基于ABAQUS的负载下外包钢筋混凝土加固钢柱非线性有限元分析

利用有限元计算分析软件ABAQUS对负载下外包钢筋混凝土加固钢柱进行轴心受压受力情况非线性有限元分析。选取合理的混凝土、钢筋的材料本构关系,通过建立接触关系,确定加载方式以及网格划分,建立不同参数下的有限元模型,在分析计算后,得到加固柱的极限承载力大小,以负载下外包钢筋混凝土轴加固压钢柱静力试验为基础,验证有限元模型的正确性和有效性。同时建立7个不同混凝土强度的加固钢柱模型和3个不同箍筋直径的加固钢柱模型,分析了外包混凝土强度和箍筋直径对加固后钢柱承载力的影响。     

拉力作用下部分外包钢-混凝土组合构件受剪性能试验研究

为了研究型钢与部分外包混凝土的在拉力作用下的纵向剪力传递性能,对6个部分外包钢-混凝土组合构件进行了轴拉试验,对其破坏形态和荷载-滑移曲线进行了分析。试验中主要考虑了型钢与腹部混凝土的黏结长度、混凝土强度、栓钉连接件数量等影响因素。研究结果表明:部分外包钢-混凝土组合构件破坏形态主要表现为黏结破坏、混凝土压碎和栓钉剪断;轴拉试验和推出试验中无栓钉连接的部分外包型钢混凝土组合构件的黏结力均随着型钢与混凝土间的黏结长度的增加而增大;对于无栓钉和有栓钉组试件,轴拉试验和推出试验中型钢与混凝土间的受剪承载力均随着混凝土抗拉强度的增加而增大,且近似成线性关系;部分外包钢-混凝土组合构件的受剪承载力随栓钉数量的增加而增大;相较无栓钉组试件,采用2根栓钉连接和4根栓钉连接的轴拉试件,其受剪承载力分别可提高近100%和250%。     

Shear behavior of partially encased steel-concrete composite specimens under tension

为了研究型钢与部分外包混凝土的在拉力作用下的纵向剪力传递性能,对6个部分外包钢-混凝土组合构件进行了轴拉试验,对其破坏形态和荷载-滑移曲线进行了分析。试验中主要考虑了型钢与腹部混凝土的黏结长度、混凝土强度、栓钉连接件数量等影响因素。研究结果表明：部分外包钢-混凝土组合构件破坏形态主要表现为黏结破坏、混凝土压碎和栓钉剪断;轴拉试验和推出试验中无栓钉连接的部分外包型钢混凝土组合构件的黏结力均随着型钢与混凝土间的黏结长度的增加而增大;对于无栓钉和有栓钉组试件,轴拉试验和推出试验中型钢与混凝土间的受剪承载力均随着混凝土抗拉强度的增加而增大,且近似成线性关系;部分外包钢-混凝土组合构件的受剪承载力随栓钉数量的增加而增大;相较无栓钉组试件,采用2根栓钉连接和4根栓钉连接的轴拉试件,其受剪承载力分别可提高近100%和250%。     

负载下外包钢筋混凝土加固轴压钢柱承载力规范方法比较分析

为研究负载下钢结构加固柱的承载力计算方法,对两部中国规范中利用增大截面法加固钢柱的设计方法进行了分析,以混凝土结构加固技术中新、旧混凝土强度折减系数为参考,得出估算外包混凝土加固轴压钢柱正截面承载力的强度折减法,并结合实例分析验证了强度折减法的可行性,为负载下外包钢筋混凝土加固轴压钢柱正截面承载力研究提供基础。     

负载下外包钢筋混凝土加固轴压钢柱的承载性能有限元分析

为分析外包钢筋混凝土加固钢柱后组成叠合柱的轴压承载性能,应用ABAQUS建立三维有限元模型,对不同初应力系数时加固的外包钢筋混凝土叠合柱用进行了有限元模拟。结合有限元模型,分析初应力系数对加固后柱的轴压承载力的影响规律。初应力使得外包钢筋混凝土加固的钢柱荷载-变形位移曲线后移,轴力集中于钢骨,初应力系数对其承载力影响显著。分析表明:使用外包钢筋混凝土加固钢柱,初应力系数小于20%时,可按新建结构计算,初应力系数大于20%时,需要对强度进行折减。     

外包角钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱抗剪性能试验研究

外包角钢与碳纤维布(CFRP)复合加固钢筋混凝土柱是一种新型加固方式。对6根复合加固柱及1根未加固对比柱进行低周反复受剪性能试验研究,探讨影响复合加固柱抗剪性能的因素,并分析不同条件下CFRP与外包钢缀板的应变情况。试验结果表明,复合加固方法能显著提高钢筋混凝土柱的抗剪承载力,试验中最大提高47%,且复合加固柱在破坏时延性得到较大程度的改善。在轴压比较低的范围内,复合加固柱的抗剪承载力随轴压比的增大而增大,但其延性下降。随着钢缀板加固量的增大,复合加固柱的抗剪承载力随之增大。随着复合加固柱剪跨比的增大,其抗剪承载力随之降低,但外加片材应变增大。CFRP与角钢复合加固体系能很好的约束混凝土的横向变形,两种材料能良好地共同工作,但约束材料强度的发挥是有限的,在达到极限承载力时,两种加固材料都不能被充分利用。     

外包薄壁钢管加固受火后混凝土柱的抗震性能

通过2根未受火钢筋混凝土柱、2根受火后未加固钢筋混凝土柱和10根外包薄壁钢管加固受火后钢筋混凝土柱的拟静力试验,考察了轴压比、剪跨比、钢管厚度及加固方式等参数对外包薄壁钢管加固受火后混凝土柱抗震性能的影响情况,建议了外包薄壁钢管加固受火后混凝土柱受剪承载力的计算公式。结果表明：薄壁钢管加固可显著提高受火后混凝土柱的受剪承载力、极限变形和累计滞回耗能,且加固后试件的割线刚度与未受火试件相比相差较小。受火后剪跨比为1.78和3.0的混凝土柱加固后的承载力分别比相应的未加固柱的承载力提高了41.8%~47.0%和38.5%~74.4%。轴压比对加固后试件的受剪承载力、刚度、耗能能力和延性影响较大,对极限变形影响较小。薄壁钢管厚度对加固后试件的耗能能力影响较大,对受剪承载力影响较小。薄壁钢管根部焊接角钢并用螺栓锚固的方式可提高加固效果。     

埋入式钢柱脚的传力分析和设计计算

对埋入式钢柱脚的设计方法进行了研究,分析了其传力的机理。指出因为栓钉的存在,钢柱必然传递一部分轴力给外包混凝土柱,利用组合柱理论对外包混凝土的压力进行了计算,得到了简单的公式,通过算例发现,传递到外包混凝土的轴力是总轴力的25%～35%。根据这个传递比例,提出栓钉验算和柱脚底板计算的方法。同时,根据混凝土埋入式钢柱脚的弯矩和剪力的传递,介绍了混凝土埋入式钢柱脚抗弯强度的计算公式,对于边柱和角柱,提出了沿整个埋入深度设置水平U形钢筋的要求和计算方法。对于竖向抗冲切不足的问题,介绍了设置水平短钢梁将竖向力扩散到更大范围的方法。     

基于ANSYS的CFRP加固钢筋混凝土柱的轴压比分析

轴压比是影响钢筋混凝土柱结构受力性能的重要因素,本文主要研究了这种因素对钢筋混凝土柱以及CFRP加固后钢筋混凝土柱的力学性能的影响.通过用ANSYS有限元分析软件模拟低周反复位移加载,分析在不同轴压比条件下试件的力学性能.通过研究,本文建议在地震区钢筋混凝土柱的轴压比不大于0.6,这样就可以保证在钢筋混凝土柱的极限承载力得到一定程度提高的同时,其延性不会降低太多;在使用CFRP“围束条带两层＋纵向条带两层＋末端两层锚固”的方式加固后,其力学性能得到了不同程度的改善,轴压比的增大虽然使柱的变形能力减弱,但柱的水平承载力得到了显著提高,并进一步激发了纤维布对混凝土的约束作用,提高了纤维布的加固效果.     

碳纤维加固锈蚀钢筋混凝土柱轴压承载力的可靠性研究

为研究碳纤维加固钢筋混凝土柱轴压承载力变化规律,提出基于JC法的钢筋混凝土柱轴压承载力可靠度计算方法。考虑钢筋锈蚀率、碳纤维加固量、荷载效应比等因素,应用MATLAB计算软件进行数值分析,结果表明钢筋锈蚀后柱的可靠度指标偏低,若粘贴4层碳纤维布,可提升约33%柱的可靠度指标;在加固前后,柱的可靠度指标均随荷载效应比的增大而减小;钢筋的锈蚀率对结构可靠度指标影响显著,可靠度指标随锈蚀率增加而降低;碳纤维布每增加1层,柱的可靠度指标提高3.7%~5.8%。     

型钢再生混凝土柱水平承载力及轴压比限值的试验研究

通过7个型钢再生混凝土柱在低周反复荷载作用下的试验,对型钢再生混凝土柱水平承载力及轴压比限值进行研究。分析轴压比、体积配箍率和再生骨料取代率等3个因素对型钢再生混凝土柱水平承载力的影响。研究表明:柱的水平承载力随轴压比的增加而增加,但其延性系数逐渐降低;随着配箍率的增加,柱表现出较好的承载力;再生骨料取代率对柱承载力影响不大,总体与型钢普通混凝土柱一样具有较好的承载力和延性。从型钢混凝土柱正截面界限破坏时力的平衡条件出发,对型钢再生混凝土柱轴压比限值进行理论推导;结合试验数据及试件延性分析,提出型钢再生混凝土柱在不同抗震等级下的轴压比限值,以供工程设计参考。     

火灾后十字形型钢混凝土柱抗震性能试验研究

为研究分析火灾后十字形型钢混凝土柱的力学性能,以是否受火以及轴压比两个变化因素,设计3根受火和1根未受火的型钢混凝土十字形柱并进行低周反复荷载试验。受火试验后,对十字形柱的滞回曲线、位移延性系数、骨架曲线等力学性能进行分析。试验结果表明:十字形型钢混凝土柱在轴压比不同时表现的破坏形态不同,构件的破坏形态随轴压比的增加发生了由剪弯破坏到弯曲破坏再到剪切破坏的过程;较未受火试件,火灾对十字形型钢混凝土柱的材料力学性能造成损伤,试件耗能能力降低,水平极限承载力明显下降,同时试件的刚度退化也比较严重;在一定范围内提高轴压比,十字形型钢混凝土柱耗能能力增大,其延性系数减小,同时增大轴压比能够有效地提高试件的极限承载力、增大试件的刚度。     

H型钢腹板焊接栓钉的部分外包混凝土组合构件纵向受剪性能试验研究

通过13个在单调荷载作用下H型钢腹板焊接栓钉的部分外包混凝土组合构件的推出试验,对其破坏形态、荷载-滑移特性和纵向剪力传递性能进行了研究,分析了栓钉数量、栓钉直径、栓钉布置方式、型钢翼缘宽度、腹部混凝土箍筋布置方式及加载方式等对受剪承载力的影响。试验结果表明：H型钢腹板焊接栓钉的部分外包混凝土组合构件的主要破坏形态为外包混凝土劈裂破坏和栓钉剪断破坏;典型的荷载-滑移曲线可分为3个特征阶段,分别为无滑移阶段、荷载上升段及荷载下降段;腹部栓钉有效地提高了部分外包混凝土组合构件的纵向受剪承载力,且受剪承载力随栓钉直径的增大和栓钉数量的增加而增大;腹部栓钉纵向布置优于横向布置,栓钉纵向偏心布置对受剪承载力影响较小;宽翼缘型钢能更好地约束腹部混凝土,提高其受剪承载力;腹部箍筋不同布置方式对极限荷载的影响较小;通过分析构件的受力机理和纵向剪力传递模式,提出了H型钢腹板焊接栓钉的部分外包混凝土组合构件纵向受剪承载力算式,计算结果与试验结果吻合较好。     

加固钢筋混凝土柱抗震性能参数影响分析

为研究轴压比、新增纵向钢筋配筋率、新增箍筋的直径及间距对增大截面加固钢筋混凝土柱抗震性能的影响,建立了加固钢筋混凝土柱有限元模型,通过与加固柱在往复荷载作用下的试验滞回曲线进行比较,验证了模型的有效性,并将模型应用于加固柱的抗震性能分析中。参数分析结果表明:增大截面加固钢筋混凝土柱随轴压比的增加滞回曲线饱满程度降低,屈服后位移循环次数减少,不利于抗震;加固柱的水平承载力和刚度随着新增纵筋配筋率的增加而大幅提升;减小加密区的箍筋间距、增加新增箍筋的直径改善增大截面加固柱的延性性能效果显著。     

钢筋混凝土短柱高温后剩余承载力研究

为研究钢筋混凝土短柱在经历高温全过程后的剩余承载力规律,对尺寸为300mm×300mm×900mm的钢筋混凝土短柱按ISO834标准升降温曲线进行了高温全过程试验,分析了轴压比、升温时间和体积配箍率等因素对剩余承载力的影响。试验结果表明,当轴压比n0.6时,剩余承载力随轴压比增大而增大;当升温时间t3小时,剩余承载力随时间增大而减小;当体积配箍率ρ_v在0.68%~1.06%范围内,剩余承载力随体积配箍率的增加而增大,且效果显著。通过对试验结果的拟合,得到了钢筋混凝土短柱高温后剩余承载力的计算公式,为今后开展钢筋混凝土短柱火灾高温后力学性能分析以及火灾后修复提供一定的理论参考。     

截面高宽比对约束混凝土柱轴压性能影响研究

对4个不同高宽比的碳纤维布约束型钢混凝土短柱进行轴压试验,结果表明构件高宽比越大,加固后变形能力增长越好。随后在数值模拟基础上,对更大参数范围的约束型钢混凝土柱和钢筋混凝土柱做比较分析,发现对截面高宽比小的柱实施约束加固易获得承载力加固效果,而对大高宽比柱则易获得延性加固效果;且在高宽比大于2.0的情况下,约束型钢混凝土柱比钢筋混凝土柱仍具有较好加固效果,碳纤维布有良好的应变发挥,组合柱截面内存在混凝土有效约束区。     

中国钢筋混凝土柱的位移角统计分析

根据收集到的80根中国的钢筋混凝土柱在固定轴向荷载和水平反复荷载作用下的试验结果,分析回归出试验柱的延性系数和各位移角与剪跨比、轴压比、配箍特征值之间的关系.结果表明;钢筋混凝土柱的延性系数随着轴压比和剪跨比的增加而减小,随配箍特征值的增加而增加,且都近似呈线性关系;随着轴压比的增大,屈服位移角和极限位移角均增大,最大位移角则随着轴压比的增大而减小;随着剪跨比的增大,屈服位移角、最大位移角和极限位移角均增大;随着配箍特征值的增大,屈服位移角、最大位移角和极限位移角亦相应增大.通过对试验柱位移角进行频数统计分析可知,我国建筑抗震设计安全水准偏低,现行规范的屈服位移角和极限位移角限值有提高的余地.     

钢筋混凝土框架柱增设剪力墙加固抗震性能分析

为了研究轴压比、剪力墙厚度及长度对增设剪力墙加固的钢筋混凝土框架柱在单调荷载作用下抗震性能的影响,在考虑加固柱的二次受力特性的前提下,采用数值模拟的方法分析加固柱的P-△曲线和刚度退化曲线.结果表明：随着轴压比的增大,加固柱抗侧承载力增加,刚度、延性降低;剪力墙厚度及长度的增大使加固柱的承载力得到了提高,但高轴压比下,通过增加剪力墙厚度及长度加固钢筋混凝土框架柱会使加固后柱的延性降低,刚度退化程度加大.     

型钢-方钢管混凝土轴压短柱非线性分析

采用ABAQUS有限元软件对型钢-方钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形曲线进行了有限元分析,探讨了型钢-方钢管混凝土轴压短柱、等截面普通方钢管混凝土轴压短柱、等截面且等体积含钢率的型钢-圆钢管混凝土轴压短柱的内力变化情况。分析结果表明:三种短柱中型钢-圆钢管混凝土轴压短柱的极限承载力最大且延性最好;与等截面普通方钢管混凝土轴压短柱相比,型钢-方钢管混凝土轴压短柱中核心混凝土纵向应力有所增长,钢管屈服后纵向应力降低速率、环向应力增加速率减缓,钢管对核心混凝土的约束作用减小;与等截面且等体积含钢率的型钢-圆钢管混凝土轴压短柱相比,型钢-方钢管混凝土轴压短柱角部端点的约束效果最明显,钢管中点的约束效果最弱,型钢-圆钢管对核心混凝土的整体约束最强,型钢屈服后纵向应力略低于其屈服强度,且型钢的翼缘部分抗压强度比腹板部分的抗压强度高;等型钢含量情况下,随着翼缘长度b与腹板高度h比值的增大,轴压短柱的极限承载力越来越低,当b/h=0,即十字形钢骨-方钢管混凝土轴压短柱承载力最高;等体积含钢率下,普通方钢管混凝土柱轴压短柱承载力最低,随着型钢截面面积As与方钢管截面面积At的比值的增大,轴压短柱的极限承载力先增后降,当As/At≈0.8时,承载力达到最大值。     

不同轴压比对型钢混凝土压弯柱承载力影响的ANSYS分析

通过有限元分析在不同轴压比的情况下对型钢混凝土柱受弯承载力的影响,得到了不同轴压比下型钢混凝土的极限受弯承载力,以及曲率,并且探讨了在轴压比不断增大的情况下,极限受弯承载力的变化和曲率的变化情况。计算结果表明,在轴压比较大时承载力没有降低,但曲率变化很大。因此,建议在抗震设计时,应建立不同轴压比范围下构件的恢复力模型。