锈蚀方钢管混凝土短柱轴压承载力研究

采用ABAQUS有限元软件,建立模拟酸雨溶液腐蚀后方钢管混凝土轴压短柱有限元模型。为模拟钢管锈蚀损伤,在钢材和混凝土的本构关系模型中考虑了锈蚀对钢材的弹性模量和屈服强度的影响。有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。运用该有限元模型,通过典型算例对锈蚀方钢管混凝土短柱进行轴压全过程分析,比较不同锈蚀率下方钢管混凝土柱荷载-轴向位移关系、外钢管承担的荷载-轴向位移关系、核心混凝土承担的荷载-轴向位移关系的变化规律。并对锈蚀方钢管混凝土轴压短柱进行参数分析,讨论了含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度和锈蚀率等参数对方钢管混凝土柱极限承载力的影响,最后给出酸雨腐蚀后方钢管混凝土柱极限承载力建议计算式。     

酸雨环境下方钢管再生混凝土纯弯力学性能试验研究

以混凝土骨料类型和腐蚀程度为主要变化参数,设计了6个方钢管混凝土试件,先将其置于酸雨腐蚀溶液中对其进行通电加速腐蚀,再对其纯弯力学性能进行分析。试验结果表明:腐蚀前期,实测的腐蚀厚度略低于理论的腐蚀厚度,后期则较为接近;方钢管再生混凝土试件与方钢管普通混凝土试件有着类似的破坏形态,钢管再生混凝土的极限承载力比钢管普通混凝土略低;随着腐蚀程度的加深,试件的弹性阶段刚度、承载力及后期延性下降,且目标腐蚀度为20%的试件比目标腐蚀度为10%的试件极限承载力下降幅度更大。通过有限元软件ABAQUS计算方钢管再生混凝土构件的纯弯力学性能,并对其弯矩-挠度关系曲线进行分析。计算结果表明:有限元模拟的试件在线弹性阶段的刚度比试验中略大,但所得到的各个试件的极限承载力和试验结果比较接近,且有限元计算模型的破坏模态与试验中试件的破坏形态吻合得也较好,折减钢管壁厚的方法可以有效模拟酸雨腐蚀对钢管普通(或再生)混凝土纯弯试件承载力的影响。     

垃圾灰渣在钢管混凝土柱中应用及特点的研究

为了解决城市生活垃圾焚烧灰渣(以下简称垃圾灰渣)的回收利用问题,研究将垃圾灰渣直接应用到钢管混凝土构件中的可行性。首先对15根实心圆钢管垃圾灰渣混凝土短柱进行轴压试验,得出荷载-位移曲线和应力-应变关系。结果表明,钢管对于核心混凝土的套箍作用对钢管混凝土承载能力的提高作用明显。然后根据试验结果,回归出修正的钢管垃圾灰渣混凝土轴压承载力统一理论修正公式。最后采用轻骨料混凝土本构模型进行有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。试验、理论以及有限元结果证明,垃圾灰渣应用到实心钢管混凝土中是可行的。     

约束海砂再生混凝土柱轴压试验研究

为研究约束海砂再生混凝土柱轴压试验的变形性能与破坏特征,分析了不同管材类型、再生粗骨料取代率与海砂氯离子浓度对其的影响。结果表明:玻璃纤维增强塑料(glass fiber reinforced plastics, GFRP)管约束海砂再生混凝土与钢管海砂再生混凝土破坏模式相近,但前者破坏较为突然;GFRP管约束海砂再生混凝土的破坏模式为管材纤维环向拉裂、核心混凝土压碎,而钢管海砂再生混凝土的破坏模式为钢管中部鼓曲、核心混凝土剪压破坏;因再生粗骨料取代率、海砂氯离子浓度的提高,GFRP管约束海砂再生混凝土与钢管海砂再生混凝土的峰值应力都会降低;再生粗骨料的取代率越高,GFRP管约束海砂再生混凝土与钢管海砂再生混凝土的峰值应变越大;不同约束管材条件下,试件承载力略有变化。最后,提出了针对GFRP管约束海砂再生混凝土和钢管海砂再生混凝土的轴压受力计算公式。     

坑槽腐蚀对圆钢管混凝土柱轴压性能的影响分析

以湄洲湾职业技术学院图文中心工程为背景,研究坑槽腐蚀对钢管混凝土柱轴压力学性能的影响。建立了经受坑槽腐蚀后圆钢管混凝土构件的有限元模型,并利用试验数据验证了有限元模型的可靠性。基于有限元分析模型,考察了坑槽深度、钢管屈服强度和混凝土强度等因素对钢管混凝土柱轴压承载力的影响规律。结合现行规范,提出了考虑坑槽腐蚀的钢管混凝土柱轴压承载力实用计算公式,可为实际钢管混凝土工程的性能评估提供参考。     

废玻璃在钢管混凝土柱中应用及特点的研究

为了解决废玻璃的回收利用问题,研究将废玻璃直接应用到钢管混凝土构件中的可行性。首先对15根实心圆钢管玻璃混凝土短柱进行轴压试验,得出荷载-位移曲线和应力-应变关系。结果表明,玻璃混凝土中碱-硅酸膨胀反应对于钢管混凝土的承载能力的提高具有显著作用。然后根据试验结果,回归出修正的钢管玻璃混凝土轴压承载力统一理论修正公式。最后通过有限元模拟,玻璃混凝土采用增强系数法修正的E.Hognestad本构关系模型,模拟结果与试验结果吻合较好。试验、理论以及有限元结果证明,废玻璃应用到实心钢管混凝土中是可行的。     

锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力研究

运用ABAQUS有限元软件建立了模拟酸雨溶液腐蚀后圆钢管混凝土轴压短柱有限元模型,为模拟钢管锈蚀损伤,在钢材和混凝土的本构关系模型中考虑了锈蚀对钢材的弹性模量和屈服强度的影响,有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。运用该有限元模型,通过典型算例对锈蚀圆钢管混凝土短柱进行了轴压全过程分析,比较了不同锈蚀率下圆钢管混凝土短柱荷载-轴向位移关系曲线、外钢管承担的荷载-轴向位移关系曲线、核心混凝土承担的荷载-轴向位移关系曲线以及外钢管与核心混凝土之间的相互作用力-位移关系曲线的变化规律。最后对锈蚀圆钢管混凝土轴压短柱进行了参数分析,讨论了含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度和锈蚀率等参数对圆钢管混凝土短柱极限承载力的影响,并由此导出了酸雨腐蚀后圆钢管混凝土短柱极限承载力简化计算公式。     

海砂对混凝土耐久性能影响规律的研究

为研究海砂混凝土的耐久性能,制作不同掺量矿粉的河砂、淡化海砂和原状海砂混凝土,对三类混凝土进行碳化、渗透性和钢筋腐蚀试验。试验结果表明,原状海砂不能直接用于钢筋混凝土结构,淡化海砂混凝土的耐久性与河砂混凝土相近,是较理想的建筑材料。     

钢管海砂再生混凝土轴压性能试验与分析

以再生粗骨料取代率和海砂中的Cl-含量为主要参数,完成了18个钢管海砂再生混凝土轴压试验,分析了再生粗骨料取代率、海砂中的Cl-含量对试件破坏特征和受力变形的影响.结果表明:钢管海砂再生混凝土受力过程与普通钢管混凝土相似,包含弹性、弹塑性和破坏3个阶段,其主要破坏模式为斜剪破坏;试件峰值荷载随着再生粗骨料取代率和海砂中的Cl-含量的增加而略有降低;峰值应变随着再生粗骨料取代率的增加而增大,随着Cl-含量的增加先增大后减小.同时,对比分析了不同规范的峰值荷载公式计算值与试验值的差异,并根据试验数据对钢管海砂再生混凝土轴压应力-应变全曲线计算模型进行了拟合.     

海砂混凝土的研究和应用综述

通过大量国内外文献,从海砂的应用现状、海砂混凝土力学性能、海砂混凝土的淡化处理及其腐蚀性能、未经淡化处理海砂混凝土的研究等方面出发,对海砂混凝土的研究现状进行了总结,就海砂混凝土的应用前景提出了一些看法。     

钢筋混凝土保护钢管混凝土短柱火灾后力学性能研究

采用试验验证的有限元模型分析了主要影响因素。提出了钢筋混凝土保护钢管混凝土短柱火灾后轴压承载力和轴向刚度的计算方法。研究结果表明：（1）钢筋混凝土保护钢管混凝土短柱火灾后的轴压承载力和轴向刚度明显下降,随着受火时间的增加,轴向刚度的降低幅度更大;（2）截面核心面积比是火灾后轴压承载力降幅变化的主要影响因素。截面核心面积比和含管率是火灾后轴向刚度降幅变化的主要影响因素;（3）提出的简化计算方法可以预测钢筋混凝土保护钢管混凝土短柱火灾后的轴压承载力和轴向刚度。     

FRP钢管混凝土柱抗爆性能数值模拟

为研究FRP钢管混凝土柱(CFST)的抗爆性能,建立了比例距离为0.28 m·kg^-1/3时爆炸荷载下纤维增强复合材料(FRP)钢管混凝土柱的数值模型。运用LS-DYNA非线性有限元程序中的高能爆炸材料模型及状态方程来施加爆炸荷载,采取多物质流固耦合方法进行数值模拟,通过试验数据验证了该模型的合理性。通过数值模拟展示了FRP钢管混凝土柱的位移时程及钢管、混凝土、FRP的等效应力变化,分析了其变化规律与分布特征。此外,通过改变相应参数研究了FRP层数、钢管屈服强度及混凝土强度对FRP钢管混凝土柱的影响程度。结果表明:FRP的约束可以有效提高钢管混凝土的抗爆性能,其易损部位主要发生在柱中及柱两端; 增加FRP层数,提高钢管屈服强度和混凝土强度均可提高柱的抗爆性能; 建立的模型可以进一步推广到不同比例距离、不同截面形状的FRP钢管混凝土柱抗爆研究,同时为FRP钢管混凝土抗爆设计提供了一定依据。     

钢管混凝土复合柱静力试验与偏心率折减系数计算方法

以偏心率为参数,对4根钢管混凝土复合柱和4根钢管混凝土格构柱进行了受压试验和有限元分析,对比分析了试件的破坏过程与特征、受压承载力和荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线。试验结果表明：轴压复合短柱的破坏以钢筋混凝土板的压碎和纵筋屈服为特征,此时钢管混凝土柱肢没有充分发挥其自身的轴压承载能力;偏压复合短柱的破坏形态为近载侧钢筋混凝土板压碎同时柱肢钢管出现鼓曲,对应柱肢的受力状态与钢管混凝土格构柱的相似。当偏心率相同时,钢管混凝土复合柱的初始受压刚度和承载力均大于钢管混凝土格构柱,两者的初始抗弯刚度接近,但由于钢筋混凝土板在受力后期仍可有效传递截面剪力,钢管混凝土复合柱的侧向位移明显小于钢管混凝土格构柱。钢管混凝土复合柱的偏心率折减系数随偏心率的变化情况与钢管混凝土格构柱的基本相似。以钢管混凝土格构柱的基本计算式为基础,利用试验和有限元参数分析结果对其进行修正,得到钢管混凝土复合柱的偏心率折减系数计算方法,折减系数的计算结果与试验结果吻合良好。     

Seismic behavior of L-shaped concrete-filled steel tubular columns with reinforcement stiffeners

制作了1根对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱试件和2根非加劲L形截面钢管混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,考察对拉钢筋和轴压比对其抗震性能的影响规律。结合OpenSees有限元分析,研究其破坏模式和滞回性能,分析对拉钢筋的作用以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明：对拉钢筋能有效限制钢板的局部屈曲以及阴角处钢管和混凝土的脱离,保证钢管和混凝土共同工作;轴压比从0.3增加到0.6时,非加劲L形截面钢管混凝土柱的耗能能力及延性均降低;相同轴压比下,相比非加劲L形截面钢管混凝土柱,对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱的破坏程度明显减轻,耗能能力及延性明显提高;有限元分析结果基本能反映试件在低周往复水平荷载作用下的抗震性能。     

Influence of steel ratio on fire resistance of concrete-filled square steel tubular columns with internal profiled steel

采用ABAQUS有限元软件,建立了火灾作用下内配型钢方钢管混凝土轴压柱耐火性能的有限元模型,验证了有限元模型的可靠性。在保证钢材总含钢率不变的前提下,对钢管和内配型钢进行分配,对比分析了两种截面形式柱常温承载力和耐火极限。对钢管含钢率、型钢含钢率以及钢材材料强度进行了分析,并对不同截面总含钢率下钢管含钢率分配比例对耐火极限的影响进行了计算和分析。结果表明：保持总含钢率不变,将钢管中部分钢材以型钢的形式置于混凝土中,常温下承载力略有降低,但火灾下耐火极限提高甚为显著;当钢管含钢率占截面总含钢率的50%~60%时,常温下承载力和火灾下耐火极限均能得到充分的发挥。     

温度和荷载共同作用下钢管混凝土短柱的性能分析

采用有限元模型研究温度与荷载共同作用下的钢管混凝土短柱的荷载-变形关系。该模型用来模拟一系列各种温度和力学加载条件下的钢管混凝土短柱试验,包括高温测试、常温下构件残余强度测试,以及无初始荷载的ISO-834标准温度下的构件测试。预测结果以及试验结果的对比表明:模型可以准确预测构件的荷载-变形关系。然后采用该有限元模型分析在具有初始荷载、加热和制冷条件下完全加载过程中的钢管混凝土短柱的性能,以观察构件横截面的应力分布和各个加载阶段的应力发展情况。所有构件在制冷过程之后都加载至极限强度,利用一系列参数对其残余应力进行了分析。结果发现:在温度和荷载共同作用下的构件极限强度,要比只有温度作用而无初始荷载的构件极限强度略低,但是在极限强度时,前者的最大应变显著增加。     

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。     

方钢管混凝土柱-钢梁框架耐火性能分析

研究方钢管混凝土柱-钢梁框架结构的耐火性能。基于有限元方法,分析了GB/T 9978（同ISO-834）加热条件下,带有混凝土楼板的方钢管混凝土柱-钢梁单向螺栓连接框架结构的温度分布、耐火时间和破坏模式,并对有限元模拟结果进行了试验验证,在试验结果基础上采用有限元方法分析了方钢管混凝土柱构件与方钢管混凝土框架柱的耐火极限差异。研究结果表明：与方钢管混凝土框架柱的其他区域相比,方钢管混凝土框架柱节点区的温度相对较低;根据本文建议的框架结构判定准则,当单向螺栓节点连接可靠,随着作用在柱和梁上荷载水平的变化,柱破坏模式和梁破坏模式是方钢管混凝土柱-钢梁框架的主要破坏模式;当框架梁上不施加荷载,只对框架柱起到约束作用,其他条件相同时,方钢管混凝土框架柱的耐火极限大于两端铰接柱构件的耐火极限,但小于一端固接一端铰接支撑柱构件的耐火极限。     

长期荷载作用下带脱空缺陷钢管混凝土柱的受力性能研究

为研究长期荷载作用对带脱空缺陷钢管混凝土柱受力性能的影响,以脱空类型、脱空率和长期荷载比为主要参数,对长期荷载作用下带脱空缺陷钢管混凝土短柱的变形特性和承载力进行了试验研究。试验结果表明：在长期荷载作用下,与普通无脱空缺陷钢管混凝土柱类似,脱空缺陷钢管混凝土柱徐变系数终值的上限值为0.9;长期荷载比大的脱空缺陷钢管混凝土柱较长期荷载比小的脱空缺陷钢管混凝土柱的承载力略大。采用有限元分析软件ABAQUS,对考虑长期荷载作用影响时脱空构件的受力性能进行分析,有限元计算结果和试验结果吻合良好。利用验证过的有限元模型,系统地分析了长细比、含钢率、钢管屈服强度、混凝土强度、长期荷载比、脱空率和荷载偏心率等参数对长期荷载作用下带脱空缺陷钢管混凝土柱的承载力影响规律。结果表明,混凝土脱空缺陷对考虑长期荷载作用的承载力影响系数的不利影响小于1.5%;现有的考虑长期荷载影响的普通钢管混凝土柱的设计方法可用于预测带脱空缺陷钢管混凝土柱的承载力。     

Numerical analysis of slender elliptical concrete filled columns under axial compression

This paper presents a non-linear finite element model (FEM) used to predict the behaviour of slender concrete filled steel tubular (CFST) columns with elliptical hollow sections subjected to axial compression. The accuracy of the FEM was validated by comparing the numerical prediction against experimental observation of eighteen elliptical CFST columns which carefully chosen to represent typical sectional sizes and member slenderness. The adaptability to apply the current design rules provided in Eurocode 4 for circular and rectangular CFST columns to elliptical CFST columns were discussed. A parametric study is carried out with various section sizes, lengths and concrete strength in order to cover a wider range of member cross-sections and slenderness which is currently used in practices to examine the important structural behaviour and design parameters, such as column imperfection, non-dimension slenderness and buckling reduction factor, etc. It is concluded that the design rules given in Eurocode 4 for circular and rectangular CFST columns may be adopted to calculate the axial buckling load of elliptical CFST columns although using the imperfection of length/300 specified in the Eurocode 4 might be over-conservative for elliptical CFST columns with lower non-dimensional slenderness.