巨型钢管混凝土柱分配梁构造下竖向荷载传递机理研究（I）：试验研究

在前期试验研究的基础上,对设置分配梁构造的超大截面矩形钢管混凝土柱进行轴压1∶5缩尺模型试验 研究。为考察分配梁构造对竖向荷载的传递机制,试验中竖向荷载仅通过加载梁施加于钢管壁,混凝土不直接承 担荷载。通过对试件破坏模式、分配梁破坏模式、管壁应变分布、试件承载性能及钢-混凝土共同工作性能进行 分析,结果表明：所有试件表现出良好的延性,根据试验竖向荷载-位移曲线得出试件达到峰值荷载前具有较长 的屈服平台段;混凝土承担的荷载取决于分配梁截面面积及截面刚度,并随分配梁截面面积的减小而降低;分配 梁破坏模式为在梁端产生剪切屈服区域并产生较大塑性变形,部分试件分配梁下翼缘及腹板处形成了贯通撕裂裂 缝;分配梁试验屈服承载力略大于梁全截面抗剪承载力,试验极限承载力接近梁全截面抗拉承载力。     

超大截面钢管混凝土柱分配梁构造节点下轴压荷载传递试验研究

为保证超大截面矩形钢管混凝土柱中钢管和混凝土的共同工作性能,在前期研究的基础上对荷载作用于管壁的超大截面矩形钢管混凝土柱1∶5缩尺模型进行轴压承载力试验研究,试件在节点核心区采用压力分配梁构造参与荷载传递,试验参数考虑钢管宽厚比、压力分配梁刚度。结果表明:所有试件试验承载力均基本达到90%以上名义承载力(Nu=fyAs+fckAc),表明采用压力分配梁构造具有良好的荷载传递性能;竖向荷载通过界面黏结强度及滑动摩擦力传递至核心混凝土非常有限,主要通过分配梁传递至核心混凝土;分配梁刚度的变化会导致试件破坏模态的转变,分配梁H200×100×10×10试件为混凝土压溃破坏,分配梁H130×70×6×6试件为钢梁剪切撕裂破坏,且分配梁刚度相对较小时尽管试验承载力达不到名义承载力,但具有更好的延性性能;采用分配梁构造无法保证钢-混凝土之间变形协调,主要原因是分配梁加载过程中产生较大塑性变形,但试验荷载-位移曲线及破坏模态表明分配梁与钢梁周围混凝土的组合作用能够保证竖向荷载直接有效地传递至核心混凝土。     

巨型钢管混凝土柱分配梁构造下竖向荷载传递机理研究(Ⅱ):数值分析

为研究超高层建筑结构中大型转换梁(或转换桁架)与巨型钢管混凝土柱连接处采用分配梁构造时的钢-混凝土共同工作性能,文中结合试验结果进行精细化数值分析。首先,采用ABAQUS软件建立设置分配梁构造的巨型钢管混凝土柱精细化数值模型,得到的轴压荷载-位移曲线、混凝土工作承担系数曲线和破坏模态均与试验结果吻合良好,验证有限元模型的有效性。其次,进一步针对分配梁构造下巨型钢管混凝土柱的屈服承载力、极限承载力进行参数分析,共考虑47种分配梁截面,涵盖5种不同截面尺寸的巨型柱。结果表明,由分配梁构造传递至核心混凝土的竖向荷载,屈服承载力略大于分配梁自身的全截面抗剪承载力,极限承载力小于分配梁自身的全截面抗拉极限承载力。同时,明确了分配梁受力机理及破坏模式。最后,为模拟分配梁构造在实际工程中的性能,建立设置分配梁的十四层足尺钢管混凝土巨型柱精细化有限元计算模型并对其共同工作性能进行分析,表明采用该构造能够基本保证巨型钢管混凝土柱中钢管与混凝土的平截面假定共同工作状态。     

扩大十字形截面型钢混凝土柱-SRC梁节点抗震承载力试验研究

提出了内置扩大正、斜向十字形截面型钢混凝土柱-工字钢型钢混凝土（SRC）梁节点的构造方式。通过对4个内置扩大正十字形和斜向十字形截面的型钢混凝土柱-SRC梁节点试件和1个内置普通十字形截面型钢混凝土柱-SRC梁节点试件的低周反复荷载试验,研究了试件的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、剪切变形和钢材应变,分析了配钢形式、加载角度和构造措施（直接焊接、竖向隔板连接）对节点受力性能的影响,并在此基础上对节点核心区受剪承载力进行了计算。试验结果表明：上述两种新型截面型钢混凝土梁柱节点均发生节点区剪切破坏,达到极限状态时,节点区箍筋及型钢腹板应力均达到屈服强度,试件型钢及翼缘框内混凝土仍能承担较大荷载,并趋于稳定;新型SRC梁柱节点核心区剪力-剪切角滞回曲线饱满,无捏缩现象,其受剪承载力比相同破坏模式的普通型钢混凝土梁柱节点试件大;柱内采用斜向布置十字型钢以及梁柱正交时,节点试件的剪切承载力更大,所提出的两种构造措施对节点承载能力影响不大。     

超大截面钢管混凝土柱分配梁构造节点下压弯构件承载试验研究

针对采用分配梁+内环板构造、荷载先作用在钢管管壁的1∶5缩尺超大截面钢管混凝土压弯构件进行了试验,研究其破坏模式和分配梁+内环板构造对荷载传递的影响,分析了管壁宽厚比、纵向加劲肋和轴压比对压弯构件力学性能的影响。试验结果表明:分配梁+内环板构造有效地保证了构件受力全过程中基本满足平截面假定;纵向加劲肋及管壁宽厚比的减小延后了钢管局部屈曲发生的时间,且纵向加劲肋的设置提高了试件的极限承载力;压弯构件试验值与中、美设计规范进行对比后得出,美国钢结构规范N-M简化计算曲线偏于保守;与中国规程相比,试验值接近于强度曲线,高于稳定曲线,小宽厚比试件压弯承载力更接近强度曲线,表明超大截面钢管混凝土压弯构件按照现行规程进行设计偏于安全。     

型钢轻骨料混凝土梁弯曲性能的试验研究

为研究型钢轻骨料混凝土梁的弯曲性能,进行了8根型钢轻骨料混凝土梁和2根型钢普通混凝土梁的抗弯性能试验。试验表明,型钢轻骨料混凝土梁受力过程经历弹性、弹塑性和破坏3个阶段;开裂荷载约为极限荷载的15%左右,试件开裂对试验梁的刚度没有明显的影响;试验梁的屈服是以型钢的受拉翼缘屈服为标志;试件屈服前,平均应变的平截面假定成立;屈服后,平截面假定不再成立,此后型钢与混凝土间的滑移对试验梁的变形及裂缝宽度的影响加大;试验梁达到极限承载力以后,表现出良好的延性。可见型钢轻骨料混凝土梁的弯曲性能是优越的。     

考虑二次受力的内嵌BFRP筋加固混凝土T形梁受剪性能试验研究

为了研究二次受力对内嵌BFRP筋加固混凝土梁受剪性能的影响,对6根内嵌BFRP筋混凝土T形截面加固梁和2根对比梁进行了受剪性能试验。对试件梁的受力过程、破坏模式、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线、斜截面应力重分布现象以及初始荷载大小、卸载程度和BFRP筋端部锚固长度等因素对加固梁的影响进行研究。研究结果表明：虽然加固梁发生了剪切破坏,但是破坏特征复杂且伴随着次生破坏;试件梁的斜截面在斜裂缝出现时和箍筋屈服时出现了重分布,对于二次受力试件梁,BFRP筋应变滞后现象明显,且BFRP筋应变分布不均匀,在进行加固梁承载力计算时应考虑此因素带来的承载力降低的影响;初始荷载、卸载程度及BFRP筋端部锚固有利于加固梁极限荷载的提高和延缓斜裂缝的开展,应在加固梁受剪承载力计算公式中引入相关系数或满足构造要求来体现这些因素的影响。     

T型钢PEC梁抗弯承载能力试验研究

为了研究T型钢PEC梁在竖向荷载作用下的抗弯承载性能,对两根简支T型钢PEC梁进行了竖向加载试验。介绍了试验方案和试验过程,分析了T型钢PEC梁在竖向荷载作用下的受力性能、破坏机理、变形能力以及跨中截面应变分布规律。试验结果表明:在竖向荷载作用下T型钢PEC梁具有良好的承载能力和变形能力;完全剪切连接的T型钢PEC梁横截面应变近似符合平截面假定;为避免脆性破坏,T型钢PEC梁的钢梁翼缘应采用较大的配钢率;塑性中和轴位于楼板板内,材料利用充分;配钢率大的试件较配钢率小的试件抗弯承载力高,刚度大;ABAQUS有限元分析结果与试验结果吻合较好。     

钢筋混凝土梁-墙平面外连接节点试验

为了研究钢筋混凝土梁-墙平面外连接节点的受力性能,完成了6个“强梁弱墙”型节点试件在梁端往复竖向荷载作用下的试验。试验结果表明,达到最大承载力时,梁截面比较宽的试件,墙正面的部分受拉纵向钢筋屈服,墙背面的纵向钢筋未屈服;破坏主要发生在楼板与墙连接部位以及剪力墙的正面,楼板和梁下方墙的破坏比楼板上方墙的破坏严重;墙正面的混凝土脱落、部分竖向钢筋压屈;墙背面有裂缝但不严重,裂缝主要分布在梁的周围;连接节点有比较大的变形能力;梁截面的宽和高以及楼板对承载力和耗能能力都有影响。对试件进行了非线性有限元分析,得到应力分布与试件的试验破坏现象一致。     

设分配梁与内环板传力构造的巨型钢管混凝土柱抗震性能试验研究

针对7个按1∶5缩尺的设置分配梁加内环板传力构造的巨型钢管混凝土柱试件进行拟静力试验研究,考察了轴压比、长细比、管壁宽厚比及纵向T形加劲肋等因素对此类构件抗震新能的影响。研究结果表明,管壁宽厚比大于60的试件,在达到极限荷载之前（约为极限荷载的63%）发生管壁局部屈曲,延性较差;设置T形加劲肋可有效减小管壁宽厚比,提高管壁局部屈曲强度,改善试件的延性性能及耗能能力;试件位移延性系数随轴压比和试件长细比的增大而降低,刚度退化越明显;在低周反复荷载作用下,同时设置分配梁与内环板传力构造的钢管混凝土柱试件破坏时的位移角超过了规范规定的弹塑性层间位移角限值,满足抗震设计要求,且钢管与核心混凝土变形协调,相应的截面属性和压弯承载力可按平截面假定计算。     

型钢混凝土叠合梁底部预制构件静力性能试验研究

为了充分发挥预制装配式型钢混凝土梁预制部分的力学性能,对6根矩形截面型钢混凝土叠合梁底部预制构件进行了静力试验,分析其破坏过程、荷载-挠度曲线、型钢和混凝土的应变,研究混凝土强度、剪跨比和型钢类型对底部预制构件延性和承载力的影响。试验结果表明:剪跨比对试件梁破坏形态和承载力影响较大;混凝土强度对试件梁的延性和承载力影响较小;配置蜂窝钢的试件承载力显著提高,但延性较差;对两根受弯破坏试件进行截面受弯承载力分析,其计算结果与试验结果吻合较好。     

工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能影响的试验研究

为了研究工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁(大截面PEC梁)受弯性能的影响,对5根不同构造的大截面PEC梁进行了静力试验,研究了两点加载下主次梁腹板开洞方式对大截面PEC梁试件受弯性能、延性、破坏模式等的影响规律。结果表明：静力荷载作用下,各个试件均表现出良好的延性,腹部开孔对试件承载力和截面刚度有一定的削弱作用。型钢主钢件的应变与混凝土的应变沿截面高度方向均大致呈线性变化,符合平截面假定。按《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》(T/CECS 719—2020)计算得到的开工艺孔的大截面PEC梁抗弯承载力与试验值误差较小,受尺寸效应影响不大,所采用计算公式安全可靠。     

带接缝连接梁的预制混凝土剪力墙抗震性能试验研究

采用钢筋混凝土接缝连接梁来实现预制墙体竖向钢筋的连续性连接。通过6个高宽比为1.7、不同截面高度和位置的接缝连接梁预制混凝土剪力墙的低周反复加载试验,分析了试件的破坏形态、顶点荷载-位移滞回曲线、承载力、变形能力、刚度退化等特性,并与整体现浇墙体进行对比。试验结果表明：预制墙体试件与整体现浇墙体试件的破坏模式、破坏形态基本相同,均为墙体角部混凝土压碎、钢筋拉断或屈曲;预制墙体试件的水平承载力相当,略低于现浇墙体,接缝连接梁的位置及截面高度对承载力有一定程度的影响;预制墙体试件的变形能力略小于现浇墙体试件,但极限位移角均超过1/100;接缝连接梁可以有效传递荷载。     

热成型不锈钢圆管混凝土轴压短柱受力性能试验研究

对热成型不锈钢圆管混凝土短柱在轴向压力作用下的承载性能进行试验研究,试验主要参数为混凝土强度（C30和C40）、不锈钢管壁厚t（0.9 mm、1.0 mm和1.2 mm）和试件的高径比λ（3.0、3.5、4.0）,试验观测了不锈钢圆管混凝土短柱在轴向压力作用下的破坏现象、试件荷载-轴向变形曲线、荷载-环向应变曲线、荷载-轴向应变曲线等。根据试验的破坏现象,将试件分为5种破坏模式,并分析了不锈钢管壁厚t和试件的高径比λ对试件的承载力、延性、刚度的影响。分析结果表明：试件在屈服后表现出明显的承载力提高;随着钢管壁厚的增加,试件的受压承载力、延性及刚度均有所提高;随着试件高径比增大,试件的延性增大,刚度降低;试件的受压承载力在高径比3.5时最大,4.0时次之,3.0时最小。与普通钢管混凝土相比,不锈钢管混凝土约束放大系数有一定的提高。     

部分包覆钢-混凝土组合梁的滞回性能试验研究

进行了2个截面高度不同的部分包覆钢-混凝土组合梁(简称PEC梁)的往复弯剪加载试验，并结合前人试验数据，对PEC梁的滞回性能进行研究。研究结果表明：在低周弯剪往复荷载作用下，PEC梁的破坏模式为端部截面钢翼缘弹塑性屈曲后拉断、钢腹板拉断并伴随着混凝土压溃；PEC梁的抗弯承载力试验值比标准T/CECS 719—2020推荐的全截面塑性方法计算得到的理论值大了10%～30%,PEC梁的实测抗剪承载力明显高于当前理论计算值；混凝土和连杆对主钢件翼缘和腹板的屈曲抑制效果好，在钢翼缘宽厚比和连杆间距明显超过T/CECS 719—2020限定范围的情况下，主钢件依然达到全截面塑性，钢材强度得到充分利用；试验的2个试件的滞回曲线饱满，延性系数为4～6.8,且截面高度大的试件的延性系数更大，2个试件在屈服后各次循环的平均耗能系数均为2.2左右，表明PEC梁抗震性能较好。     

海洋平台摇摆柱体系摇摆柱构造试验研究与数值模拟

为研究摇摆柱海洋平台结构的摇摆柱构造形式,制作了4个方钢管组合型混凝土构件。试验研究了内部嵌入工字型钢和普通方钢管混凝土在三点弯曲试验过程中的破坏过程,包括破坏形态、承载能力和变形能力;数值模拟了内部嵌入工字型钢和普通方钢管混凝土在相同试验条件下的破坏形态和荷载-位移曲线。对比试验结果和数值模拟结果发现,截面中增加工字型钢可以有效地增强钢管混凝土试件的抗剪承载力和变形能力;利用本文建立的有限元模型可以很好地模拟钢管混凝土的破坏形态、开始后弹性阶段和屈服阶段的荷载-位移曲线;对于有焊缝的钢管混凝土组合结构,增加焊缝强度可以提高结构的整体抗剪性能。     

不同构造异形截面多腔钢管混凝土柱抗震性能试验研究

异形截面多腔钢管混凝土柱的腔体构造对其抗震性能影响很大,结合大连国贸中心大厦结构五边形多腔钢管混凝土巨型柱设计,提出了分腔竖向钢板在基础顶面部位连续和断开两种构造方式。为研究这两种不同构造的五边多腔钢管混凝土巨型柱抗震性能,进行了2组共4个1/7.5缩尺模型试件的低周反复荷载试验。第一组试件为分腔竖向钢板在基础顶面部位连续的截面构造,第二组试件为分腔竖向钢板在基础顶面部位断开的截面构造。每组试件分沿截面对称轴方向、沿垂直截面对称轴方向施加水平荷载两种加载方向。分析了各试件的破坏特征、承载力、耗能、刚度退化、滞回特性和延性。研究表明:分腔竖向钢板在基础顶面部位连续的试件,承载力较高、延性较好、抗震耗能能力较强,但两种加载方向下抗震性能有明显差异;分腔竖向钢板在基础顶面部位断开的试件,承载力略低,但两种加载方向下抗震性能接近。     

外粘整块钢板加固钢筋混凝土梁受剪试验研究

通过 1 1根混凝土强度等级为C1 4的简支梁试件在集中荷载作用下的试验研究 ,得到外粘整块钢板后梁的受剪承载力。随粘钢规格的不同 ,粘钢混凝土梁发生不同的破坏形态。根据试验结果 ,建立了粘钢部分承担的受剪承载力理论计算公式和受剪斜截面限制条件。     

内填再生混凝土墙的柔性钢框架结构抗震性能试验研究

将再生粗骨料轻质墙板内填至柔性钢框架结构中,通过对4榀单层单跨1∶3缩尺试件的拟静力试验,分析了结构的破坏模式、承载力、延性及耗能能力,研究了节点刚度对结构性能的影响及再生混凝土墙板作为主要抗侧力构件的可行性,并对结构的内力分配进行了分析。研究结果表明：再生混凝土墙板在增加结构承载力和刚度的同时,能缓解梁柱节点的转动变形,改善节点受力;内置墙板后,结构的承载力提高140%,初始刚度提高330%~360%,位移延性系数为2.44～3.28,层间位移角为0.02rad时,承载力退化系数仍大于0.8,表明该结构具有较高的安全储备;同时,内填取代率100%再生骨料墙板的试件比普通混凝土墙板试件屈服荷载提高22%,而峰值荷载基本一致,表明墙板与柔性钢框架组合后结构的整体性能退化较小,可以作为主要抗侧力构件使用;结构中内填墙板承担的水平剪力较多时,钢框架承担的倾覆弯矩较少。     

装配式组合梁高强螺栓连接件抗剪性能试验研究

为实现钢-混凝土组合楼盖和组合桥梁等结构的装配化,提出了一种钢梁-预制混凝土板采用高强螺栓的可拆卸装配式抗剪连接方法。以螺栓直径、孔径比(预留孔径和螺栓直径的比值)、约束条件为试验参数,设计了共14个试件,研究预制装配式高强螺栓抗剪连接件的抗剪性能。通过试验获得了预制装配式连接件的破坏模式、高强螺栓的抗剪承载力和荷载-滑移特性,同时,与现浇混凝土板推出试件的破坏模式和受力性能进行对比。试验结果表明:所有试件均发生螺栓的剪断破坏,且断裂均发生在混凝土板与钢梁的交界面上;增大孔径比能改善螺栓的抗剪性能;高强螺栓、无收缩自密实水泥基高强浇筑料(HPG)和混凝土板之间的连接是可靠的;由抗拉强度和截面面积控制的抗剪承载力计算公式可较好地预测连接件的极限承载力。