轴压作用下矩形钢管混凝土柱性能研究

为对比分析设置不同传力构件对矩形钢管混凝土柱在轴压作用下共同工作性能的影响,在钢管壁内侧设环向加劲肋和栓钉,不考虑钢管壁与核心混凝土间的摩擦粘结作用,利用有限元软件ABAQUS,进行轴压作用下矩形钢管混凝土柱共同工作性能研究分析。结果表明,在矩形钢管混凝土柱楼层节点区钢管壁内设环向加劲肋和栓钉,混凝土浇筑理想施工情况下,可以将作用在钢管壁上的部分外荷载传递于核心混凝土,迫使混凝土参与部分工作,改善了矩形钢管混凝土柱的受力性能,且栓钉作用较小。     

不同腔体构造矩形截面钢管混凝土柱轴压性能试验研究

为研究多腔体钢管混凝土巨型柱腔体构造措施对其轴压性能的影响,以北京中国尊大厦巨型柱截面长轴两端受力较大的矩形截面腔体为原型,进行了6个不同腔体构造措施1/4缩尺的矩形钢管混凝土柱轴压性能试验。采用竖向重复加载,研究了各试件的破坏过程、荷载 位移曲线、承载力、耗能、刚度退化和应变,分析了腔体内加设竖向加劲肋、水平拉结筋、栓钉、横隔板、钢筋骨架等构造措施对试件轴压性能的影响。提出了不同腔体构造措施矩形截面钢管混凝土柱的承载力计算方法,其计算结果与试验结果符合较好。对试件轴压性能进行了有限元模拟,有限元模拟损伤形态和分析结果与试验结果符合较好,并分析了不同腔体构造参数对其轴压性能的影响。研究表明：腔体内设置竖向加劲肋,可分担轴力,延缓钢管屈曲,增强对混凝土的约束,提高构件刚度、承载力和延性;竖向加劲肋间设置拉结钢筋,极限荷载后,可增强钢管对混凝土的约束,延缓钢管混凝土柱轴压性能退化;腔体内设置栓钉,极限荷载后,可增强钢管与混凝土共同工作性能,延缓其后期性能退化;腔体内设置横隔板,其与钢管共同工作,可提高对混凝土的空间约束,显著提高柱的承载力,延缓其刚度退化,总耗能能力增强;腔体内设置钢筋骨架,可进一步加强对各钢筋笼内混凝土的约束,延缓柱的极限荷载后的性能退化,提高延性。     

Seismic behavior of L-shaped concrete-filled steel tubular columns with reinforcement stiffeners

制作了1根对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱试件和2根非加劲L形截面钢管混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,考察对拉钢筋和轴压比对其抗震性能的影响规律。结合OpenSees有限元分析,研究其破坏模式和滞回性能,分析对拉钢筋的作用以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明：对拉钢筋能有效限制钢板的局部屈曲以及阴角处钢管和混凝土的脱离,保证钢管和混凝土共同工作;轴压比从0.3增加到0.6时,非加劲L形截面钢管混凝土柱的耗能能力及延性均降低;相同轴压比下,相比非加劲L形截面钢管混凝土柱,对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱的破坏程度明显减轻,耗能能力及延性明显提高;有限元分析结果基本能反映试件在低周往复水平荷载作用下的抗震性能。     

设置栓钉的方钢管混凝土柱抗震性能试验

对9个方钢管混凝土柱试件进行了低周反复试验,截面尺寸为500 mm x 500 mm,钢管壁厚10 mm.依据钢管内壁焊置栓钉数量的不同将试件分为无栓钉、单排栓钉(栓钉间距250 mm)、双排栓钉(栓钉间距167 mm)三组,每组三个试件,分别采用0.4,0.5,0.6和0.8的试验轴压比.试验表明,高轴压比试件滞回曲线狭小,延性差,低轴压比试件滞回曲线饱满,延性较好;随着栓钉布置的增多,试件的水平峰值荷载略微增大,荷载位移延性略微降低.     

内壁设置栓钉的大尺寸截面钢管混凝土柱界面黏结性能试验研究

对25个内壁设置栓钉的钢管混凝土柱大尺寸试件进行推出试验,以研究钢管混凝土柱内界面黏结强度及内壁栓钉受剪承载力。其中方钢管混凝土柱试件的截面尺寸均为600 mm×600 mm,圆钢管混凝土柱试件直径为600 mm,钢管壁厚分别为20、30 mm。设计主要参数为钢管混凝土柱的截面形状、填充混凝土的强度等级、钢管壁厚、钢管内壁粗糙程度以及内壁焊接栓钉的纵横向间距、栓钉直径和栓钉长度等。试验结果表明,工程应用低估了足尺钢管混凝土柱的界面黏结力与内壁设置栓钉的受剪承载力。依据试验结果提出了方钢管混凝土柱内栓钉受剪承载力的基本计算方法,以期为相关工程结构设计提供参考。     

对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱抗震性能研究

制作了1根对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱试件和2根非加劲L形截面钢管混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,考察对拉钢筋和轴压比对其抗震性能的影响规律。结合Open Sees有限元分析,研究其破坏模式和滞回性能,分析对拉钢筋的作用以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明:对拉钢筋能有效限制钢板的局部屈曲以及阴角处钢管和混凝土的脱离,保证钢管和混凝土共同工作;轴压比从0.3增加到0.6时,非加劲L形截面钢管混凝土柱的耗能能力及延性均降低;相同轴压比下,相比非加劲L形截面钢管混凝土柱,对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱的破坏程度明显减轻,耗能能力及延性明显提高;有限元分析结果基本能反映试件在低周往复水平荷载作用下的抗震性能。     

新型双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能有限元分析研究

针对栓肋混合拉接的新型双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能进行了有限元分析。该剪力墙面层钢板间通过肋板及栓钉连接,中间填充混凝土。基于ABAQUS有限元分析软件建立了该剪力墙的精细化有限元模型。详细研究了钢板厚度与是否布置抗剪栓钉对该剪力墙在水平低周往复荷载作用下的滞回性能的影响。结果表明:新型双钢板混凝土组合剪力墙滞回曲线饱满,没有捏缩现象发生,整体构件抗震性能良好,具有较好的延性。钢板厚度的增加使截面含钢量提高,承载力和刚度明显提升,耗能能力增强;布置抗剪栓钉提高了试件加载后期的强度,延缓了试件在破坏阶段承载力下降过程的出现,提高了延性。     

型钢混凝土构件轴心及偏心受拉性能试验研究

为探究型钢混凝土构件受拉性能,结合结构大厅现有500t压力机,自行研发一套拉压转换装置。对12根型钢混凝土受拉构件进行单调加载试验研究。通过改变型钢腹板厚度、型钢翼缘厚度、配钢率、偏心距以及配筋率等主要参数。对试件的承载力、侧向位移、裂缝的情况进行了参数影响分析。试验结果表明,偏心受拉试件偏心距越大,试件屈服荷载及极限荷载下降情况越明显,且侧向位移及破坏裂缝宽度越大;在轴心受拉试件中,型钢配钢率及腹板、翼缘厚度对试件的屈服荷载、极限荷载影响明显,对于偏心受拉试件影响不大;而配筋率对承载力、侧向位移、裂缝宽度影响甚微。     

L形配钢型钢混凝土矩形柱偏压力学性能研究

L形配钢型钢混凝土(SRC)矩形柱用作高层建筑角柱时,可避免T形配钢SRC柱梁柱型钢不连续造成的传力不直接和应力集中问题。为揭示L形配钢SRC柱偏压力学性能,设计了不同荷载偏心率、长细比和不同配钢形式的5根L形配钢SRC矩形柱和1根T形配钢SRC矩形柱并对其开展偏心受压试验。结果表明：L形型钢在混凝土的不均匀约束作用下,试件裂缝双向不对称发展,且在同一截面高度处,L形配钢SRC柱拉压区的钢筋和型钢不同时屈服;但型钢不对称并没有明显降低试件的承载力和延性。在试验研究基础上建立有限元模型,拓展分析荷载偏心率、长细比、腹板偏心对L形配钢SRC柱偏压力学性能的影响。模型分析表明：L形配钢SRC柱的拉压区界限呈斜直线,但因斜率较小且试件承载力与T形配钢方式无明显差异,在构件截面设计时相对受压区高度可按直线进行简化;分析多种工况的有限元模型,建议取荷载偏心率0.45作为构件设计时大小偏压的初步判别标准。     

非对称配钢钢骨混凝土柱抗震性能试验研究

为研究非对称配钢钢骨混凝土柱的抗震性能,进行了12个T形配钢、12个L形配钢的钢骨混凝土柱试件在低周往复荷载作用下的试验研究,试验参数为剪跨比、轴压比、体积配箍率以及是否配置拉结筋,对受力过程、破坏形态、滞回特性、骨架曲线、延性、耗能能力等进行了分析比较。结果表明,在恒定轴向荷载和水平低周往复荷载共同作用下,非对称配钢钢骨混凝土柱表现出较好的受力性能,破坏形态主要有弯曲破坏、剪切黏结破坏、剪切斜压破坏、剪切复合型破坏4种,各试件表现出较明显的正负滞回环不对称现象。剪跨比对破坏形态有较大影响,剪切复合型破坏主要发生在配有严重不对称的L形配钢的试件中;各试件的延性性能均随轴压比的增大而降低,在L形配钢试件中更为明显;增大配箍率对T形配钢试件的延性和承载力均有明显的提高,并能改善试件屈服后的耗能能力,有效改善混凝土的脆性性质,但对于剪跨比较小的L形配钢试件受力性能的改善并不明显;配置拉结筋能够提高各试件的承载能力,改善加载后期试件的承载力衰减和刚度退化,并明显增强了L形配钢试件的变形能力。     

轴心受压双钢管混凝土短柱正截面受压承载力理论分析及试验研究

研究了由同心设置的内、外圆钢管构成的轴心受压双钢管混凝土短柱正截面受压承载力,分析了单钢管混凝土柱与双钢管混凝土柱的受力机理,并根据纤维模型法原理,采用适用于钢管混凝土受力特性的钢材与混凝土材料本构关系,给出了轴心受压双钢管混凝土短柱的荷载-位移全过程数值分析和正截面承载力计算公式。进行了5个双钢管混凝土短柱的轴心受压试验,验证理论分析的正确性。理论分析与试验研究表明:轴心受压双钢管混凝土短柱与单钢管混凝土柱的受力全过程都可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。双钢管混凝土短柱的破坏形态为腰鼓形,其外层混凝土的工作性能与单钢管中的混凝土大致相同,但内钢管中的内层混凝土受到的约束效应较大,且不是内、外钢管对它的约束效应的叠加,因此对内层混凝土约束效应的确定是计算承载力的关键。通过与相同含钢率的轴心受压单钢管混凝土短柱受力过程的对比得出:双钢管混凝土柱的承载力明显高于单钢管混凝土柱,且具有非常好的延性和整体     

Study on seismic performance of rectangular concrete-filled steel tube columns made with tailings and recycled aggregates

为研究矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱的抗震性能，设计并制作了6个该类柱试件并对其进行拟静力试验，变化参数为再生粗骨料取代率(0%，50%，100%)和轴压比(0.3，0.5)。观察了矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱变形和破坏形态，分析了其滞回曲线、骨架曲线、承载力退化、刚度退化、延性及耗能能力等。采用ABAQUS软件对矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱抗震性能进行有限元分析，并与试验结果进行对比，验证有限元模型的合理性。试验研究及数值分析结果表明：矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱变形过程及破坏形态与普通钢管混凝土柱相似，表现为柱脚的鼓曲变形；轴压比为0.3时，再生骨料取代率为50%和100%的柱峰值荷载较取代率为0%的柱分别降低8.3%和13.1%；轴压比为0.5时峰值荷载较轴压比为0.3时降低约9%；平均位移延性系数接近2.7，说明其具有良好的变形能力；矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱具有良好的抗震性能。     

矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱抗震性能研究

为研究矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱的抗震性能,设计并制作了6个该类柱试件并对其进行拟静力试验,变化参数为再生粗骨料取代率(0%,50%,100%)和轴压比(0.3,0.5)。观察了矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱变形和破坏形态,分析了其滞回曲线、骨架曲线、承载力退化、刚度退化、延性及耗能能力等。采用ABAQUS软件对矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱抗震性能进行有限元分析,并与试验结果进行对比,验证有限元模型的合理性。试验研究及数值分析结果表明：矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱变形过程及破坏形态与普通钢管混凝土柱相似,表现为柱脚的鼓曲变形;轴压比为0.3时,再生骨料取代率为50%和100%的柱峰值荷载较取代率为0%的柱分别降低8.3%和13.1%;轴压比为0.5时峰值荷载较轴压比为0.3时降低约9%;平均位移延性系数接近2.7,说明其具有良好的变形能力;矩形截面钢管尾矿砂再生混凝土柱具有良好的抗震性能。     

钢管钢纤维混凝土结构的性能研究

根据现有钢管钢纤维混凝土的研究,对这种组合结构的轴心受压短柱、偏心受压长柱、均布荷载作用下的梁以及低周反复荷载作用下的长柱性能进行了介绍。钢纤维对钢管混凝土柱受压承载力的提高幅度不大,在钢管混凝土柱中掺入钢纤维的作用主要是提高钢管混凝土柱的延性,而不是提高其受压承载力;在钢管混凝土梁中掺入钢纤维,能改善梁受拉区的工作性能,从而提高梁的承载能力;钢纤维能提高钢管混凝土柱在水平低周反复荷载作用下的水平承载力及延性。     

多腔体方钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

对9个多腔体方钢管混凝土柱进行了轴压试验,研究了腔体数量、钢管与内部腔板壁厚比t/t1对试件承载力、延性和变形能力的影响。同时使用ABAQUS软件对多腔体方钢管混凝土柱进行了全过程受力分析,模拟结果与试验结果吻合良好。结果表明:在达到承载力之前,单腔体方钢管混凝土试件已经发生鼓曲,鼓曲在达到承载力后迅速增大从而导致焊缝开裂,钢管对混凝土的约束作用未充分发挥时试件就已破坏。内部设置分腔板后的钢管混凝土试件在试验后期具有良好的延性,变形性能明显改善,试件材料得以充分利用,且分腔数量越多,试件的变形性能越好。钢管与内部腔板壁厚比为1.5的试件的变形性能较壁厚比为1和2.5的试件的变形性能更好。     

矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板H形截面组合短柱轴压性能试验研究

为研究矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板H形截面组合短柱(STHCC)的轴压性能,进行了16根STHCC短柱的轴压静力试验。主要研究参数包括约束效应系数、混凝土立方体抗压强度、翼缘钢管腹板厚度和柱长细比。通过轴压试验得到STHCC短柱试件的试验现象和破坏形态、荷载-位移曲线、钢管翼缘和蜂窝钢腹板的荷载-应变曲线,分析了四参数对STHCC短柱轴压承载力的影响规律及受力机理。结果表明：钢管的外表面会产生吕德尔滑移线,所有试件钢管混凝土翼缘均呈剪切型破坏;试件荷载-位移曲线大致可分为弹性、弹塑性、荷载下降和残余变形等四段。随着约束效应系数和蜂窝钢腹板厚度的增加,试件的轴压承载力逐渐提高;随着长细比的增大,试件的轴压承载力却逐渐下降。最后,通过引入组合效应修正系数和综合影响变量,建立了与试验结果吻合较好的STHCC短柱轴压承载力计算式,并给出了该类轴压短柱的设计建议。     

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.     

Behavior of concrete-filled rectangular weathering steel tubular stub columns under axially compressive loading

为了研究耐候钢管混凝土轴压短柱的受力性能,开展了矩形截面形式共4根耐候钢管混凝土轴压短柱试验研究,采用有限元法对试验轴压短柱性能进行了建模分析。结合试验和有限元法,分析比较耐候钢管混凝土轴压短柱与普通钢管混凝土轴压短柱受力性能的差异。研究结果表明：耐候钢材拉伸性能试验表明耐候钢材与碳素钢的力学性能相似,文中采用的钢材本构关系对耐候钢适用;设置约束拉筋使得构件承载力、延性以及钢管对混凝土的约束作用均有提高;耐候钢管混凝土短柱试验研究、有限元分析结果均表明耐候钢管混凝土短柱轴压性能与普通钢管混凝土无显著差异。     

偏心受压矩形钢管混凝土短柱承载力研究

研究了偏心受压时矩形钢管混凝土中受压区钢管对混凝土的紧箍力计算方法,根据莫尔强度准则导出了受压区混凝土强度的计算公式,并以极限平衡理论为基础,推导了偏心受压矩形钢管混凝土短柱承载力的计算公式;制作了10个相同含钢率的矩形钢管混凝土短柱,按不同的偏心率进行加载试验,测出其极限承载力,并将计算结果和试验结果进行了比较,结果吻合较好.     

Experimental and numerical investigations on large-section rectangular CFT columns with distributive beam under axial compression

In order to improve the co-working performance between the core concrete and steel tube for large-section rectangular concrete-filled steel tubular (LSCFT) columns when a vertical load is directly applied to the steel tube, a distributive beam is proposed as a load transferring measure. Four scaled LSCFT column specimens with different details were tested under axial compression to investigate the mechanical behavior and load transferring mechanism of the LSCFT columns with a distributive beam. The experimental results indicated that the bearing capacity of the LSCFT columns without a distributive beam was close to the yield capacity of the steel tube and the load shared by the core concrete was negligible. In contrast, the specimen with a distributive beam and inner stiffeners could bear a much higher load. In addition, refined nonlinear finite element models were developed to further analyze the load-transferring mechanism of LSCFT columns with different details. The numerical results showed that the ultimate load of the specimen with a distributive beam and inner stiffeners was much closer to the theoretical value calculated from Chinese code CECS159:2004. Setting a distributive beam and inner stiffeners simultaneously in LSCFT columns could ensure the cooperation between the core concrete and steel tube.