed high-strength concrete,STC）柱对比试件的轴压试验研究,得到了试件轴向荷载-位移曲线和CFRP及钢管的应变。结果表明：C-STC柱在轴压荷载作用下发生剪切破坏;约束模式对其前期刚度影响较小,相同CFRP层数的C-STC柱和CC柱的荷载-位移曲线第二线性段斜率近似相等;随着CFRP层数增多,短柱承载力和变形能力均能得到提高;钢管应力分析表明,STC柱钢管在峰值荷载附近屈服,C-STC柱钢管约在荷载-位移曲线第二线性段起点处屈服,钢材强度得到充分发挥。结合试验结果对已有文献中约束混凝土强度计算模型进行验证,并给出了建议的C-STC柱承载力计算式。     

圆钢管钢纤维活性粉末混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究圆钢管钢纤维活性粉末混凝土（RPC）短柱的轴压性能,完成了7根外径219~273mm的圆钢管钢纤维RPC短柱轴压性能试验,分析了套箍系数、径厚比对轴压试件荷载-应变曲线和破坏特征的影响。结果表明：套箍系数ξ在0.63~0.88时,荷载-位移曲线在峰值荷载后出现下降段,短柱呈现剪切破坏模式;当ξ≥1时,在到达峰值荷载后,荷载下降幅度明显减小或出现回升趋势,短柱呈现腰鼓形破坏模式。在达到峰值荷载的85%之前,试件处于弹性阶段,钢管纵向应变大于横向应变;弹塑性阶段,钢管横向应变增加较快,其横向变形系数超过钢管的泊松比并逐渐增大,钢管对RPC的约束作用不断增强。随着混凝土抗压强度提高,其横向变形系数减小,钢管对核心区RPC约束效果降低。     

不同圆心角圆端形钢管混凝土短柱轴压性能

为研究圆心角60°和120°圆端形钢管混凝土短柱轴压力学性能,对4个圆端形钢管混凝土短柱进行轴压试验,探究不同圆心角和宽厚比对其极限承载力的影响。基于试验结果,应用有限元软件ABAQUS进行三维实体建模,对圆端形钢管混凝土短柱进行参数分析,研究了钢材强度、混凝土强度、宽厚比、高宽比、尺寸效应等对极限承载力的影响。基于参数分析,建立圆心角为60°和120°圆端形钢管混凝土短柱极限承载力实用计算公式。结果表明:破坏形态均为局部屈曲破坏,且平直段区域均出现局部屈曲现象; 随圆心角增大,构件极限承载力增大; 随宽厚比增大,极限承载力呈现下降趋势; 当圆弧段圆心角从60°增大至120°时,强度指标降低,表明整体约束效应减弱; 圆端形钢管混凝土轴压短柱的整体约束效应随圆心角增大而减小; 随着钢材强度、混凝土强度的增大和构件宽厚比的减小,极限承载力逐渐增大; 不同圆心角的尺寸效应对其极限承载力与初始刚度的影响类似,随着构件尺寸增大,极限承载力与初始刚度均呈现增大的趋势。     

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。