Experimental research on mechanical behavior of concrete-filled thin-walled stiffened square steel tubular short column under axial load

为研究带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱的受力性能,以钢管宽厚比、加劲肋宽度和加劲肋个数为参数,对26个薄壁方钢管混凝土短柱进行了试验研究。研究结果表明：对于无肋试件,在达到承载力以前管壁已经发生鼓曲,且试件宽厚比越大,鼓曲越早发生,鼓曲部位的钢管截面越早退出工作,没有发挥出钢管混凝土的优势。设置加劲肋后薄壁方钢管混凝土短柱的受力性能得到明显改善,钢管壁的局部鼓曲得以延缓,材料强度得到了充分利用,试件承载力提高。当试件宽厚比为60、80时,加劲肋宽度对试件承载力影响最明显,加劲肋宽度越大,承载力越高,增加加劲肋个数对试件承载力影响不大;而当试件宽厚比为100时,设置单个加劲肋已不能满足对管壁局部屈曲的抗弯刚度要求,必须增加加劲肋的个数以增加约束钢管变形的支撑点,减小管壁局部屈曲的波长,提高试件局部屈曲的临界荷载。同时利用ABAQUS有限元计算软件对薄壁带肋方钢管混凝土轴压短柱的受力全过程进行了模拟,并将试验结果与有限元模拟结果进行了对比,两者吻合良好,为下一步分析奠定基础。     

带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱受力性能试验研究

为研究带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱的受力性能,以钢管宽厚比、加劲肋宽度和加劲肋个数为参数,对26个薄壁方钢管混凝土短柱进行了试验研究。研究结果表明:对于无肋试件,在达到承载力以前管壁已经发生鼓曲,且试件宽厚比越大,鼓曲越早发生,鼓曲部位的钢管截面越早退出工作,没有发挥出钢管混凝土的优势。设置加劲肋后薄壁方钢管混凝土短柱的受力性能得到明显改善,钢管壁的局部鼓曲得以延缓,材料强度得到了充分利用,试件承载力提高。当试件宽厚比为60、80时,加劲肋宽度对试件承载力影响最明显,加劲肋宽度越大,承载力越高,增加加劲肋个数对试件承载力影响不大;而当试件宽厚比为100时,设置单个加劲肋已不能满足对管壁局部屈曲的抗弯刚度要求,必须增加加劲肋的个数以增加约束钢管变形的支撑点,减小管壁局部屈曲的波长,提高试件局部屈曲的临界荷载。同时利用ABAQUS有限元计算软件对薄壁带肋方钢管混凝土轴压短柱的受力全过程进行了模拟,并将试验结果与有限元模拟结果进行了对比,两者吻合良好,为下一步分析奠定基础。     

薄壁方钢管混凝土短柱承载性能非线性有限元分析

采用ANSYS软件,对薄壁方钢管混凝土短柱的承栽性能进行非线性有限元分析.考虑轴压作用下带肋与不带肋两种截面形式的薄壁方钢管混凝土短柱力学性能,并得出其破坏模态,计算结果与试验结果吻合较好.针对该类构件,探讨加劲肋和钢管强度对其承载力的影响.结果表明,设置加劲肋能有效提高薄壁方钢管混凝土短柱的轴压承载力,与不带肋短拄相...     

带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱滞回性能研究

对3根带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱进行滞回试验,主要参数为轴压比。试验结果表明：纵向加劲肋有效延缓了钢管壁局部屈曲的发生;其滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力;随着轴压比的增大,柱承载力略有增大,而延性、耗能能力则明显减小;当横向位移大于6倍的屈服位移时,大轴压比的刚度退化速度最快。建立了该类试件的有限元模型,对比可得有限元模拟结果与试验结果吻合较好。基于有限元模型对该类构件开展机理分析和参数分析。结果表明：在带肋冷弯薄壁方钢管的约束下,核心混凝土的强度得到了较大提高;钢管局部屈曲发生在峰值荷载后,局部屈曲只发生在纵向加劲肋和钢管角部间;材料强度、轴压比、钢管宽厚比和长细比等参数对该类构件的承载力有较大影响;混凝土强度、轴压比和长细比对荷载-位移骨架曲线形状有较大影响。基于参数分析建议了该类构件的简化滞回模型,简化计算结果和有限元计算结果吻合较好。     

螺旋加劲薄壁方钢管混凝土叠合构件轴压性能及参数影响研究

薄壁钢管混凝土经济性能优势明显,但受到局部屈曲的影响,变形能力发生严重退化.本文基于螺旋加劲肋新型约束形式,提出了螺旋加劲薄壁方钢管混凝土叠合构件,通过试验研究发现:设置螺旋加劲肋可以较好约束薄壁钢管,增强构件局部抗屈曲能力,承载力和变形能力得到提高.在试验的基础上,对该叠合柱进行数值分析,研究了钢管宽厚比、加劲肋宽厚...     

带肋薄壁方钢管混凝土短柱轴压力学性能试验研究

为研究带肋薄壁方钢管混凝土短柱的受力性能,以钢管宽厚比、含钢率和加劲肋个数为参数,设计了26个薄壁方钢管混凝土短柱,主要分析了带肋钢管混凝土短柱的极限承载力,破坏形态以及各参数对其受力性能的影响规律。试验结果表明:设置加劲肋不仅能提高试件纵向承载力,而且有效减缓钢管壁的局部鼓曲。随着试件含钢率即加劲肋高度的增加,试件承载力和管壁稳定性有增加的趋势。     

钢管混凝土柱耐火极限和防火设计实用方法研究

在对钢管混凝土柱耐火极限试验研究和理论分析结果的基础上 ,分析了组成钢管 (高强 )混凝土的材料强度、截面含钢率、截面直径、构件长细比和荷载偏心率等参数对ISO 83 4标准火灾作用下 ,柱构件承载力的影响 ,提出了承载力和防火保护层厚度实用计算方法。最后 ,简要介绍了深圳赛格广场大厦和杭州瑞丰、商业大厦钢管混凝土柱防火保护设计方法 ,可供有关工程参考     

带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱设计探讨

薄壁方钢管混凝土能取得较好的经济效果,适宜在结构中用作柱构件。但薄壁钢管在荷载较大时易发生局部屈曲,且降低对混凝土的约束。研究表明,在钢管纵向设置加劲肋可有效延缓管壁局部屈曲,改善构件工作性能。针对该新型方钢管混凝土轴压短柱,探讨子板件最大宽厚比及加劲肋的最小刚度确定方法。最后利用国内外常用的钢管混凝土设计规范对已有充分加劲的试验构件进行承载力计算,通过分析比较确定这些规范计算公式的适用性,供工程实践参考。     

中空夹层薄壁钢管混凝土柱偏心受压性能研究

为考察偏心距和长细比对采用带纵向加劲肋的薄壁外管中空夹层钢管混凝土柱受力性能的影响,进行5个方套圆中空夹层薄壁钢管混凝土长柱的偏压试验。试验结果表明:构件的极限荷载随着偏心距和长细比的增大而下降;该类构件的延性低于传统中空夹层钢管混凝土柱。针对试验模型,对中空夹层薄壁钢管混凝土偏压柱进行了有限元模拟,有限元计算结果和试验结果吻合较好。基于有限元模型开展了机理分析和参数分析,结果表明:外部薄壁钢管的约束主要集中在横截面角部很小的范围,核心混凝土承担了大部分荷载;混凝土强度、钢材屈服强度、径厚比、径宽比、长细比直接影响轴力-弯矩相关曲线的形状。基于研究成果,提出了中空夹层薄壁钢管混凝土柱偏心受压时承载力的简化计算式,供工程实际参考。     

薄壁方形钢管再生块体混合短柱破坏形态分析

为揭示方形钢管再生块体混合构件的受力性能及破坏机理,对薄壁方形钢管再生块体混合短柱的荷载-变形曲线进行全过程分析;并以轴压破坏形态为切入点,从钢管宽厚比、核心混凝土强度、加劲肋等套箍系数因素对试件破坏形态的影响进行了分析。研究结果表明:在破坏阶段不带肋试件呈软化特性,带肋试件呈加劲特性;薄壁方形钢管再生块体混合短柱的主要破坏形态为试件中部腰鼓形压皱破坏,核心组合混凝土试件中再生块体先在块体卵石与旧混凝土界面产生裂缝,随后卵石被压碎而发生破坏;随套箍系数的增大,钢管对核心混凝土约束作用增强,则趋于腰鼓形破坏,反之发生剪切形破坏。通过研究建立薄壁方形钢管再生块体混合短柱的破坏模型。     

火灾后方钢管钢筋混凝土短柱承载力分析

在确定了ISO-834标准火灾作用后钢材和混凝土应力应变关系的基础上,首先利用ABAQUS有限元软件建立火灾作用后方钢管钢筋混凝土短柱温度场及力学分析模型,计算结果得到以往试验结果验证。然后分析了截面边长、配筋率、受火时间、含钢率、材料强度等参数对火灾作用后钢管钢筋混凝土短柱承载力的影响规律,结果表明,受火时间、截面边长是影响其承载力的主要因素。最后提出了火灾作用后方钢管钢筋混凝土短柱承载力的理论公式, 为其灾后修复和加固提供参考。     

方形复合不锈钢管混凝土柱滞回性能研究

方形复合不锈钢管混凝土柱是一种新型组合构件,具有广阔应用前景,为研究其滞回性能,以轴压比(005、03和06)、内外管尺寸比(042和067)、柱类型(复合不锈钢管混凝土、中空夹层不锈钢管混凝土、不锈钢管混凝土)为主要参数进行8个压弯试件在往复荷载作用下的试验研究,建立方形复合不锈钢管混凝土柱滞回性能分析的有限元模型,考察各参数对侧向荷载 位移骨架线的影响规律。研究结果表明：方形复合不锈钢管混凝土柱的滞回曲线较为饱满,且比中空夹层不锈钢管混凝土柱和不锈钢管混凝土柱具有更高的极限承载力、延性和塑性耗能能力。随着外管屈服强度、夹层混凝土抗压强度的增加或者外管宽厚比、轴压比、长细比的减小,方形复合不锈钢管混凝土柱极限承载力显著增加,随着内外管尺寸比的增加或者内管径厚比的减小,极限承载力有所增加,但增加幅度不大。多数情况下,方形复合不锈钢管混凝土比复合普通钢管混凝土极限承载力高2%～20%。     

薄壁方钢管再生混合柱抗震性能试验研究

通过15根薄壁方钢管再生混合柱在定常轴力和水平往复荷载作用下的拟静力试验,研究了废弃混凝土取代率、钢管壁厚、轴压比等参数对试件抗震性能的影响。基于新、旧混凝土的组合强度,根据国内外钢管混凝土结构的设计标准以及基于ABAQUS的纤维梁单元模型,对试件的水平承载力进行了计算分析。研究表明：废弃混凝土取代率在0~40%之间变化对试件的初始抗侧刚度、钢管局部屈曲、破坏位移、负刚度段行为、等效黏滞阻尼系数、滞回曲线形状影响有限,但再生混合柱的水平承载力总体上比全现浇柱有所降低;当钢管壁厚在1.78~5.50mm之间变化时,随钢管壁厚增加试件并未表现出更好的变形能力;在钢管壁厚仅1.78 mm（宽厚比168.5）的情况下,轴压比0.4的再生混合柱的破坏位移角可达1/35,满足我国现行抗震规范的层间位移角限值要求;采用5部现行标准计算薄壁方钢管再生混合柱的水平承载力可获得与同条件全现浇柱相当的安全性;横截面积和用钢量相同时,薄壁方钢管再生混合柱的抗震性能优于钢筋混凝土柱。研究发现,薄壁方钢管再生混合柱应用于中、低轴压比（实际轴压比小于0.4）的情况是可行的。     

不同圆心角圆端形钢管混凝土短柱轴压性能

为研究圆心角60°和120°圆端形钢管混凝土短柱轴压力学性能,对4个圆端形钢管混凝土短柱进行轴压试验,探究不同圆心角和宽厚比对其极限承载力的影响。基于试验结果,应用有限元软件ABAQUS进行三维实体建模,对圆端形钢管混凝土短柱进行参数分析,研究了钢材强度、混凝土强度、宽厚比、高宽比、尺寸效应等对极限承载力的影响。基于参数分析,建立圆心角为60°和120°圆端形钢管混凝土短柱极限承载力实用计算公式。结果表明:破坏形态均为局部屈曲破坏,且平直段区域均出现局部屈曲现象; 随圆心角增大,构件极限承载力增大; 随宽厚比增大,极限承载力呈现下降趋势; 当圆弧段圆心角从60°增大至120°时,强度指标降低,表明整体约束效应减弱; 圆端形钢管混凝土轴压短柱的整体约束效应随圆心角增大而减小; 随着钢材强度、混凝土强度的增大和构件宽厚比的减小,极限承载力逐渐增大; 不同圆心角的尺寸效应对其极限承载力与初始刚度的影响类似,随着构件尺寸增大,极限承载力与初始刚度均呈现增大的趋势。     

Experimental investigation on concrete-filled stainless steel stiffened tubular stub columns

This paper presents an experimental investigation on concrete-filled normal-strength stainless steel stiffened tubular stub columns using the austenitic stainless steel grade EN 1.4301 (304). The stiffened stainless steel tubes were fabricated by welding four lipped angles or two lipped channels at the lips. Therefore, the stiffeners were formed at the mid-depth of the sections. In total, five hollow columns and ten concrete-filled columns were tested. The longitudinal stiffener of the column plate was formed to avoid shrinkage of the concrete and to behave as a continuous connector between the concrete core and the stainless steel tube. The behavior of the columns was investigated using two different nominal concrete cubic strengths of 30 and 60 MPa. A series of tests was performed to investigate the effects of cross-section shape and concrete strength on the behavior and strength of concrete-filled stainless steel stiffened tubular stub columns. The measured average overall depth-to-width ratios (aspect ratio) varied from 1.0 to 1.8. The depth-to-plate thickness ratio of the tube sections varied from 60 to 90. Different lengths of columns were selected to fix the length-to-depth ratio to a constant value of 3. The concrete-filled stiffened stainless steel tubular columns were subjected to uniform axial compression over the concrete core and the stainless steel tube to force the entire section to undergo the same deformations by blocking action. The column strengths, load–axial strain relationships and failure modes of the columns are presented. Several comparisons were made to evaluate the test results. The results of the experimental study showed that the design rules, as specified in the European specifications and the ASCE, are highly conservative for square and rectangular cold-formed concrete-filled normal-strength stainless steel stiffened stub columns.     

Finite element analysis on axial loading behavior of stub columns of square concrete-filled steel tube with diagonal ribs

为改善方钢管对核心混凝土的约束效应和薄壁钢管混凝土柱的受力性能,提出了带斜拉肋方钢管混凝土柱,其中斜拉肋通长并焊接于钢管两邻边的三分点处。基于有限元软件ABAQUS,对带斜拉肋的方钢管混凝土短柱的轴压受力性能进行了精细化模拟,分析了斜拉肋的设置与否、钢管宽厚比、混凝土强度、斜拉肋厚度、钢材强度、斜拉肋与钢管之间焊缝间隔长度及斜拉肋孔径、间距对轴压力学性能的影响。结果表明：设置斜拉肋可使方钢管混凝土短柱的轴压承载力平均提高14.9%左右,并使方钢管对核心混凝土的约束效果增加,即组合作用系数从1.031平均增加到1.103,尤其可以明显改善大宽厚比方钢管混凝土柱的轴压承载力及组合作用;采用较薄厚度的斜拉肋,可使短柱的组合作用更好,并能充分发挥材料的性能。     

足尺钢管混凝土柱爆炸作用后残余承载力试验研究

设计并制作了4个足尺圆形截面和4个足尺方形截面钢管混凝土柱,对其进行了爆炸试验。通过对爆炸后挠跨比（爆炸导致的跨中挠度和柱长度之比）小于1/100的4根钢管混凝土柱施加竖向压力,得到了钢管混凝土柱在承受爆炸作用后的残余承载力,并分析了钢管混凝土柱在残余承载力试验中的应变发展情况,其中,圆形截面试件应变曲线有明显屈服平台,表明圆形截面钢管混凝土柱的损伤后变形能力优于方形截面钢管混凝土柱。试验后剖开6根钢管混凝土柱试件外钢管,分析了钢管混凝土柱在残余承载力试验前后的破坏情况,试验前后其破坏模式基本一致。应用钢管混凝土统一理论修正公式,对4根残余承载力试验试件进行了损伤程度评估,其中3根为中度破坏,1根为重度破坏,未出现倒塌现象。     

PBL加劲型方钢管混凝土短柱轴压承载力统一解

对于特定的PBL加劲型方钢管混凝土轴压短柱,考虑混凝土榫形成的剪力键提供的有效作用,对PBL加劲肋进行受力分析.引入混凝土有效约束系数,采用统一强度理论,考虑中间主应力和材料拉压比的影响,推导了PBL加劲型方钢管混凝土短柱轴压极限承载力的计算公式,并对其影响因素进行了分析.将计算结果与文献试验结果进行对比,吻合较好,验证了所给公式的正确性.研究结果表明,PBL加劲型方钢管混凝土短柱的轴压承载力随双剪统一强度理论参数b、混凝土内摩擦角、加劲肋的宽度和厚度的增大而提高.所得结果可以为PBL加劲型方钢管混凝土短柱轴压承载力的研究提供参考.