L形钢管混凝土柱抗震性能非线性有限元分析

为深入了解低周反复荷载下L形钢管混凝土柱的抗震性能,以试验研究为基础,依据L形钢管混凝土柱核心混凝土在低周反复荷载作用下的应力-应变关系,采用有限元程序Opensees,对L形钢管混凝土柱的抗震性能进行非线性分析,给出其荷载-水平位移关系曲线;并分析L形钢管混凝土柱抗震性能的影响因素。结果表明:计算结果与试验结果吻合较好;截面宽厚比D/t和截面长宽比D/B对构件骨架曲线的影响相似,总体上对荷载-位移骨架曲线的形状影响很小,主要表现在对水平承载力大小的影响;轴压比是构件骨架曲线的主要影响因素,轴压比对试件弹性阶段的刚度影响不大,对构件弹塑性阶段刚度影响明显,随着轴压比的增大,试件的刚度也逐渐变小,水平极限承载力变小,并且曲线将会出现下降段,且下降段的下降幅度随轴压比的增加而增大,表明构件的位移延性也越来越差。     

主管中灌混凝土平面X形圆钢管混凝土节点平面内抗弯性能试验研究

对主管中灌混凝土平面X形圆钢管混凝土节点在支管平面内弯矩作用下的极限承载性能进行单调加载的试验研究。实施6个不同截面几何参数的主管中灌混凝土平面X形圆钢管混凝土节点平面内抗弯极限承载力试验。介绍了节点试验方案,描述了X形圆钢管混凝土节点平面内弯曲破坏现象,给出荷载-支管端位移曲线、弯矩-主管局部变形曲线、弯矩-转角曲线以及节点区域应变强度分布曲线,并将支主管外径比β、主管径厚比γ和支主管壁厚比τ对节点平面内抗弯极限承载力和平面内抗弯刚度的影响进行讨论。试验研究结果表明:主管灌混凝土后并没有在主管中形成明显的刚域;在一定参数条件下,主管中灌混凝土的X形圆钢管混凝土节点平面内受弯极限承载力、抗弯刚度均随着β、τ值的增加和γ值的减小而提高;各试件在最大弯矩作用下,所有试件的支管根部测点都进入塑性,主管上大部分测点保持弹性状态;主管中灌混凝土对圆钢管节点平面内抗弯极限承载力有一定的提高,在一定参数条件下提高甚至达到48%,但若实际工程中取欧洲规范弯矩值与支管全截面塑性弯矩值中的最小者计算节点抗弯承载力,在一定的钢管几何参数下不一定是安全的,需要进行深入的有限元参数分析。     

压弯作用下钢管混凝土短柱受剪承载力试验研究

为研究钢管混凝土短柱在压、弯作用下的受剪承载力,设计了26个钢管混凝土短柱试件进行试验研究。通过对试件的破坏形态、剪力-应变曲线、剪力-跨中挠度曲线等试验结果的分析以及与已有钢管混凝土短柱在轴压力作用下的受剪承载力的对比,分析了影响钢管混凝土短柱受剪承载力的各种因素,为研究钢管混凝土短柱在轴压力以及弯矩作用下的受剪性能提供了直接的试验依据。试验结果表明,试件（剪跨比λ<0.5）的破坏均为剪切型破坏,但延性较好,有较大的变形能力。钢管混凝土短柱的受剪承载力与轴压比、剪跨比、初始弯矩有关,初始弯矩的存在对试件的受剪承载力有一定程度的削弱。基于受剪承载力机理的分析及试验的实测数据,建立了钢管混凝土短柱在压、弯作用下的受剪承载力计算公式,公式计算值与试验值符合较好,且计算结果偏于安全。     

钢管超高强石渣混凝土轴压短柱静力性能试验研究

通过14个钢管超高强石渣混凝土短柱试件的轴压试验,考察其破坏形态,分析混凝土强度、试件的直径、径厚比等参数对其力学特性的影响。试验结果表明:以较低的水泥消耗量配制的超高强石渣混凝土填充至钢管内,钢管与核心混凝土界面密实,没有脱空的现象;在试验参数范围内,试件的套箍指标和混凝土强度是影响其静力特性的主要因素,试件的峰值荷载、低谷荷载及二次峰值荷载与核心混凝土的名义承载力(f_cA_c)之比基本与套箍指标成线性关系,但变化规律有别;试件的荷载-轴向平均应变曲线可以分为四个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段、荷载下降阶段和荷载回升阶段;套箍指标较小时,弹塑性段较短,下降段陡峭,峰值荷载后荷载下降幅值较大;套箍指标较大时,弹塑性上升段和荷载下降变形曲线较平缓,峰值荷载后荷载下降幅值较小;所有试件都呈剪切型的破坏特征,有较高的残余承载力和良好的延性;最后,给出了经回归分析得到与试验结果比较吻合的钢管超高强石渣混凝土短柱轴心受压承载力的计算公式。     

方钢管混凝土不等端弯矩偏压柱力学性能研究

以端弯矩比、长细比和荷载偏心距为主要变化参数,进行了12个方钢管混凝土不等端弯矩偏压柱试验研究。试验结果表明：对于长细比为40.1的试件,端弯矩比对试件破坏形态影响很大,端弯矩比为-1的试件挠曲线为S型,而端弯矩比为1的试件挠曲线为正弦半波;而对于长细比为20.6的短柱试件,端弯矩比对试件破坏形态影响不明显;长细比和偏心距越大,承载力越小;随端弯矩比β从-1~1变化,试件承载力逐渐减小。采用两种计算方法对试件承载力进行了计算,并与试验结果进行对比,计算结果总体低于试验结果。采用有限元软件ABAQUS对方钢管混凝土不等端弯矩偏压柱的受力全过程进行分析,计算得到的试件破坏形态与荷载 变形关系曲线均与试验结果吻合良好。在此基础上,对3种不同端弯矩比的典型算例进行计算,从试件的变形情况、荷载-变形全过程曲线、核心混凝土纵向应力分布及钢管与核心混凝土的相互作用等4个方面对方钢管混凝土不等端弯矩偏压柱的工作机理进行对比分析。研究结果表明：随着端弯矩比由-1~1变化,试件的侧向挠度增大,核心混凝土承担荷载降低,试件承载力降低;所有试件的钢管均表现出良好的约束性能。     

圆钢管约束陶粒混凝土短柱的单轴受压试验研究及承载力计算

通过对14根圆钢管约束陶粒混凝土短柱进行单轴受压试验,研究钢管屈服强度、径厚比和钢管与陶粒混凝土的接触对其破坏形态、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线、荷载-横向变形系数和承载力的影响。结果表明：轴压作用下,试件均为剪切破坏,剪切角约60°,荷载-位移曲线无明显下降段。D/t≥19时极限承载力随着径厚比的减小而增大。钢管屈服强度越高,钢管与混凝土间贴膜,钢管对混凝土的约束作用越大。不考虑钢管与混凝土间接触的影响,计算结果与试验结果吻合较好。     

弯-剪-扭耦合荷载作用下钢管混凝土短柱受力性能研究

为研究钢管混凝土短柱在剪切和扭转复合作用下的受力性能,开展了10个钢管混凝土短柱试件在纯扭、弯-剪和弯-剪-扭荷载作用下的拟静力往复加载及单调加载试验,得到了钢管混凝土短柱的荷载-变形曲线和钢管应变分布规律。试验结果表明：钢管混凝土短柱具有良好的承载能力和塑性性能;在纯扭作用下,圆形钢管混凝土短柱在往复扭转荷载作用下钢管发生低周疲劳破坏;方形钢管混凝土短柱在单调及往复扭转荷载作用下钢管面外发生斜向局部屈曲;纯扭往复荷载作用下的钢管混凝土柱的荷载-变形骨架曲线与单调加载下基本一致;在弯-剪及弯-剪-扭复合荷载作用下,在进入塑性工作阶段前截面的轴向变形基本满足“平截面假定”;在弯-剪-扭耦合荷载作用下,短柱的破坏模式取决于弯扭比,在弯扭比较大（为1.90）时,其类似于弯剪破坏,在弯扭比较小（为0.96）时,其类似于扭转破坏。在有限元模拟及大量参数分析的基础上,得到了钢管混凝土短柱的弯-剪-扭承载力相关方程,承载力计算结果与有限元分析结果吻合较好。     

钢管自应力自密实高强混凝土中长柱受压性能试验研究

为提高钢管内混凝土的密实度,减小混凝土的收缩,以保证钢管与混凝土更好地工作,满足实际工程需要,文中提出采用钢管自应力自密实高强混凝土柱,考虑初始自应力、长细比和混凝土强度等因素的影响,设计制作16个钢管自应力自密实高强混凝土中长柱试件,通过轴心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-纵向变形曲线、荷载-挠度曲线和极限承载力,分析了各参数对试件轴心受压力学性能的影响。研究表明：大部分中长柱的破坏形态均为弯曲失稳破坏;初始自应力提高5MPa,钢管自应力自密实高强混凝土中长柱极限承载力提高19%,并改善了延性;长细比由5增大至12,试件的极限承载力降低16.9%;混凝土强度提高36.3%,钢管自应力自密实高强混凝土中长柱极限承载力提高16.3%。基于试验结果,参考国内相关规范,建立钢管自应力自密实高强混凝土中长柱轴心受压稳定承载力计算公式,可供工程设计参考。     

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。     

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。     

高强冷弯矩形钢管混凝土柱抗震性能非线性有限元分析

基于试验结果,采用OpenSEES有限元软件模拟高强冷弯矩形钢管混凝土柱在低周往复荷载作用下抗震的受力全过程。分析试验构件的滞回性能,并基于纤维模型理论数值计算方法对高强矩形冷弯钢管混凝土的骨架曲线进行理论计算。探讨了截面长宽比、钢管的宽厚比、轴压比对高强冷弯矩形钢管混凝土柱的力学性能的影响。结果表明:采用Open SEES计算得到的滞回曲线、骨架曲线与试验实际滞回曲线、骨架曲线吻合较好;在一定范围内,高强冷弯矩形钢管混凝土柱的截面长宽比越小,其水平承载力和刚度越大;钢管宽厚比减小可有效提高高强冷弯矩形钢管混凝土柱的水平承载力和刚度;轴压比越小,高强冷弯矩形钢管混凝土柱水平承载力越高且延性越好。     

轴心受压钢骨-方钢管自密实高强混凝土短柱的力学性能研究

对钢骨-方钢管自密实高强混凝土短柱的轴压力学性能进行了试验研究和理论分析。通过13根短柱试件的轴压试验,研究了混凝土的强度、方钢管的宽厚比和型钢的用量等因素对该组合柱受力性能的影响。试验结果表明,方钢管、混凝土和钢骨的协同工作使该组合柱具有很高的承载力和很好的延性,其中方钢管的宽厚比是影响核心混凝土强度提高的主要因素,而混凝土的强度、方钢管的宽厚比和型钢的用量等因素对构件延性的提高均具有显著影响。在试验研究的基础上提出了核心约束混凝土的应力-应变模型,并利用该模型对钢骨-方钢管自密实高强混凝土轴心受压短柱的荷载-轴向变形关系曲线进行了计算,计算得到的极限承载力和峰值荷载后的变形规律均与试验结果吻合良好。该模型还可用于抗震结构中组合柱弯矩-曲率关系曲线的分析。     

GFRP增强方钢管再生块体混凝土柱的受剪性能试验研究

对再生块体混凝土构件施加外部约束是提高其受力性能的有效途径,通过13根方钢管再生块体混凝土柱试件与10根GFRP增强方钢管再生块体混凝土柱试件的受剪性能试验,考察了废旧混凝土块体取代率、剪跨比、轴压比及环向GFRP层数等参数对试件横向剪力-变形曲线与受剪承载力的影响,检验了采用现有设计公式预测试件受剪承载力的有效性。研究表明:方钢管再生块体混凝土柱及GFRP增强方钢管再生块体混凝土柱的受剪性能受剪跨比和轴压比的影响较大,其横向剪力-变形曲线随上述两参数变化呈现3种典型形态;当废旧混凝土块体取代率低于35%且新、旧混凝土强度差不超过15 MPa时,再生块体对柱受剪性能的影响总体较小;剪跨比不大于0.5时环向粘贴单层GFRP布对柱受剪承载力的提升无明显效果,而双层GFRP布可小幅提高柱的受剪承载力;相比现有钢管混凝土柱受剪承载力计算公式,所提计算式可较好地预测方钢管及GFRP增强方钢管再生块体混凝土柱的受剪承载力。     

CFRP增强方截面钢管混凝土受弯性能研究

以钢管约束效应系数和纵向CFRP增强系数为主要参数,进行16个CFRP增强方钢管自密实混凝土受弯构件的静力试验研究。试验结果表明,试件的弯矩-曲率曲线可以划分为以下三个阶段:弹性段、弹塑性段和软化段;纵向CFRP可以提高试件的抗弯承载力和刚度。对试验结果的分析表明,钢管和CFRP在横向和纵向都可以共同工作;在整个加载过程中,试件变形基本符合平截面假定。应用ABAQUS模拟试件的弯矩-曲率曲线和破坏模态,计算结果与试验结果吻合良好。     

钢骨-圆钢管高强混凝土组合柱抗弯力学性能研究

为研究钢骨-钢管高强混凝土新型组合柱的抗弯力学性能,采用ABAQUS软件对钢骨-圆钢管高强混凝土组合柱纯弯力学性能进行有限元分析,得到了典型组合柱纯弯试件的荷载-挠度关系曲线,不同受力阶段的应力分布规律以及破坏模态,同时考虑不同参数对组合柱抗弯力学性能的影响,探讨了钢骨-圆钢管高强混凝土组合柱抗弯承载力实用计算方法,提出简化计算式,并将简化式计算结果与有限元及试验结果进行对比。最后用MATLAB编写了组合柱纯弯纤维模型法计算源程序,并将程序计算的弯矩-跨中挠度曲线与试验结果及有限元结果进行比较。结果表明:简化式计算结果与试验及有限元计算结果吻合良好,数值模型能较好地反映组合柱纯弯受力的弯矩-挠度曲线。     

钢管超高强混凝土柱拟静力试验

以轴压比、含钢率和长径比为参数,进行了11根钢管超高强混凝土柱拟静力试验,分析了试件荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能以及强度和刚度退化等抗震性能指标。结果表明:随着轴压比增大,极限承载能力和延性降低,试件耗能能力减弱,强度和刚度退化程度增强; 随着含钢率增大,弹性刚度、极限承载力以及延性呈增大趋势,耗能能力增强,强度和刚度退化程度减弱; 随着长径比增大,弹性刚度、极限承载力以及延性都呈减小趋势,整体耗能能力减弱,强度和刚度退化程度增强; 受适用材料范围的限制,目前规程中的抗弯刚度和极限弯矩计算方法并不适用于钢管超高强混凝土结构,计算结果偏差较大,有必要对其进行适当修正,以期适用于该类结构抗弯刚度和极限弯矩计算。     

高温喷水冷却后钢管混凝土柱轴压性能及剩余承载力评估

为了研究历经火灾高温和喷水冷却后钢管混凝土的轴压性能及其剩余承载力评估方法，以混凝土强度等级、历经最高温度、径厚比、冷却方式为变化参数，设计并完成了24根钢管混凝土试件经历高温冷却后的轴压力学性能试验。观察了试件的轴压破坏过程及形态，获取了相应的荷载-位移曲线，并分析了各变化参数对其轴压性能的影响规律。结果表明：随历经温度的升高，试件的峰值应力和轴压刚度整体呈下降趋势，延性随温度的升高呈现先增大后减小的变化趋势，轴压耗能能力则呈相反趋势；随着混凝土强度等级的提高，峰值应力和轴压刚度逐渐增大，延性则先增后减；增大钢管的径厚比可以大幅提高试件的轴压刚度及延性；与自然冷却相比，喷水冷却试件具有更好的延性及耗能能力；提出了相应的轴压承载力计算式，可以较好地评估钢管混凝土经历高温喷水冷却后的剩余承载力。     

方钢管赤泥混凝土黏结滑移性能试验研究

制作了15个方钢管赤泥混凝土短柱试件进行推出试验,获得了方钢管赤泥混凝土的荷载-滑移曲线,研究了赤泥替代率、混凝土强度、长径比(埋置长度)、宽厚比对方钢管赤泥混凝土黏结滑移性能的影响。研究结果表明,方钢管赤泥混凝土荷载-滑移曲线经历了5个阶段,即无滑移段、上升段、下降段、二次上升段、二次下降段。黏结极限荷载随赤泥替代率的提高先增加后降低,赤泥替代率为5%时,黏结极限荷载达到最大;赤泥替代率为20%时,黏结极限荷载与标准钢管混凝土相当。黏结极限荷载随混凝土强度及长径比的增加而增加;随宽厚比的增加而减小。     

大直径钢管混凝土柱抗震性能试验研究及承载力计算

为研究径厚比对大直径钢管混凝土柱抗震性能的影响，进行了2个直径600mm圆钢管混凝土柱试件在恒定轴向压力和水平往复荷载作用下的加载试验，对比分析了不同径厚比(分别为37.5、50.0)试件的破坏形态、滞回特性、钢管应变发展规律以及核心配筋的受力情况。试验结果表明：大直径钢管混凝土柱在压弯荷载作用下，滞回曲线非常饱满，耗能性能优越，均表现出良好的变形能力。随着试件径厚比加大，最大位移角与等效阻尼比均略有减小。柱根部混凝土压溃、钢管鼓曲主要发生在支座底板与下部第一排栓钉之间，栓钉对管壁面外变形具有明显的约束作用；当径厚比较小时，钢管管壁对混凝土的约束作用较强，残余变形较小。核心纵向钢筋基本处于弹性状态，箍筋未屈服，对内部混凝土的约束作用较小，但钢筋与混凝土之间存在明显的滑移现象。大直径钢管混凝土压弯构件的受弯承载力试验值显著高于按照我国现行相关规范、规程公式得到的计算值，说明采用我国现行相关技术规范中的承载力计算公式进行大直径钢管混凝土柱设计，结果偏于安全。     

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.