组合式十字形钢管混凝土柱轴压力学性能试验研究

基于钢筋混凝土异形柱的设计思路,提出了一种组合式十字形钢管混凝土柱。利用方钢管和槽钢焊接形成有多腔室的钢管混凝土柱。以试件长度和截面形式为主要参数,共设计制作5个试件。通过对其进行轴心受压试验研究,考察了试件的破坏形态和荷载-应变关系曲线,并分析了各参数对此新型截面形式钢管混凝土柱轴压承载力和延性的影响。组合式十字形钢管混凝土试件最终破坏形态为沿试件长度方向分布多个较小鼓曲。试验结果表明,钢管对混凝土约束良好,该组合形式有效提高了十字形异形柱的承载力并改善了其延性;相同截面形式的组合式十字形钢管混凝土极限承载力随着柱高的增加,略有下降;相同柱高、不同截面形式的钢管混凝土柱,随着柱肢长度的增加,其极限承载力显著增加;在现行规范的基础上,提出了组合式十字形钢管混凝土柱轴压承载力计算公式,根据该公式计算所得理论值与试验值吻合较好。     

薄壁钢管混凝土轴压短柱力学性能研究

对7种不同截面形式的12根钢管混凝土短柱进行了轴压力学性能试验,观察了12根短柱的试验过程和破坏形态,获得轴压短柱的荷载-位移曲线,分析了套箍系数ξ对轴压短柱力学性能的影响;基于试验荷载-位移曲线,给出短柱的极限承载力,为不同截面形式的钢管混凝土轴压短柱承载力计算公式的建立提供依据。     

环筋约束下超短混凝土试件的方形局部受压试验

为研究节点区柱钢管全断开式方钢管混凝土柱-混凝土梁节点的力学性能,对3个节点核心区试件进行轴压试验。研究节点核心区相对高度(环梁高度与环梁宽度的比值)对试件破坏形态、承载力的影响。试验结果表明,试件均具有较大的极限承载力与良好的延性,方钢管混凝土结构中采用全断开节点形式的思路可行;相对高度不同的试件破坏形态存在明显差异,随着试件相对高度的增大其极限承载力明显下降,但相对高度较大的试件具有更好的抗裂性能。钢管全断开式圆钢管混凝土柱节点的轴压极限承载力计算公式同样适用于钢管全断开式方钢管混凝土柱节点。     

内置钢骨组合L形截面钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

为提高异形截面钢管混凝土柱的轴压承载力,提出内置钢骨组合异形截面钢管混凝土柱。考虑套箍指标、配骨率等参数的影响,设计制作12个内置钢骨组合L形截面钢管混凝土短柱及3个未配置钢骨的组合L形截面钢管混凝土短柱两类试件;通过轴心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-纵向应变曲线和承载力,分析各参数对试件力学性能的影响,并对比两类组合柱轴压性能的差异。在试验研究基础上,参考国内外相关规范,提出内置钢骨组合L形截面钢管混凝土短柱轴心受压承载力计算式。研究表明,内置钢骨组合L形截面钢管混凝土短柱轴压承载力高,增大套箍指标和配骨率可以明显提高试件承载力,所提出的承载力计算式可供工程设计参考。     

钢管再生混凝土轴压长柱试验研究及力学性能分析

设计5个圆钢管再生混凝土长柱和5个方钢管再生混凝土长柱,对其进行轴压静力单调加载试验,考虑截面形式、再生粗骨料取代率、长细比3个变化参数,观察试件受力的全过程和破坏形态,得到试件屈服应变、峰值变形、承载力等重要特征点数据,绘制出荷载-变形、荷载-应变、轴压刚度-变形等关系曲线,并分析变化参数对试件承载力的影响规律,采用相关规程计算2种截面形式的钢管再生混凝土轴压长柱的承载力以及在正常使用极限状态下的刚度。试验研究和计算结果表明：钢管再生混凝土轴压长柱受力过程均经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,破坏形态主要有材料强度破坏和弹塑性失稳破坏;再生粗骨料取代率对钢管再生混凝土轴压长柱的承载力影响不大;长细比对圆钢管再生混凝土试件承载力影响较大,随长细比的增加,试件的承载力逐渐降低,而对方钢管再生混凝土试件承载力影响较小。基于计算结果,给出了2种截面形式的钢管再生混凝土轴压长柱的承载力及轴压刚度的设计建议。研究结果可为钢管再生混凝土结构的进一步研究和推广应用提供参考。     

十字形钢管混凝土柱框架中节点抗震性能试验研究

以十字形截面钢管混凝土异形柱-钢梁框架中柱节点为研究对象,按1∶2比例设计了4个弱节点和强节点模型,通过施加恒定轴压比的竖向荷载和低周反复水平荷载,对节点模型进行了加载破坏试验。试验结果表明:弱节点试件破坏形态为节点核心区剪切破坏,随轴压比增大,试件受剪承载力提高,但其延性性能降低;强节点试件破坏形态为梁端受弯破坏,破坏前经历了较大的塑性变形,延性系数达到了5.65。由此可见,合理地设计钢管混凝土异形柱-钢梁框架中节点,可保证其延性破坏,实现"强柱弱梁,节点更强"的设计原则,满足抗震性能要求。     

大径宽比钢管混凝土叠合柱轴压试验

为研究大径宽比钢管混凝土叠合柱的轴压性能,设计制作了外径在400～600 mm范围内、含钢管率在3.70%～6.75%范围内的6根大径宽比钢管混凝土叠合短柱试件,并对其进行轴压试验。使用亚克力棒测量了钢管内部混凝土的应变,给出了不同柱径试件各部位的典型应变增长曲线。结合试验结果,引入考虑试件尺寸效应的混凝土材料强度折减系数,提出了适应大径宽比钢管混凝土叠合柱的极限承载力计算公式。结果表明:大径宽比叠合柱达到峰值荷载后承载力下降缓慢,具有较好的延性; 含钢管率的提升直接增强叠合柱的承载力,含钢管率为6.08%的试件比含钢管率为3.70%的试件承载力高27.3%; 不同尺寸试件的破坏特点存在差异,一般表现为尺寸越大,破坏越显脆性,但不同尺寸试件的各部位典型应变增长模式基本一致; 叠合柱外部钢筋混凝土在加载中后期对承载力贡献较小。     

设直肋方形薄壁钢管混凝土短柱的试验研究与有限元分析

为改善薄壁钢管混凝土柱的力学性能,提出了设冷弯直肋方形薄壁钢管混凝土柱的新型结构形式。进行了无肋、单向设直肋和双向设直肋的3种截面形式、200mm×200mm和300mm×300mm两种截面尺寸的18个薄壁钢管混凝土轴压短柱的试验。结果表明:设肋的薄壁钢管混凝土短柱以剪切破坏模式为主;肋与混凝土在试件破坏之前,均能保持良好粘结。截面为200mm×200mm设直肋的短柱能达到较高的极限承载力,与无肋的试件相比,单向设直肋短柱的极限承载力提高了15%,双向设直肋的提高了26%。采用有限元程序ABAQUS 6.4进行了模拟计算,计算结果与试验结果吻合良好;通过数值计算,研究了截面尺寸相同的素混凝土短柱及无肋、单向、双向设直肋薄壁钢管混凝土轴压短柱的柱中截面混凝土纵向应力的分布规律,为深入开展设肋薄壁钢管混凝土短柱的研究提供了依据。     

焊接不锈钢方管混凝土短柱轴压性能试验研究

通过对18根焊接不锈钢方管混凝土短柱模型试件的轴压试验,观察了各试件的破坏现象,分析了混凝土强度、试件高宽比和钢管板件宽厚比试件轴压承载力的影响,得到了荷载-位移曲线,荷载-应变曲线及柱截面应变强度分布曲线。根据试验现象,试件的破坏模式可以归为两类：一类为钢管在整个柱表面范围内发生局部凸曲,靠柱中焊缝破坏;另一类为局部凸曲未能发展到整个柱表面,在端部或者端部附近焊缝破坏。试验结果表明：混凝土强度越高,试件的轴压承载力越大,但钢管对核心混凝土的约束作用相对减小;焊接不锈钢方管混凝土短柱轴压承载力随试件高宽比的增大而增大,随钢管板件宽厚比的减小而减小;试件截面的角部存在应力集中现象,即截面角部的应力大于截面其余部位的应力;焊接不锈钢方管混凝土短柱具有很好的变形能力,其破坏属于延性破坏,具有良好的安全储备;焊缝强度是影响焊接不锈钢方管混凝土短柱承载力的一个主要因素。     

钢管高强再生混凝土柱轴压性能试验研究

为研究钢管高强再生混凝土柱与钢管高强普通混凝土柱轴心受压性能的差异,进行了圆形和方形两种截面形状、高强普通和再生两种混凝土、方钢管内配置与不配置钢筋两种构造的5个钢管混凝土足尺试件轴压性能对比试验。通过试验,分析了混凝土种类、截面形状和配置钢筋对试件承载力、耗能及延性的影响。试验结果表明：钢管再生混凝土柱的损伤发展过程和破坏形态与钢管普通混凝土柱相似;在截面积、含钢率、材料强度相同的条件下,圆形截面试件较方形截面试件具有更高的承载能力和较好的变形能力;混凝土种类对方形截面试件轴心受力性能影响不大;方钢管内配置钢筋可加强对核心混凝土的约束作用,提高试件的承载力和变形性能。根据国内外相关规程对试件的轴压承载力进行了计算,引入尺寸效应影响系数,提出了方钢管混凝土柱承载力计算式,计算结果与试验结果符合较好。     

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。     

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。     

多室式钢管混凝土T形短柱轴压性能试验研究

对钢管混凝土T形柱进行合理的改进,提出多室式钢管混凝土T形柱(MT-CFST柱)。进行12个短柱试件的轴压试验并对其破坏过程作了详细描述,给出试件的轴压应力-纵向平均应变曲线,同时也考察试件的破坏形态及截面各尺寸、板件布置方式、钢板厚度、混凝土强度等因素对试件力学性能的影响。试验结果表明:多室式钢管混凝土T形柱能较好地增强T形截面内钢材对混凝土的约束作用,发挥两种材料的组合性能;试件的破坏以局部鼓曲和整体剪切两种形式为主,轴压性能受腹板高度、钢板厚度及混凝土强度的影响较大。同时,参考国内外4种钢管混凝土规范中的计算方法对试件的承载力进行计算,经过对比后发现,按EC4规范计算的结果与试验结果符合最好。     

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。     

新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点拟静力试验研究

以轴压比为主要变化参数,对两种类型共4个1∶1足尺模型的新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点进行了拟静力试验。试验观察了试件的受力过程和破坏形态,得到了梁端荷载-位移滞回曲线和骨架曲线,并对比分析了试件的刚度退化、延性和耗能能力。结果表明:两种节点破坏均属于延性破坏,破坏时C型钢梁发生平面外屈曲,形成塑性铰,钢梁下翼缘、腹板与柱焊接处拉裂,钢管混凝土柱-空钢管梁节点还在空心钢管梁上出现塑性铰;随着轴压比的增大,空钢管柱-空钢管梁节点初始刚度变化不大,而钢管混凝土柱-空钢管梁节点刚度有所减小,两种节点的延性均明显降低,极限承载力也有所下降,其中钢管混凝土柱-空钢管梁节点下降幅度更大。至于钢管混凝土柱-空钢管梁节点刚度则明显大于空钢管柱-空钢管梁节点,且滞回曲线较饱满,在极限承载力、延性和耗能指标等方面均优于空钢管柱-空钢管梁节点。     

钢管混凝土柱在纯扭和压扭荷载下的抗震性能研究

为研究钢管混凝土的抗扭性能,完成8个钢管混凝土柱试件在纯扭和压扭荷载下的拟静力试验,变化截面形式、含钢率和轴力大小等参数。试验结果表明:钢管混凝土柱在往复扭矩荷载作用下的滞回曲线非常饱满,没有"捏拢"现象产生,卸载刚度几乎等于初始弹性刚度,试件的强度和刚度的损伤退化程度较低,具有较好的耗能能力。轴力较小时,轴力对钢管混凝土柱的抗扭承载力有提高作用,且延性较好;但轴力较大时,轴力将削弱钢管混凝土柱的抗扭承载力。在纯扭荷载作用下,钢管内的混凝土由于斜向开裂形成螺旋斜压杆,斜向压力的轴向分量由钢管的轴向拉力平衡,导致钢管存在拉应变。在纯扭和压扭荷载作用下,钢管剪应变与扭转角之间存在较好的线性关系。基于试验结果和已有文献研究成果,较为全面地分析钢管混凝土的抗扭机理,为进一步开发可考虑扭转作用的钢管混凝土杆系单元提供研究基础。     

外方内圆复合钢管高强混凝土柱抗震性能试验研究

为研究外方内圆复合钢管高强混凝土柱的抗震性能,完成了6个试件的拟静力试验。试验主要变化参数为轴压比、方钢管壁板厚度及其宽厚比、圆钢管混凝土套箍指标。试验结果表明：6个试件的破坏形态基本相同,均为距柱底约300 mm高度范围内方钢管外鼓屈曲,方、圆钢管之间混凝土局部破坏;试件的水平荷载 位移滞回曲线饱满,无明显捏拢;峰值水平荷载时,轴压比设计值约为1.0的试件位移角略小于1/100,其它5个试件位移角均大于1/100;减小方钢管壁板的宽厚比,或增大圆钢管混凝土的套箍指标,可增大试件的初始割线刚度以及极限位移角;增大方钢管壁板的厚度,可提高试件在轴压力作用下的正截面受弯承载力。采用叠加方法与平截面假定方法计算试件在轴压力作用下的正截面受弯承载力,计算值与实测值吻合较好。     

带有芯钢管的钢管混凝土节点的受力机理

在已破坏的钢管混凝土梁-柱节点试件上,截取尚未破坏的节点区域,研究带有芯钢管的钢管混凝土节点的受力机理。对节点采用不同加载方式使其破坏,从其破坏过程、破坏形态及荷载-位移曲线等方面,分析在不同加载方式下节点各组成部分的工作状态、特点及性能差异。研究结果表明:对节点全截面加载可得到节点的最大承载力,仅对芯钢管内混凝土加载可得到节点最小承载力,其最小承载力大于所连接的钢管混凝土柱的承载力,满足节点要求;对于不同加载方式,节点的芯钢管受力状态不同,但无论何种加载方式,芯钢管、外围密排环箍主要为间接受力,起约束核心混凝土的作用。     

设肋方形薄壁钢管混凝土短柱试验研究

为改善方形薄壁钢管混凝土矩柱的力学性能。本文提出了设置纵向劲肋的截面形式,进行了3种截面形式共有9个短柱试件的轴压试验。通过对各种截面形式短柱的试验现象、荷载-位移曲线及极限承载力等的研究,证明纵向加劲肋可有效提高薄壁钢管混凝土短柱的静力性能。     

钢管高强混凝土组合柱抗震性能试验研究

为研究钢管高强混凝土组合柱的抗震性能,完成了10个试件的拟静力试验。试验主要变化参数为轴压比和配箍特征值,探讨了组合柱在反复水平荷载作用下的破坏形态、滞回特性、位移延性、耗能比、截面应变分布和承载力等受力性能。试验结果表明:10个试件的破坏形态为柱根部混凝土压溃而丧失竖向承载力,力-位移滞回曲线饱满,位移延性系数在4.0以上,极限位移角大于1/40,以耗能比表示的耗能能力接近。用平截面假定和叠加法计算得到的试件在轴压力作用下的正截面承载力与试验结果符合较好,《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(CECS 188:2005)方法计算的正截面承载力偏小较多。