碳纤维增强方钢管混凝土压弯构件的静力性能(I)——试验研究与有限元模拟

以长细比和偏心率为主要参数,对24个碳纤维(CFRP)增强方钢管混凝土(S-CF-CFRP-ST)压弯构件进行静力性能的试验研究。试验结果表明,构件的轴力-中截面挠度曲线可以分为3个阶段:弹性段、弹塑性段和下降段。通过分析试验结果发现,钢管与CFRP可以协同工作;构件的挠曲线近似为正弦半波曲线。应用ABAQUS软件模拟了试件的轴力-中截面挠度曲线和变形模态,模拟结果与试验结果吻合良好。     

钢管高性能混凝土轴压短柱的静力性能(Ⅰ):试验研究及有限元模拟

对钢管高性能混凝土轴压短柱的静力性能展开研究,以便给辽宁省地方标准的编制提供依据。通过18个试件(内填自密实混凝土的立方试块抗压强度标准值为96 MPa)的静力试验,研究试件的破坏模态,发现高性能混凝土具有良好的塑性填充性能,构件的破坏属于强度破坏;分析轴力-钢管纵向应变曲线,发现该曲线可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段。应用有限元法模拟试件的轴力-钢管纵向应变曲线,模拟结果与试验结果吻合良好。     

钢管高性能混凝土受弯构件的静力性能(Ⅰ):试验研究及有限元模拟

为给辽宁省地方标准的编制提供依据,对钢管高性能混凝土受弯构件的静力性能展开研究。通过18个试件(内填自密实混凝土的立方试块抗压强度标准值为96 MPa)的静力试验,发现钢管高性能混凝土受弯构件的跨中弯矩-曲率曲线可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降段。试件挠曲线接近正弦半波曲线,钢管纵向应变基本符合平截面假定,环向受压的钢管对混凝土没有约束力。应用有限元法模拟了试件的跨中弯矩-曲率曲线和变形模态,模拟结果与试验结果吻合良好。总体而言,钢管高性能混凝土受弯构件与普通钢管混凝土受弯构件在静力性能方面没有本质区别。     

钢管高性能混凝土压弯构件的静力性能(Ⅱ):机理分析及承载力

为配合辽宁省地方标准《钢管混凝土结构技术规程》的编制,对钢管高性能混凝土压弯构件中钢管和混凝土应力、应变等的分布规律展开研究。对钢管与混凝土相互作用力的研究表明,圆试件受压区的约束力较大,方试件钢管角部区域的相互作用力最大。所有试件中截面受压区的相互作用力最大。黏结强度和加载路径对钢管高性能混凝土压弯构件的静力性能影响都不大。普通钢管混凝土压弯构件的承载力计算式同样适用于钢管高性能混凝土压弯构件的承载力计算。钢管高性能混凝土压弯构件与普通钢管混凝土压弯构件在静力性能方面并无本质区别。     

圆CFRP-钢管混凝土轴压构件静力性能研究

为了初步了解圆CFRP-钢管混凝土轴压构件的静力性能,进行32个试件的试验研究.试验结果表明,长径比较小的试件属于强度破坏,长径比较大的试件则属于稳定破坏;试件的载荷-中截面挠度曲线可以分为以下三个阶段:弹性段、弹塑性段和软化段.对试验结果的分析表明,在极限荷载之前,钢管纵向应变沿截面高度的分布基本符合平截面假定;钢管和CFRP管在纵向和环向都可以协同工作;环向应变分布不均匀,同一点的纵向应变和环向应变异号,纵向受拉的钢管对混凝土没有环向约束作用;构件的挠曲线近似为正弦半波曲线.最后,应用纤维模型法模拟了圆CFRP-钢管混凝土轴压构件的荷载-中截面挠度曲线,计算结果与试验结果吻合良好,且偏于安全.     

钢管高性能混凝土受弯构件的静力性能(Ⅱ):机理分析及承载力

研究钢管高性能混凝土受弯构件中钢管和混凝土应力、应变等的分布规律。对钢管与混凝土相互作用力的研究表明,圆钢管对混凝土有很好的约束作用,方试件的相互作用力主要集中在弯角区域,平板区域的相互作用力很小。黏结强度对于试件的弯矩-曲率曲线基本没有影响。普通钢管混凝土受弯构件的承载力计算式同样适用于钢管高性能混凝土受弯构件的承载力计算。钢管高性能混凝土受弯构件与普通钢管混凝土受弯构件在静力性能方面并无本质区别。     

高强圆钢管混凝土压弯构件(1):数值分析

由于具有比普通构件强度高、刚度大等特点,高强圆钢管混凝土压弯构件被广泛用于高层建筑中。然而,针对此类构件的大多数非线性分析方法都没有考虑高强材料属性和混凝土约束的影响,这很大程度上高估了核心混凝土的强度和韧性。因此,这些方法的求解结果与试验结果相差很大。针对高强圆钢管混凝土压弯构件的非线性性能,提出新的数值模型。该模型不仅考虑了混凝土约束对核心混凝土和钢管的影响,还考虑了压弯构件的初始几何缺陷。根据通过有限元分析求得的轴力-弯矩曲线,确定压弯构件非线性稳定分析中的平衡状态。为确定轴力-变形及轴力-弯矩曲线,提出了计算准则。在计算机程序中应用该数值模型,可研究高强圆钢管混凝土压弯构件的基本性能。在后续文章中,将验证该模型的正确性,并应用此模型。     

钢管高强混凝土压弯构件抗震性能的试验研究

本通过对8根钢管高强混凝土压弯构件试件在恒定轴力和水平周期反复荷载作用下抗震性能的试验研究，阐述了混凝土强度、轴压比和含钢量对钢管高强混凝土压穹构件延性性能的影响．由试验结果分析了影响构件延性性能的主要原因及因素。并提出建议。     

带环向脱空缺陷的钢管混凝土构件在压弯扭复合#br# 受力作用下的滞回性能研究

为研究环向脱空缺陷对钢管混凝土试件在压弯扭复合受力作用下抗震性能的影响,进行了12个钢管混凝土试件（包括8个带缺陷试件、2个无脱空试件以及2个空钢管对比试件）在恒定轴压力和反复弯扭耦合荷载作用下的滞回性能试验。试验主要参数为：脱空率、弯扭比和轴压比。基于试验结果考察了带脱空缺陷的钢管混凝土试件在压弯扭复合受力作用下的破坏模态,并分析了脱空对试件滞回曲线、骨架曲线、刚度和耗能等力学指标的影响规律,结果表明：环向脱空缺陷的存在会改变钢管混凝土构件的破坏模态,并使试件的承载力、刚度和耗能能力有不同程度的降低。同时,建立钢管混凝土压弯扭构件的有限元模型,分析环向脱空对构件承载力系数,以及钢管与核心混凝土接触时刻的影响规律,在此基础上提出相关工程建议。     

CFRP约束方钢管混凝土轴压短柱的静力性能研究

进行16个CFRP约束方钢管混凝土轴压短柱的静力试验。试验结果表明,试件的破坏属于强度破坏,CFRP延缓了钢管的屈曲,受约束混凝土具有良好的塑性填充性能,CFRP的增加和混凝土强度等级的提高可以提高试件的承载力和刚度。钢管与CFRP可以协同工作。试件的荷载-应变曲线可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降段。给出受约束混凝土的应力-应变表达式,模拟试件的荷载-应变曲线和变形模态,计算结果与试验结果吻合良好。     

高强圆钢管混凝土压弯构件(2):基本性能

目前,有关高强圆钢管混凝土压弯构件基本性能的试验及数值研究相对较少。在之前文章中,已经提出评估此类压弯构件非线性性能的数值模型,考虑约束和初始几何缺陷对核心混凝土强度和韧性及钢管的影响。验证该模型的正确性,并进行压弯构件基本性能的参数化研究。通过相应的试验结果,验证根据此模型求得的偏心荷载作用下极限承载力和轴力-变形性能的正确性。在计算机程序中应用该模型,研究高强圆钢管混凝土压弯构件的基本性能,如:荷载-位移曲线,极限承载力,轴力-弯矩曲线及由混凝土约束引起的强度增量。参数包括:构件长细比,偏心率,混凝土抗压强度,钢材屈服强度,钢材百分比,混凝土约束条件等。结果表明:提出的数值模型能有效模拟和设计高强圆钢管混凝土压弯构件。本基准数值结果对完善组合结构设计规范中有关高强混凝土压弯构件的规定很有意义。     

圆CFRP-钢管混凝土压弯构件滞回性能试验研究

进行了12个圆CFRP-钢管混凝土压弯构件的滞回性能试验研究。试验结果表明,CFRP对圆钢管混凝土有很好的环向约束和纵向增强作用,钢管的局部屈曲得到了延缓或消除。所有试件的跨中荷载-挠度曲线和弯矩-曲率曲线均较为饱满,表现出很好的滞回性能。在加载后期,无轴压力试件的承载力无下降,而有轴压力试件的承载力明显下降。对试验结果的分析表明,钢管和CFRP在纵向和环向都可以协同工作;同一点的纵向应变和环向应变异号;试件的挠曲线均近似为正弦半波曲线。计算表明,强度退化不显著,轴压比和纵向CFRP增强系数的增大可以提高试件的抗弯承载力和刚度,同时减缓刚度退化,但会降低试件的延性和累积耗能,而轴压比在一定范围内对试件的抗震性能是有利的。     

L形方钢管混凝土组合异形柱单向压弯稳定性研究

在对构件单向压弯受力特点分析的基础上,设计了L形方钢管混凝土组合异形柱单向压弯试件。通过压弯试验,得到了构件的破坏形式、荷载-竖向位移曲线、单肢挠度曲线和荷载-应变曲线。通过对我国现行的四本规程中的压弯稳定计算公式的计算结果进行比较发现,在计算开孔连接板连接的L形方钢管混凝土组合异形柱的压弯承载力时,作为缀件的连接板对构件压弯承载力的贡献不应被忽略,应采用整体式计算模型进行计算。CECS159∶2004规程和GJB 4142—2000规程的计算结果与试验结果吻合良好。     

喷涂混凝土夹心剪力墙抗震性能试验研究及有限元分析

为研究喷涂混凝土夹心剪力墙的抗震性能,完成了7个试件的拟静力试验。试件的主要变化参数为墙厚及边缘构件。试验结果表明：夹心墙的2层或3层混凝土及其配筋可作为整体共同承担竖向压力及水平力;试件的破坏形态包括压弯破坏和剪切破坏,增加边缘构件的竖向钢筋导致试件发生剪切破坏;试件的水平力-位移滞回曲线有一定程度的捏拢;压弯破坏的试件,极限位移角为1/76~1/103,设置边缘构件的试件,其极限位移角约为没有边缘构件试件的1.3倍,增加墙厚对极限位移角影响不大;剪切破坏的试件,其耗能能力小于压弯破坏的试件;可采用剪力墙承载力公式计算夹心墙在轴压力作用下的正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力。采用MSC. Marc（2010）对夹心墙试件进行非线性有限元分析得到了水平力-位移骨架曲线、裂缝分布及承载力,与试验结果吻合较好。     

圆CFRP-钢管混凝土压弯构件静力性能试验研究

进行了32个圆CFRP-钢管混凝土压弯构件的试验研究。结果显示,构件的载荷-中截面挠度曲线可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段,构件的破坏属于延性破坏。分析表明,从加载之初直到极限荷载,钢管和CFRP在纵向和环向都可以协同工作,环向应变沿截面周边分布不均匀;钢管纵向应变沿截面高度的分布基本符合平截面假定;纵向受压的钢管存在内力重分布过程,纵向受拉区钢管对核心混凝土的环向约束效果不显著;构件的挠曲线大致为正弦半波曲线。采用纤维模型法分析圆CFRP-钢管混凝土压弯构件的荷载-中截面挠度曲线,分析结果与试验结果吻合较好且偏于安全。     

复合钢管高强混凝土构件受弯性能试验研究

为研究复合钢管高强混凝土构件的受弯性能,完成了8个试件的静力试验。结果表明,试件跨中挠度达到其跨度的1/18时,除个别试件外,承载力均尚未下降;增大方钢管的壁厚或增大圆钢管的直径,都可提高构件的受弯承载力和弹性抗弯刚度。采用简化纤维模型(条带法)计算试件的跨中弯矩-挠度关系曲线,采用叠加法计算试件的受弯承载力,两者所得结果与试验结果均符合良好。     

带约束拉杆方形钢管混凝土短柱压弯承载特性

通过对2个不带约束拉杆和8个带约束拉杆方形钢管混凝土短柱试件的拟静力试验,研究带约束拉杆方形钢管混凝土短柱压弯承载力。采用带约束拉杆方形钢管混凝土短柱核心混凝土的本构关系,利用有限条带法对反复荷载作用下试件的骨架曲线进行数值计算,计算结果与试验结果吻合良好。并利用该方法分析钢管屈服强度、截面含钢率、混凝土强度及拉杆约束系数等参数对N/Nu-M/Mu曲线的影响规律,在此基础上提出带约束拉杆方形钢管混凝土短柱压弯承载力的简化计算式。运用简化算式及国内外技术标准分析构件的压弯承载力,简化式与试验结果吻合较好,而CECS 159∶2004《矩形钢管混凝土技术规程》没有考虑约束拉杆的作用,对构件的压弯承载力评估不足。     

压-扭荷载下CFRP-方形钢管混凝土的力学性能研究

以轴压比、CFRP层数和混凝土立方体抗压强度等为参数,开展了压-扭荷载下CFRP-方形钢管混凝土(S-CF-CFRP-ST)的静力性能试验,得到了试件的扭矩-转角(T-θ)曲线、扭矩-应变(T-ε)曲线和破坏模态。试验结果表明,钢管与CFRP可协同工作;同一点的45°方向应变始终为负,横向应变始终为正,纵向应变根据轴压比的变化为正或为负;小轴压比CFRP-方形钢管混凝土试件在压-扭荷载下发生延性破坏。采用ABAQUS模拟试件扭矩-转角曲线和变形模态并开展受力全过程分析,模拟和分析结果与试验现象和结果吻合良好。参数分析的结果表明,提高混凝土强度、钢材屈服强度、含钢率和横向CFRP层数可提高构件的抗扭承载力;通过对试件扭矩-转角曲线的大量分析,导出了CFRP-方形钢管混凝土的压-扭承载力相关方程。     

圆截面碳纤维增强聚合物-钢管混凝土压-扭性能研究

为探究圆截面碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土在压-扭荷载作用下的力学性能,结合8个CFRP-钢管混凝土试件进行压-扭静力加载试验,对试件的试验现象、扭矩-转角曲线、钢管与碳纤维的协同工作以及平截面假定进行了探讨;应用有限元软件建立模型进行对比,模拟结果与试验结果相吻合;以上述研究为基础,对构件进行了受力全过程分析;参数分析的结果表明,横向碳纤维层数、混凝土强度和含钢率对扭矩-转角曲线的形状无明显影响;横向碳纤维层数、钢材屈服强度、混凝土强度和含钢率的增加可以提高构件的承载力,适当的轴压比也可以提高构件的承载力;基于性能分析结果,得出圆截面CFRP-钢管混凝土的压-扭极限承载力方程,通过验证可知与试验结果拟合良好。     

钢管-双层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

提出一种适用于超高层建筑底部楼层的钢管-双层钢板-混凝土组合剪力墙,通过5个剪跨比为2.5的一字形截面组合剪力墙试件的拟静力试验,研究组合剪力墙的抗震性能。试验结果表明：试件的破坏形态为压弯破坏,墙底部边缘构件矩形钢管管壁和钢板鼓曲、钢管断裂、混凝土压溃;矩形钢管混凝土约束边缘构件沿墙肢长度显著影响试件的变形能力和耗能能力;钢板含钢率基本不影响试件的变形能力;矩形钢管混凝土边缘构件内设置圆钢管可提高试件承载力,但对其变形能力影响不大。矩形钢管混凝土约束边缘构件沿墙肢长度为0.2倍墙截面高度、设计轴压比为0.45时,组合墙试件的屈服位移角不小于0.005 rad、极限位移角可达0.030 rad。提出组合墙正截面承载力的计算式,计算结果与试验值吻合较好,误差小于10%。