往复荷载作用下高强方钢管高强混凝土纯弯性能研究

为了研究高强方钢管高强混凝土构件在往复荷载作用下的纯弯性能,采用ABAQUS有限元分析软件建立高强方钢管高强混凝土纯弯构件的数值模型,进行滞回性能的研究。基于已有高强方钢管高强混凝土纯弯构件试验的研究成果,将有限元分析结果与试验结果进行对比,验证了所建立数值模型的准确性。并运用此模型对不同钢材的屈服强度、不同核心混凝土的抗压强度以及不同含钢率的高强方钢管高强混凝土纯弯构件的弯矩-曲率骨架曲线和耗能情况进行对比分析,得出结论如下:构件的抗弯承载力随着钢材屈服强度或含钢率的提高而明显提高,而随着核心混凝土抗压强度的改变影响较小。最后,基于有限元分析结果与不同规范计算结果的对比,提出了一种适用于高强方钢管高强混凝土纯弯构件抗弯承载力的简化公式,为今后的工程应用提供参考依据。     

方钢管高强混凝土受弯构件力学性能的数值分析

为研究往复荷载作用下方钢管高强混凝土受弯构件的力学性能,运用有限元软件ABAQUS对方钢管高强混凝土受弯构件进行数值模拟,分析混凝土强度及含钢率对受弯构件力学性能的影响,发现往复荷载作用下方钢管高强混凝土受弯构件的弯矩-曲率滞回关系曲线形态饱满,整个滞回曲线呈梭形,没有捏拢现象。由此可知,在一定范围内混凝土强度和含钢率的提高有助于方钢管高强混凝土受弯构件抗震性能的改善。     

方钢管高强混凝土短柱轴压试验研究

本文对3根冷弯型方钢管高强混凝土短柱进行了轴心受压试验,并分析了冷弯型方钢管高强混凝土轴心受压短柱的受力性能及变形特点。提出了典型荷载-应变全过程曲线,并分析了各阶段的受力性能。得到如下结论:冷弯型方钢管高强混凝土短柱充分利用了高强混凝土抗压与钢材抗拉的材性特点,其极限承载力较普通方钢管混凝土更高;短柱试件承载力的下降取决于方钢管的局部屈曲与核心混凝土失去三向受力状态并被压碎的程度;冷弯型方钢管高强混凝土的极限承载力本质上主要由冷弯型方钢管局部屈曲控制;冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱后期延性较差,但含钢率越大,其后期残余承载力越大。     

方钢管混凝土压弯构件截面非线性分析

构件截面非线性分析是进行结构抗震性能分析的重要基础,针对方钢管混凝土构件中钢管的三向受力特点,提出了一种适于计算方钢管混凝土压弯构件弯矩-曲率骨架曲线的钢材本构模型,模型中考虑了钢材的环向拉力作用;并应用提出的钢材模型和已有的混凝土模型编制了纤维模型数值计算程序;分析了含钢率、轴压比、混凝土强度和钢材强度对方钢管混凝土压弯构件截面弯矩-曲率曲线的影响。通过对构件屈服弯矩、极限弯矩的分析,提出了一种方钢管混凝土压弯构件的三线性骨架曲线,该曲线可用于工程中方钢管混凝土框架结构的动力学分析。     

方形、矩形钢管高强混凝土受弯构件的理论分析与试验研究

基于从试验中剥离出来的混凝土和钢材的应力 -应变关系 ,采用数值分析的方法对方形、矩形截面钢管混凝土受弯构件的力学性能进行了分析。同时 ,进行了 6根方形、矩形钢管高强混凝土受弯构件的试验研究 ,研究构件纯弯段的受力性能 ,并与理论分析结果进行了对比 ,发现两者吻合较好。在此基础上 ,利用程序分析了钢材的屈服强度、混凝土强度、含钢率、截面长宽比对构件抗弯性能的影响。最后给出了受弯构件的典型曲线     

Theoretical and experimental research on flexural behavior of concrete-filled steel tubes with inner stiffening

通过求解纯弯作用下内配钢管、钢筋、工字型钢的钢管混凝土构件极限状态下平衡方程,得到了内配加劲件钢管混凝土构件的受弯承载力理论计算式。设计3组9根内配加劲件钢管混凝土试件进行纯弯试验,得到构件的受弯承载力及其弯矩-跨中挠度曲线、弯矩-跨中应变关系曲线、弯矩-曲率曲线,曲线可分为3个阶段,对应构件的弹性阶段、弹塑性阶段以及应力强化阶段,内配加劲件钢管混凝土纯弯过程中具有较好的延性;将受弯承载力理论值与试验值进行对比,平均比值为0.9199,平均相对误差为8%,表明理论公式较为准确,理论值皆小于试验值,说明理论公式较保守。以内配钢管为例,建立内配钢管的钢管混凝土在纯弯作用下的有限元模型,通过改变内配钢管的厚度和强度,可知内配钢管的钢管混凝土受弯承载力随着内配钢管的厚度和强度增大而增大。     

钢管高强混凝土构件截面弯矩-曲率全曲线研究

通过 12根钢管高强混凝土构件的抗弯试验 ,研究了钢管高强混凝土构件的受弯性能。采用条带法计算了钢管高强混凝土构件截面弯矩 -曲率全曲线 :根据试验结果 ,将截面弯矩 -曲率全曲线简化为三折线 ,给出了截面弯曲刚度的三折线方程和钢管高强混凝土构件截面受弯承载力的计算公式。     

内置CFRP工字形型材的方钢管混凝土偏压短柱有限元分析

采用非线性有限元软件ABAQUS对内置CFRP工字形型材的方钢管混凝土偏压短柱进行模拟,得到了典型构件的荷载-跨中挠度曲线,分析了构件在偏压荷载作用下的力学性能,探究偏心率、含钢率、钢材强度和混凝土强度对构件受力性能的影响规律。分析结果表明:偏心率对构件的受力性能影响最为明显;随着偏心率的增大,构件的初始刚度和承载力均明显降低;随着含钢率、钢材强度和混凝土强度的增大,构件荷载-跨中挠度曲线的弹性阶段变化不明显,构件的承载力增大。     

圆锥形中空夹层钢管混凝土纯弯构件受力性能研究

为了研究大空心率的圆锥形中空夹层钢管混凝土纯弯构件的受力性能,对已有的试验数据进行数值模拟,采用经验证的建模方法建立了圆锥形中空夹层钢管混凝土纯弯构件力学模型.分析了典型构件受力全过程的弯矩-挠度关系曲线、荷载分配、破坏模态等力学行为;并研究了锥度、空心率和剪跨比对构件变形曲线的影响,同时分析了空心率、锥度、外钢管径厚比、内外钢管强度和混凝土强度等参数对构件承载力的影响;最后建议了该类构件抗弯承载力的计算方法.结果表明:该类构件具有良好的抗弯承载力及塑性性能,构件的弯矩-挠度关系曲线可分成弹性、弹塑性、塑性三个阶段;随着锥度的增大,构件破坏位置逐渐向最小截面靠近;空心率对构件的变形曲线影响不大;锥度、空心率、外钢管强度、内钢管强度对构件承载力的影响较为显著,而混凝土强度对其影响较小;建议的抗弯承载力计算方法与数值模拟结果吻合较好.     

圆钢管轻集料混凝土构件抗弯性能的试验研究

进行了21根钢管轻集料混凝土以及8根空钢管的纯弯试验。通过对试件在加载过程中的挠度及表面应变的测试分析,研究钢管轻集料混凝土构件在弯矩作用下的宏观变形特征、弯矩-曲率关系和破坏模式,分析了轻集料混凝土强度、含钢率、剪跨比等主要参数对构件抗弯性能的影响。试验研究结果表明,钢管轻集料混凝土构件在纯弯矩的作用下,其宏观变形特征和破坏形态与钢管普通混凝土构件相似;内填的轻集料混凝土可以大大延缓或避免钢管局部屈曲的发生,钢管轻集料混凝土的极限抗弯承载力较空钢管提高了20%～30%,抗弯刚度也有所提高;在钢管和轻集料混凝土相互作用下,钢管轻集料混凝土受弯试件具有较高的抗弯承载力和良好的延性性能;含钢率是影响钢管轻集料混凝土抗弯承载力和初始抗弯刚度的主要因素,含钢率越大,初始刚度越大和构件极限抗弯承载力也越大;而内填混凝土强度和剪跨比对构件抗弯承载力的影响较小;与钢管普通混凝土研究结果的对比分析表明,在相同条件下,钢管轻集料混凝土与钢管普通混凝土的极限抗弯承载力大致相当。     

内配加劲件钢管混凝土构件受弯性能理论与试验研究

通过求解纯弯作用下内配钢管、钢筋、工字型钢的钢管混凝土构件极限状态下平衡方程,得到了内配加劲件钢管混凝土构件的受弯承载力理论计算式。设计3组9根内配加劲件钢管混凝土试件进行纯弯试验,得到构件的受弯承载力及其弯矩-跨中挠度曲线、弯矩-跨中应变关系曲线、弯矩-曲率曲线,曲线可分为3个阶段,对应构件的弹性阶段、弹塑性阶段以及应力强化阶段,内配加劲件钢管混凝土纯弯过程中具有较好的延性;将受弯承载力理论值与试验值进行对比,平均比值为0.919 9,平均相对误差为8%,表明理论公式较为准确,理论值皆小于试验值,说明理论公式较保守。以内配钢管为例,建立内配钢管的钢管混凝土在纯弯作用下的有限元模型,通过改变内配钢管的厚度和强度,可知内配钢管的钢管混凝土受弯承载力随着内配钢管的厚度和强度增大而增大。     

内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土中长柱双向偏压性能研究

为了深入了解内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土中长柱的力学性能,通过试验与有限元分析结合的方式研究了其在双向偏心状态下的工作机理及破坏形态.在此基础上,对典型构件进行了全过程分析,研究了偏心率、含钢率、长细比、钢材屈服强度以及混凝土抗压强度对构件受力性能的影响.研究结果表明,内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土中长柱的荷载-挠度曲线可分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化阶段以及下降阶段4个阶段;CFRP型材与钢材及混凝土有着良好的协同工作性能,可加强对混凝土的约束作用,CFRP型材最终发生脆性破坏;构件的极限承载力随着长细比及偏心距的增加而降低,随着含钢率、钢材屈服强度及混凝土强度的增加而提高;构件的初始刚度随着长细比及偏心距的增加而降低.     

带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件拉弯试验和承载力计算方法研究

为研究球冠性脱空缺陷对钢管混凝土拉弯性能的影响机理,完成了24根钢管混凝土试件在拉弯作用下的试验研究,包括16根带球冠形脱空缺陷试件和8根元脱空对比试件,考察了脱空率和偏心率对带球冠形脱空缺陷试件的承载力、拉力-位移关系曲线、弯矩-曲率关系曲线、应变发展的影响规律.试验结果表明:随着脱空率的增大,带脱空缺陷试件的承载力有所降低;随着偏心率的增大,脱空缺陷对钢管混凝土承载力的不利影响趋于显著.建立了带脱空缺陷的钢管混凝土拉弯构件的有限元分析模型,其计算结果和试验结果吻合良好.采用有限元模型对带脱空缺陷构件的工作全过程进行了分析,揭示了脱空缺陷对钢管与混凝土之间相互作用的影响机理,并对脱空率、混凝土强度、钢材强度和含钢率等重要影响因素开展了参数分析,分析结果表明:随着脱空率的增大、钢管混凝土拉弯承载力总体呈线性下降的趋势,降低混凝土强度、提高钢材强度和含钢率对承载力下降幅度的影响并不显著.最后,基于参数分析结果提出了考虑球冠形脱空缺陷影响的钢管混凝土拉弯承载力简化计算公式.     

带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件拉弯试验和承载力计算方法研究

为研究球冠性脱空缺陷对钢管混凝土拉弯性能的影响机理,完成了24根钢管混凝土试件在拉弯作用下的试验研究,包括16根带球冠形脱空缺陷试件和8根元脱空对比试件,考察了脱空率和偏心率对带球冠形脱空缺陷试件的承载力、拉力-位移关系曲线、弯矩-曲率关系曲线、应变发展的影响规律.试验结果表明:随着脱空率的增大,带脱空缺陷试件的承载力有所降低;随着偏心率的增大,脱空缺陷对钢管混凝土承载力的不利影响趋于显著.建立了带脱空缺陷的钢管混凝土拉弯构件的有限元分析模型,其计算结果和试验结果吻合良好.采用有限元模型对带脱空缺陷构件的工作全过程进行了分析,揭示了脱空缺陷对钢管与混凝土之间相互作用的影响机理,并对脱空率、混凝土强度、钢材强度和含钢率等重要影响因素开展了参数分析,分析结果表明:随着脱空率的增大、钢管混凝土拉弯承载力总体呈线性下降的趋势,降低混凝土强度、提高钢材强度和含钢率对承载力下降幅度的影响并不显著.最后,基于参数分析结果提出了考虑球冠形脱空缺陷影响的钢管混凝土拉弯承载力简化计算公式.     

圆端形钢管混凝土构件纯弯力学性能

为研究圆端形钢管混凝土构件的纯弯力学性能,对4个构件进行了纯弯试验,分析了高宽比和含钢率对纯弯曲作用下圆端形钢管混凝土构件破坏形态、挠度曲线、截面应变、抗弯承载力的影响。基于ABAQUS建立有限元模型对圆端形钢管混凝土构件纯弯性能进行模拟,试验结果与模拟结果吻合良好,利用验证后的模型对圆端形钢管混凝土构件进行了受力全过程分析以及参数分析。最后基于ABAQUS参数分析结果提出了圆端形钢管混凝土构件抗弯承载力计算公式,公式计算结果与试验结果吻合良好。结果表明:圆端形钢管混凝土构件在纯弯曲作用下发生了明显的挠度变形,当跨中挠度达到L/25(L为试件长度)时,试件仍能承受较大的荷载,表现出良好的延性; 圆端形钢管混凝土构件的挠度曲线可假设为正弦半波曲线,其跨中截面基本保持为平截面; 当构件达到抗弯承载力时,钢管承受了大部分弯矩,圆弧段钢管相较于平直段钢管对混凝土的约束作用更强; 圆端形钢管混凝土构件的抗弯承载力随钢材强度的增大而增大,而混凝土强度的改变对其抗弯性能影响较小。     

Experimental research on concrete-filled square steel tubular slender columns with inner I-shaped CFRP under axial compression

对7个内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土长柱进行了轴压性能试验研究,得到了荷载-跨中挠度曲线和荷载-应变曲线,并分析了其受力过程及破坏特征。试验结果表明：内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱的破坏模式为弯曲失稳破坏。随着长细比的增大,试件的承载力降低。试件的荷载-挠度曲线可分为弹性段、弹塑性段以及下降段。采用ABAQUS有限元分析软件对内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱受力性能进行有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。在此基础上,分析了长细比、混凝土强度、钢材强度、含钢率和有无CFRP对组合柱受力性能的影响。分析结果表明,长细比对柱的受力性能影响较大,随着长细比的增加柱的承载力明显下降;提高混凝土强度可以提高柱的承载力,但延性有所降低;提高钢材强度和增大含钢率均可以提高柱的承载力;设置工字形CFRP型材可以提高柱的承载力和变形能力。     

内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱受力性能研究

对7个内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土长柱进行了轴压性能试验研究,得到了荷载-跨中挠度曲线和荷载-应变曲线,并分析了其受力过程及破坏特征。试验结果表明:内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱的破坏模式为弯曲失稳破坏。随着长细比的增大,试件的承载力降低。试件的荷载-挠度曲线可分为弹性段、弹塑性段以及下降段。采用ABAQUS有限元分析软件对内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱受力性能进行有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。在此基础上,分析了长细比、混凝土强度、钢材强度、含钢率和有无CFRP对组合柱受力性能的影响。分析结果表明,长细比对柱的受力性能影响较大,随着长细比的增加柱的承载力明显下降;提高混凝土强度可以提高柱的承载力,但延性有所降低;提高钢材强度和增大含钢率均可以提高柱的承载力;设置工字形CFRP型材可以提高柱的承载力和变形能力。     

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。     

高强方钢管高强混凝土短柱轴压性能

选取四种混凝土本构关系模型,应用有限元分析软件ABAQUS建立高强方钢管高强混凝土轴压短柱有限元分析模型,再通过试验研究加以验证。结果表明:采用韩林海提出的约束混凝土本构关系模型的有限元计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上,研究了含钢率、钢材屈服强度和混凝土强度对模型混凝土贡献比(CCR)及跨中截面钢管应力的影响。最后,提出了高强方钢管高强混凝土轴压短柱组合构件受力全过程应力-应变关系曲线表达式,计算结果与试验结果吻合较好,验证了公式的准确性。     

圆端形钢管混凝土中长柱轴心受压承载性能试验研究

为了研究圆端形钢管混凝土中长柱轴压性能,考虑长细比、含钢率、高宽比3个变化参数,设计了 6个试件进行轴压静力单调加载试验,得到了试件的破坏形态、极限承载力、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线等数据,并分析参数变化对承载力的影响.试验结果表明:圆端形钢管混凝土中长柱受力过程经历弹性阶段、屈服阶段与破坏阶段,破坏形态为弹塑性失稳破坏;试件承载力与含钢率呈正相关,与长细比呈负相关,对于高宽比较大的试件,含钢率对承载力的影响更大.基于有限元软件ABAQUS的参数分析,建立圆端形钢管混凝土中长柱轴心受压承载力简化公式,计算结果与试验结果吻合良好.