压弯扭复合荷载作用下钢管约束钢筋混凝土柱的承载力及弯扭相关关系研究

以4个钢管约束钢筋混凝土柱(STRC)在弯扭和压弯扭复合荷载作用下的试验研究为基础,采用有限元软件ABAQUS建立了钢管约束钢筋混凝土柱的有限元模型,分别模拟试件在弯扭以及压弯扭复合荷载作用下的破坏模式和承载能力,与试验结果进行对比,验证了有限元模型的正确性。通过有限元模型参数化分析,研究钢管强度、钢管厚度、截面尺寸、混凝土强度、纵筋直径与屈服强度、箍筋直径与屈服强度以及轴力等因素对复合荷载作用下承载力的影响。研究结果表明,钢管厚度、截面尺寸、纵筋的直径与屈服强度以及轴压力是影响复合荷载作用下承载力的主要因素。当圆形截面STRC柱的轴压力达到0.3N_u(N_u为柱轴压承载力)或方形截面STRC柱的轴压力达到0.5N_u时,柱的承载力达到最大。在不同因素的影响下,相同荷载作用下钢管约束钢筋混凝土柱的受弯承载力和受扭承载力之间的相关关系基本一致。     

钢管约束钢筋混凝土柱与型钢混凝土柱滞回性能试验研究

进行了3组共6个框架柱的滞回性能试验研究,3组试件分别为钢筋混凝土柱(RC柱)、型钢混凝土柱(SRC柱)与钢管约束钢筋混凝土柱(STRC柱);每组2个试件,包括1个剪跨比λ=3.0的中长柱和1个剪跨比λ=1.5的超短柱。3组试件的截面尺寸、柱子长度和轴力相同,且SRC柱与STRC柱的用钢量相同。试验结果表明,RC与SRC超短柱的变形能力不满足现行抗震规范要求。SRC柱的受弯承载力高于STRC柱,但其变形能力、延性和耗能能力低于STRC柱。STRC短柱中,外包钢管不能有效提高短柱的受剪承载力,但外包钢管对核心混凝土的约束作用有效提高了短柱的延性和变形能力。根据试验结果,建议了STRC超短柱的受剪承载力计算方法,可为工程实践提供参考。     

方钢管约束钢筋混凝土轴压短柱试验研究与分析

进行了20个方钢管约束钢筋混凝土短柱的轴压力学性能试验研究,试验的主要参数为钢管宽厚比(50,70和100)和混凝土强度(C50,C80)。试验结果表明：方钢管约束钢筋混凝土柱中被分隔钢管的高度对其轴压承载力和延性无明显影响。随钢管宽厚比增大和混凝土强度的提高,轴压短柱的延性降低。采用弹塑性应力分析方法对钢管进行了全过程应力分析,分析结果表明,方钢管约束钢筋混凝土轴压短柱的峰值荷载点并不对应钢管的屈服点,钢管在轴压短柱达到峰值荷载后屈服。根据试验结果和钢管的应力分析结果,建立了方钢管约束钢筋混凝土短柱的轴压承载力计算式,试验结果与计算结果吻合良好。并提出了设计建议。图8表2参12     

高轴压比钢管混凝土剪力墙抗震性能试验研究

为研究约束边缘构件内配置圆钢管的钢管混凝土剪力墙的抗震性能、探讨钢管混凝土剪力墙的轴压比限值及其约束边缘构件的配箍要求,完成了6个剪跨比大于2.0的高轴压比钢管混凝土剪力墙试件和1个钢筋混凝土剪力墙试件的拟静力试验。试验结果表明：剪力墙的破坏形态为压弯破坏及底部混凝土压溃而丧失竖向承载能力;钢管混凝土剪力墙的开裂水平力、名义屈服水平力、正截面受弯承载力和变形能力均比相同参数的钢筋混凝土剪力墙大;配置双钢管剪力墙的变形能力大于配置单钢管的剪力墙,约束边缘构件为端柱的剪力墙的变形能力大于约束边缘构件为暗柱的剪力墙;正截面受弯承载力试验值大于计算值。根据试验结果,提出了钢管混凝土剪力墙的设计建议。图9表7参13     

钢管约束型钢高强混凝土压弯构件的抗震性能研究

进行两个圆钢管约束型钢混凝土和两个方钢管约束型钢混凝土压弯构件的滞回性能试验研究,并进行两个普通型钢混凝土对比试件的试验研究。试件的混凝土为C70高强混凝土,试验中的主要参数为轴压比(n0=0.3和0.5)。试验结果表明,型钢混凝土和钢管约束型钢混凝土压弯构件易发生黏结破坏,因此工程实践中应在型钢翼缘设置抗剪连接件以防止黏结破坏的发生。相同用钢量条件下,圆钢管约束型钢高强混凝土柱的抗弯承载力、延性、极限层间变形能力和耗能性能明显高于型钢混凝土柱。随轴压比的提高,圆钢管约束型钢高强混凝土压弯构件的抗弯承载力提高,但轴压比对构件的层间变形能力无明显影响。相同用钢量条件下,方钢管约束型钢高强混凝土柱的抗弯承载力与型钢混凝土柱基本相同,但方钢管约束型钢高强混凝土柱的延性、极限层间变形能力和耗能性能明显高于型钢混凝土柱。随轴压比的提高,方钢管约束型钢高强混凝土压弯构件的抗弯承载力提高,但轴压比对构件的层间变形能力无明显影响。根据试验结果和理论分析结果建议了钢管约束型钢混凝土柱的截面抗弯承载力计算方法,提出设计建议,可为工程实践提供参考。     

方钢管钢筋混凝土短柱与方钢管钢骨混凝土短柱的滞回性能分析及设计

方钢管钢筋混凝土短柱与方钢管钢骨混凝土短柱(STRC与STSRC)是将纵向钢筋置于冷弯薄壁钢管中。在这项研究中,对6根STRC和STSRC短柱进行固定轴压力下和往复侧向压力下的试验研究,分析两种构件的抗震性能。主要参数为轴压比和纵筋的配筋率。建立三维非线性有限元模型,模拟试件的性能和强度。基于试验和数值模拟结果,提出计算STRC和STSRC短柱剪切强度的设计公式。     

圆钢管约束钢筋混凝土短柱抗震性能试验研究

进行了3个剪跨比为1.5的圆钢管约束钢筋混凝土短柱和1个钢筋混凝土对比试件的拟静力试验研究,试验中的主要参数为轴压比(0.35,0.45和0.55)。试验结果表明：钢筋混凝土短柱的破坏模式为剪切破坏,延性和变形能力很差;圆钢管约束钢筋混凝土短柱的破坏模式为弯曲破坏,延性和变形能力优越。外包钢管对核心混凝土的约束作用限制了核心混凝土的受剪开裂,改变了钢筋混凝土短柱的破坏模式,显著提高了钢筋混凝土短柱的受剪承载力、延性、变形能力和耗能性能。随轴压比的提高,圆钢管约束钢筋混凝土短柱的水平承载力提高,延性系数降低,但轴压比对圆钢管约束钢筋混凝土短柱的极限变形能力无明显影响。对钢管的弹塑性应力分析结果表明：水平荷载施加过程中,钢管并未受剪屈服。根据试验结果建立了圆钢管约束钢筋混凝土短柱的荷载-位移恢复力模型,提出了设计建议,可为工程实践提供参考。图10表2参12     

带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压性能的试验

针对约束拉杆对矩形钢管混凝土柱轴压力学性能的影响,对8个轴压试件进行试验,其中1个不设约束拉杆,7个设置约束拉杆。试验主要参数为约束拉杆直径和间距,钢管宽厚比,截面长宽比。试验结果表明:相对于方形截面试件,矩形截面试件设置约束拉杆后,在轴向压力作用下,试件的承载力提高幅度不明显,但对应于峰值荷载的竖向应变值随约束拉杆的加强相应增大,试件的塑性变形能力增大,延性提高。利用国内已有文献中关于矩形钢管混凝土承载力计算方法及EC4(1996)关于方形钢管混凝土计算方法,对带约束拉杆矩形钢管混凝土轴压试件承载力进行计算,发现计算结果比试验值偏低,计算方法偏于保守。     

双向压弯方钢管高强混凝土构件滞回性能试验与分析

进行了4个双向压弯方钢管高强混凝土构件在低周反复荷载作用下的试验研究。试验中的主要参数为轴压比(0.433～0.624)、宽厚比(30和50)和长细比(18.5和25.4)。试验结果表明,随轴压比的提高,构件的承载力和延性降低,随钢管宽厚比的增加,构件的承载力提高;试件的位移延性系数μ=3.63～5.18,抗震性能良好。利用纤维模型法计算了构件的荷载位移滞回曲线,计算结果与试验结果吻合较好。进行了压弯构件的截面参数分析,研究了轴压比、套箍系数、加载角度和荷载类型对构件滞回性能的影响。建立了方钢管混凝土压弯构件的弯矩曲率和荷载位移恢复力模型,基于恢复力模型的计算结果与试验结果吻合较好,可为结构的弹塑性动力分析提供参考。     

方钢管约束钢筋高强混凝土超短柱抗震性能试验研究

本文进行3个剪跨比为1.5的方钢管约束钢筋高强混凝土超短柱和1个钢筋混凝土对比试件的试验研究,试验中的主要参数为轴压比(0.35,0.45和0.55)。试验结果表明,由于钢管对核心高强混凝土的约束作用和钢管的抗剪作用,方钢管约束钢筋混凝土超短柱的抗剪承载力、延性、变形能力和耗能性能明显高于钢筋混凝土超短柱。轴压为0.35的方钢管约束钢筋混凝土超短柱的破坏模式为弯曲破坏,而轴压比为0.45和0.55的方钢管约束钢筋混凝土超短柱的破坏模式为剪切破坏。随轴压比的提高,方钢管约束钢筋混凝土超短柱的抗剪承载力提高,但延性系数和极限变形能力降低。对钢管的弹塑性应力分析结果表明,水平荷载施加过程中,发生弯曲破坏试件的钢管不屈服,而发生剪切破坏试件的钢管可能在下降段屈服。根据试验结果和钢管应力分析结果建立方钢管约束钢筋混凝土柱的抗剪承载力公式,提出设计建议,可为工程实践提供参考。     

Seismic behavior and strength of square tube confined reinforced-concrete (STRC) columns

A steel tube confined reinforced-concrete (STRC) column is an ordinary RC column where most of the lateral ties are in the form of a thin steel tube. Twenty-three square tube confined concrete stub columns were tested in this paper under cyclic or monotonic axial compression. A design equation to calculate the axial load strength of square tube confined concrete stub columns is proposed in this paper. A total of five beam-columns have been studied under combined axial compression and lateral cyclic loads. The test results indicate that the columns confined with square steel tubes exhibit much higher flexural strength, displacement ductility, and energy dissipation ability than common RC columns confined with lateral ties. Fiber models were also developed for STRC beam-columns in this paper.     

Seismic behavior and shear strength of tubed RC short columns

Reinforced concrete (RC) short columns are vulnerable to brittle shear failure during an earthquake. The objective of this research is to evaluate the performance enhancement of RC short columns tubed with circular or square tubes. Eight short columns were tested under combined constant axial load and cyclic lateral load. The tested specimens included three circular tubed RC (CTRC) columns and three square tubed RC (STRC) columns. Two common RC short columns including one circular RC column and one square RC column were also tested as control specimens. The test results indicated that common RC short columns suffered brittle shear failure with little ductility, while the ductility of tubed RC short columns was excellent due to the effective confinement of the outer thin tube to the core concrete. The lateral load strength of CTRC short columns increases with the increasing of axial load ratio, while the axial load ratio has little effect on the plastic deformation capacity of CTRC short columns. The shear strength increases with increasing of axial load ratio, while the plastic deformation capacity decreases with increasing of axial load ratio for STRC short columns. A circular tube prevents the core concrete from shear failure more effectively than a square tube for the tubed RC short columns. A modified ACI design method is adopted to calculate the nominal shear strength of STRC columns as well as CTRC columns based on the test and analysis results.     

Behavior and strength of circular tube confined reinforced-concrete (CTRC) columns

An experimental investigation was conducted on the behavior of circular tube confined reinforced-concrete (CTRC) columns. Eighteen CTRC stub columns were tested under cyclic or monotonic axial compression. The results of the elastic-plastic analysis on the steel tubes indicate that the steel tube yields at the peak load point in the stub columns under axial compression. In addition, a design equation to calculate the axial load strength of CTRC columns is proposed. A total of five columns including one circular reinforced-concrete (CRC) column and four CTRC columns have been studied under combined axial compression and lateral cyclic load. The test results indicate that CTRC columns exhibit much higher flexural strength, displacement ductility and greater energy dissipation ability than CRC columns confined with hoop ties. The flexural strength increases as the axial load ratio or concrete compressive strength increases for CTRC columns, while the ductility is barely affected by the increase in axial load or concrete compressive strength. It is proposed that the moment strength of the cross section of CTRC columns can be calculated using a modified ACI code method.     

Behavior and strength of tubed RC stub columns under axial compression

This paper presents an experimental and analytical study on the behavior of axially compressed tubed RC stub columns. Forty specimens including twenty circular tubed RC (STRC) and twenty square tubed RC (STRC) stub columns were tested to investigate the failure mode and axial load strength of tubed RC columns subjected to axial compression. The effect of diameter/width to thickness ratio of the tubes and compressive strength of concrete were also studied. The effect of height to diameter/width ratio of the separated tube in tubed RC columns was studied to investigate the effect of bond and friction between tube and concrete on the behavior of tubed RC columns. Elastic–plastic analysis on the steel tube was employed to study the mechanism of tubed RC stub columns subjected to axial compression. Equations for the prediction of the ultimate axial load strength of tubed RC stub columns were proposed and the results from prediction were compared with the test results.     

轴力作用下钢管短柱的性能和强度分析

对轴力作用下钢管短柱的性能和强度进行了试验和数值分析。对包括20个圆形和方形钢管混凝土短柱在内的40个构件进行了试验,以分析其在轴压作用下的破坏模式和轴向承载强度。同时也对管的径(宽)厚比和混凝土的抗压强度的影响进行了分析。对钢管混凝土柱中管的高径(宽)比的影响进行分析,以探究钢管和混凝土之间的粘结和摩擦对钢管混凝土柱性能的影响。利用钢管的弹塑性分析研究轴压下短柱的受力机制。提出了公式用以预测钢管混凝土短柱的极限轴向承载强度,并将预测结果与试验结果进行了对比。     

方管钢筋混凝土柱的抗震性能和强度研究

钢管钢筋混凝土(STRC)柱是一种由薄壁钢管构成横向约束作用的普通钢筋混凝土柱。对23个方管混凝土短柱进行了循环或者单向轴压试验,并提出计算该类柱轴向承载强度的公式。此外,还对5个梁柱组合结构进行了轴向压力和水平循环荷载作用下的试验分析。试验结果表明,与普通钢筋混凝土柱相比,方形钢管柱具有更高的挠屈强度、位移延性和耗能能力。并同时提出了用于分析STRC梁-柱的纤维模型。     

外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆形截面短柱轴压性能试验研究

提出外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱的复合加固方法。通过11个加固钢筋混凝土圆形截面短柱试件（其中2个为增大截面加固柱试件、9个为复合加固柱试件）和2个未加固钢筋混凝土圆形截面短柱试件的轴压试验,对不同方法加固的钢筋混凝土圆形截面短柱承载力、刚度和延性进行研究,分析加载方式、含钢率、后浇自密实混凝土强度、界面处理方式等因素对复合加固柱轴压性能的影响。试验结果表明：复合加固柱试件的承载力和延性均优于未加固钢筋混凝土圆柱试件和增大截面加固柱试件。仅核心混凝土受压的试件承载力略大于全截面受压的试件;随着含钢率的增大,复合加固柱试件的承载力和延性提高显著;随着后浇自密实混凝土强度的提高,复合加固柱试件的承载力略有提高,但延性有所下降;界面处理方式对复合加固柱试件轴压性能影响不显著。在试验研究的基础上,提出复合加固钢筋混凝土圆形截面短柱的承载力计算式,得出的计算结果与试验结果吻合良好。