风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒在往复扭矩作用下的破坏机理研究

本文基于ABAQUS有限元软件,建立了风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒在纯扭往复荷载作用下的“壳-实体”精细有限元模型,并进行了数值模拟计算。有限元模型计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上,对风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒在纯扭往复荷载作用下的变形过程、破坏形态和机理进行了分析。研究表明,风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒在达到极限承载力之前,具有较好的组合工作性能,风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒在往复扭矩作用下的破坏过程为钢管的鼓曲变形进一步发展为鼓曲区域钢材低周疲劳开裂破坏,同时提出了风电中空夹层钢管混凝土结构塔筒受扭承载力简化计算方法,计算结果与试验结果吻合较好,可用于工程设计参考。     

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横向局压性能研究

为研究方中空夹层钢管混凝土的横向局压性能,利用ABAQUS软件建立了非线性有限元分析模型,同时以压杆与试件外边长比和空心率为参数,进行了6个试件的试验研究,分析比较了试件破坏形态、荷载 位移曲线、荷载 应变曲线和承载力模拟结果与试验结果的差异及其产生的原因。结果表明:横向局压荷载作用下方中空夹层钢管混凝土具有较好的力学性能;有限元模拟得到的方中空夹层钢管混凝土横向局压性能总体上与试验结果吻合良好。     

十二边形中空夹层钢管混凝土短柱的局部稳定研究

对于不同径厚比中空夹层钢管混凝土短柱构件进行了轴压试验,该试件由内外十二边形钢管之间浇筑混凝土而成。通过试验获得了试件的受压局部屈曲模式和承载能力,建立了有限元模型并通过与试验结果比较得到验证。通过有限元参数分析研究了外管宽厚比对内外钢管和混凝土的影响规律。分析了现有圆形中空夹层钢管混凝土构件设计公式对于十二边形构件的适用性,提出了修改后的设计公式,结果可为工程设计提供依据。     

不同材料内管的圆中空夹层钢管混凝土构件轴压性能研究

为了研究不同材料内管对圆中空夹层钢管混凝土构件力学性能的影响,设计了内管为钢管、PVC管和PPR管的3种、共5根圆中空夹层钢管混凝土试件。对所有试件进行轴压试验并对其整体和内部的破坏形态、荷载-纵向应变关系曲线、平均应力-应变关系曲线及横向应变发展规律进行分析,运用有限元分析软件ABAQUS对试件进行了轴压全过程模拟。结果表明:PVC内管和PPR内管试件破坏时的斜向鼓曲更为明显,其极限承载力、组合弹性模量和延性均逊于钢内管试件;PVC内管试件的横向应变发展最快;提出的有限元模型能够较好地模拟所有试件的前期刚度和钢内管试件的极限承载力;与钢内管相比,PVC管和PPR管在轴压全过程中仅承担微小的轴向荷载,且其与夹层混凝土的相互作用几乎为零;PVC内管的圆中空夹层钢管混凝土构件不可用于承重结构中,而PPR内管的圆中空夹层钢管混凝土构件可用于工程中。     

方中空夹层钢管混凝土压弯扭构件试验研究

以长细比、空心率和轴压比为主要变化参数,进行了5个方中空夹层钢管混凝土和2个方实心钢管混凝土压弯扭构件的试验研究。采用有限元软件ABAQUS对压弯扭试件的扭矩-转角全过程关系进行计算,计算得到的扭矩-转角关系曲线在达到承载力之前与试验结果符合较好。通过典型算例进行计算,从钢管与混凝土各自承担的荷载、轴压比和空心率对扭矩-转角关系曲线的影响三个方面对方中空夹层钢管混凝土压弯扭的工作机理进行了分析。研究结果表明：随着轴压比（n≥0.2）的增大,试件抗扭强度承载力越小;偏心率较小时,空心率越大抗扭承载力越大,延性越好。 关键词：     

矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件静力力学性能参数分析

采用正交试验设计方法分析一些关键参数的影响程度,利用建立的有限元模型分析矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件在轴压情况下核心混凝土强度、名义含钢率、内外钢管屈服强度、截面长宽比、截面空心率等参数对其极限承载力及荷载-变形关系曲线的影响,得出了一些有益的结论。     

八角形中空钢管混凝土组合柱轴压力学性能

通过对八角形中空钢管混凝土组合柱与八角形中空钢筋混凝土柱对比试件进行了轴心受压试验与有限元分析,重点研究了八角形中空钢管混凝土组合柱的试验现象、试验全曲线、受力全过程以及试件各部分接触作用,并基于修正的GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》计算并对比分析了试件的承载力与轴压刚度。结果表明：轴压荷载作用下,混凝土、纵筋与内钢板能够协同工作;中空方形高强RC短柱表现出较高的承载力和刚度;截面尺寸与混凝土强度对构件承载力、轴压刚度和延性影响显著,内钢板厚度对其承载力、刚度和延性影响不明显;采用修正的《混凝土结构设计规范》对该类构件承载力预测结果较为保守,对轴压刚度预测较好。     

矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件的试验研究

对6根矩形中空夹层钢管混凝土和1根矩形实心钢管混凝土短柱试件进行轴压试验,研究了内外钢管的长宽比对短柱的力学性能的影响。试验结果表明:比较内管相同的试件,外管截面尺寸较大者其轴压承载力略高;比较外管相同的试件,由于混凝土的减少和内管的局部屈曲,轴压承载力随内管的增大略有下降,本次试验中的实心钢管混凝土短柱的轴压承载力略高于中空夹层钢管混凝土短柱。同时用ABAQUS有限元软件对试件轴压全过程进行了模拟,计算结果与试验结果吻合良好。     

圆锥形中空夹层钢管混凝土偏压构件受力性能研究

将圆锥形中空夹层钢管混凝土用于风电塔筒或输电塔架时,为满足在塔筒内设置设备等需求而将该类构件空心部分加大。为研究该类构件的偏压受力性能,进行了12个大空心率下的圆锥形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件的试验研究,主要试验参数为荷载偏心率和长细比。利用ABAQUS软件建立有限元分析模型,对圆锥形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件的典型破坏模态和荷载-变形关系曲线进行模拟,所得计算结果与试验结果基本吻合。通过典型算例分析了受力过程中钢管和混凝土各自所承担的荷载和纵向应力分布情况,同时分析了内、外钢管与混凝土之间相互作用力的变化情况。结果表明：偏心率和长细比对圆锥形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件承载力及刚度有显著影响;该类构件力学行为与等截面圆中空夹层钢管混凝土偏心受压构件类似,锥度的存在使破坏位置从等截面柱的中部上移到锥形柱的3/4柱高处(柱顶处),因此在设计大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土偏压(压弯)构件时应考虑柱头处加强。同时,对该类构件压弯承载力计算方法给出了建议。     

中空夹层钢管再生混凝土短柱受压性能分析

为了研究震后建筑废弃物再生混凝土材料及其钢管短柱的力学性能,以混凝土的再生骨料取代率为主要参数,分别进行了10个圆中空和10个方中空夹层钢管再生混凝土短柱的轴压试验研究,比较了试件的荷载变形曲线和极限承载力关系.结果表明：随着再生骨料取代率的增大,试件的极限承载力逐渐降低,100%再生骨料取代率的圆中空试件和方中空试件比原生骨料试件的极限承载力分别下降16%和10%.在确定试件钢材和核心再生混凝土的应力应变模型的基础之上,利用数值计算方法对中空夹层钢管再生混凝土的荷载应变全过程关系进行了分析,理论计算结果与试验结果吻合较好.建立了中空夹层钢管再生混凝土轴压试件极限承载力的实用验算方法.     

内钢板中空方形钢管混凝土叠合柱轴压力学性能研究

为研究中内钢板中空方形钢管混凝土（CFST）叠合柱的轴压力学性能,以内钢板与钢管的强度和壁厚为参数对8个叠合短柱进行轴压试验,以截面尺寸、钢管内外混凝土强度、钢材强度、纵筋与钢管用钢量分配为参数对81个叠合短柱进行有限元分析,对典型构件受力全过程、各部分接触作用以及承载力进行研究。在美国结构设计规范ANSI/AISC 360-16、欧洲钢结构设计规范BS EN 1994-1-1、GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》和T/CECS 663—2020《钢管混凝土加劲混合结构技术规程》的组合柱承载力计算公式中增加内钢板承载力项,得到内钢板中空方形CFST叠合构件的轴压承载力计算式。结果表明：轴压荷载作用下,内钢板中空方形CFST叠合柱钢管外混凝土、内钢板、钢管、纵筋以及核心混凝土能协同工作;内钢板强度与壁厚对构件承载力、延性和刚度影响均较小;截面尺寸和混凝土强度对构件承载力贡献最大,但构件延性随着混凝土强度的增大而降低。在T/CECS 663—2020和ANSI/AISC 360-16的组合柱承载力计算公式中增加内钢板贡献项计算得到的承载力值与试验和有限元结果最为接近。     

热轧H型钢组合柱轴压承载性能研究

热轧H型钢组合柱是由热轧H型钢与钢板焊接拼合而成,并在内部灌注混凝土形成钢-混凝土组合截面构件。为研究热轧H型钢组合柱的轴压承载性能,完成了3个热扎H型钢组合短柱轴压试验,得到了试件在轴压荷载下的破坏形态、荷载-位移关系曲线和荷载-应变关系曲线等。建立了经试验验证的精细化有限元模型,并以钢材强度、混凝土强度和长细比为关键参数进行分析。研究结果表明:热轧H型钢组合柱的延性很好,但是试件端部H型钢外伸翼缘由于约束较弱,所以轴压荷载作用下先行屈曲;试件截面中部腹板拼接焊缝处钢板的宽厚比较大,易出现局部稳定问题;采用的有限元模型可准确模拟试件在轴压荷载下的破坏形态、荷载-位移关系等。在混凝土强度等级C20~C90、钢材强度等级Q235~Q420范围内,基于试验和有限元分析结果,提出钢-混凝土组合构件的轴压短柱承载力和中长柱的稳定承载力计算公式,公式计算结果与试验值及有限元分析值吻合较好。     

中空夹层钢管混凝土试验与设计

对中空夹层钢管混凝土构件进行了加载试验研究,该试件由内外十二边形钢管之间灌注混凝土而成,试件分别受轴力和弯矩作用。通过试验获得了试件的破坏模式和极限承载力,试验结果表明,内外钢管均会发生受压局部屈曲,与相关规范公式和已有公式的计算结果进行比较,中空夹层钢管混凝土构件已在实际工程中得到成功应用,取得了良好的经济效益。     

中空夹层薄壁钢管混凝土短柱轴压性能研究

进行了9个轴压短柱的试验研究,考察空心率和径厚比对方套圆中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱力学性能的影响。试验发现中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱具有较好的延性和较高的承载力。接着对中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱进行了数值模拟,数值模拟结果与实测结果吻合良好。机理分析表明:外钢管的约束效果主要集中在角部,纵向加劲肋可很好地提高外钢管的承载力。参数分析表明中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱的承载力随着钢管屈服强度、混凝土强度或径厚比的增大而增大;构件的延性随着空心率的增大而增大。最终建议了中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱承载力的简化计算公式。     

方钢管混凝土柱轴压承载力有限元分析

本文采用有限元分析软件ABAQUS建立了9根方钢管混凝土柱的有限元分析模型,对模型在轴压力作用下的承载力进行了数值模拟,考虑了影响试件轴压承载力的主要因素,包括:轴压比、钢板强度和混凝土强度。研究结果表明:随着混凝土强度的增加,试件屈服荷载和峰值承载力均有明显提高;但随着轴压比的增加,承载力反而会降低;随着钢板强度等级的增加,屈服荷载几乎保持不变。因此提高方钢管混凝土柱承载力最有效的办法是提高混凝土强度等级。     

方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能研究

以轴压比和空心率为主要参数,进行了12个方中空夹层钢管混凝土试件和4个方实心钢管混凝土试件滞回性能的试验研究。试验表明:方中空夹层钢管混凝土和方实心钢管混凝土荷载-位移滞回曲线饱满,其延性明显优于空钢管试件;轴压比越大的试件,初始刚度越大,但刚度后期退化越快。比较了国内外较典型的几种设计规范(程)对试件抗弯刚度的计算,结果表明,AISC-LRFD(1999)、EC4(1994)、BS5400(1979)、DBJ 13-51(2003)的计算结果与实测的初始抗弯刚度较吻合,DBJ 13-51(2003)的计算结果与实测的使用阶段抗弯刚度最接近。在确定了钢材和混凝土的本构关系的基础上,采用数值方法对荷载-位移滞回曲线进行了计算,理论计算结果与试验结果较吻合。最后分析了轴压比、空心率、长细比、名义含钢率、材料强度等参数对荷载-位移骨架曲线的影响。     

中空型外壁钢板-混凝土组合桥塔塔柱承载力研究

以某跨海大桥原型设计提出的一种新型中空型外壁钢板-混凝土组合桥塔塔柱为背景,设计制作了4个中空型外壁钢板-混凝土组合塔柱试件。通过轴心受压试验,研究中空型外壁钢板-混凝土组合桥塔塔柱破坏过程,并分析混凝土强度、钢板厚度、连接件型式等参数对试件轴压性能的影响。采用ABAQUS软件进行有限元模拟,分析不同结构型式和设计参数(混凝土强度、钢板强度和钢板厚度)对组合塔柱受力性能的影响。研究表明：中空型外壁钢板-混凝土组合塔柱具有优异的承载能力和延性,其承载能力和延性与内外壁钢板-混凝土组合塔柱相当,明显优于普通钢筋混凝土柱;提高混凝土强度、钢板强度和增加钢板厚度均能够提高组合塔柱承载力,但对结构刚度提高不明显。研究成果可为大跨桥梁设计提供参考。     

轴压荷载下中空夹层钢管混凝土抗扭性能试验研究

以轴压比及截面尺寸为参数,对12个中空夹层钢管混凝土试件进行压-扭试验,并结合数值模型分析了扭转全过程截面剪应变开展及钢管与夹层混凝土相互作用力.结果表明:较小的轴向压力对极限抗扭承载力及扭转刚度均影响甚微,所有试件均表现出较好的延性.承载力受外钢管强度影响较大,受混凝土强度影响较小,夹层混凝土对组合抗扭强度提高的作用...     

不锈钢管中管混凝土轴压试验研究

不锈钢具有良好的耐腐性与延性,为了探究海洋平台新型不锈钢导管腿性能,共进行了5组不同空心率的不锈钢与普通钢管中管混凝土试件的轴压试验对比研究,主要对两种材质试件进行了破坏模式、荷载-位移曲线及荷载-应变曲线的对比。研究表明:不锈钢与普通钢管中管混凝土试件均呈腰鼓型破坏;不锈钢管中管混凝土试件的延性比普通钢管中管混凝土试件的延性好。采用有限元软件ABAQUS对不锈钢管中管混凝土短柱轴压力学性能进行了数值模拟分析,得到的有限元计算值与试验结果吻合良好。