火灾后方中空钢管混凝土柱滞回性能有限元分析

为研究火灾后方中空夹层钢管混凝土柱的滞回性能,采用合理的本构关系,建立有限元模型,分析参数有受火时间、轴压比、混凝土强度、空心率,并与相应试验结果进行比较,承载能力、滞回曲线以及破坏模态吻合较好。同时对火灾后方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能进行机理分析,结果表明：混凝土强度对滞回曲线影响不明显,分析滞回骨架曲线得知承载力随着构件受火时间增加、轴压比的增大,空心率减小而减小。随着受火时间的增加,空心率的增大,构件的滞回耗能能力更好。     

八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能的研究

在总结圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土柱受力性能与工程应用优缺点的基础上,提出采用八边形中空夹层钢管混凝土结构的合理性。对八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能进行试验分析,得到构件各组成部分的荷载-应变关系曲线和极限承载力值,由试验现象与试验结果发现八边形截面中空夹层钢管混凝土柱的承载能力比方形截面柱承载能力高,比圆形截面柱承载能力稍低,且与八边形直边与斜边之比相关。为拓展此类构件应用的几何尺寸范围,在确定材料合理的应力-应变关系模型后,采用有限元方法进一步分析此类构件的力学性能,由此得到的荷载-应变关系曲线以及构件承载力与试验结果能较好地吻合。通过对影响构件承载能力各主要参数的分析,利用试验与数值模拟结果,提出轴压条件下八边形中空夹层钢管混凝土短柱极限承载力的计算公式,供工程设计人员参考。     

不锈钢管约束钢筋再生混凝土短柱轴压受力性能研究

为研究不锈钢管约束钢筋再生混凝土短柱受压力学性能，进行了6个圆形和6个方形截面轴压短柱的试验研究，主要研究参数为不锈钢管厚度(1.4、1.9 mm)、再生砖骨料掺量(0%、50%、100%)和柱类型(不锈钢管约束钢筋再生混凝土短柱、不锈钢管钢筋再生混凝土短柱和钢筋再生混凝土短柱),获得了破坏形态、荷载-应变关系、极限荷载、刚度和延性等性能。结果表明：不锈钢管的约束作用提高了短柱的承载力和延性，承载力随再生砖骨料掺量增加而减小，再生砖骨料掺量100%时圆形和方形截面短柱承载力比无掺入情况分别下降23.6%和39.5%;再生砖骨料掺量越大，短柱的轴压刚度越小，不锈钢管壁厚从1.4 mm变化到1.9 mm对轴压刚度影响不大；再生砖骨料高掺量情况或增加不锈钢管厚度可显著提高短柱延性。同时，修正了现有圆形截面的约束混凝土本构模型，建立了不锈钢管约束钢筋再生混凝土短柱的有限元模型进行轴压性能分析，有限元计算结果和试验结果吻合良好。对114个不同参数下短柱模型进行计算，提出了圆形和方形截面不锈钢管约束再生混凝土短柱轴压承载力和刚度设计方法。     

矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件的试验研究

对6根矩形中空夹层钢管混凝土和1根矩形实心钢管混凝土短柱试件进行轴压试验,研究了内外钢管的长宽比对短柱的力学性能的影响。试验结果表明:比较内管相同的试件,外管截面尺寸较大者其轴压承载力略高;比较外管相同的试件,由于混凝土的减少和内管的局部屈曲,轴压承载力随内管的增大略有下降,本次试验中的实心钢管混凝土短柱的轴压承载力略高于中空夹层钢管混凝土短柱。同时用ABAQUS有限元软件对试件轴压全过程进行了模拟,计算结果与试验结果吻合良好。     

三面受火的方中空夹层钢管混凝土柱耐火极限分析

为研究三面受火方中空夹层钢管混凝土柱的抗火性能,通过ABAQUS有限元软件建立了三面受火的方中空夹层钢管混凝土柱有限元模型,并将计算结果与试验数据进行对比,结果吻合良好。利用所建立的模型分析了构件在三面受火条件下的温度场与受力机理,并分析了常见参数对三面受火方中空夹层钢管混凝土柱耐火极限的影响,提出了三面受火方中空夹层钢管混凝土柱耐火极限的简化计算公式。结果表明,在荷载比为0.4～0.8、长细比为20～50、截面尺寸为400～1 000 mm常用参数范围内,荷载比、长细比、截面尺寸和荷载偏心率是构件耐火极限的主要影响参数,荷载比和长细比越小,截面尺寸越大,构件耐火极限越大。当0≤e/r_0≤0.4时,荷载偏心率对构件的耐火极限影响较大,耐火极限最大可比轴压时高50%。     

轴向压缩荷载下双层中空钢管混凝土短柱的试验和数值研究

使用试验和数值方法研究轴向压缩荷载下双层中空钢管混凝土柱的性能。对一个外层为八边形钢管﹑内层为环形PVC-U管﹑且在两层间填充高强混凝土的双层中空钢管混凝土柱进行研究。测试混凝土强度﹑径厚比﹑空心率﹑长细比对双层钢管混凝土柱的极限轴压承载力的影响。经测试发现:双层中空钢管混凝土柱的极限轴压承载力随着混凝土强度的增加而增加,但随着径厚比或空心率的增加而减少。根据试验结果,提出一个能预测双层中空钢管混凝土柱极限轴压承载力的设计公式。     

中空夹层钢管再生混凝土短柱受压性能分析

为了研究震后建筑废弃物再生混凝土材料及其钢管短柱的力学性能,以混凝土的再生骨料取代率为主要参数,分别进行了10个圆中空和10个方中空夹层钢管再生混凝土短柱的轴压试验研究,比较了试件的荷载变形曲线和极限承载力关系.结果表明：随着再生骨料取代率的增大,试件的极限承载力逐渐降低,100%再生骨料取代率的圆中空试件和方中空试件比原生骨料试件的极限承载力分别下降16%和10%.在确定试件钢材和核心再生混凝土的应力应变模型的基础之上,利用数值计算方法对中空夹层钢管再生混凝土的荷载应变全过程关系进行了分析,理论计算结果与试验结果吻合较好.建立了中空夹层钢管再生混凝土轴压试件极限承载力的实用验算方法.     

圆钢管及钢管混凝土柱的抗火设计

分别对圆钢管、钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土柱进行了抗火设计,并对结果进行比较分析。结果表明,在较高荷载比下柱的耐火极限不能满足实际要求,必须进行防火保护。在相同条件下,耐火极限从大到小排序为:圆钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、钢管柱。在一级耐火等级下,钢管混凝土柱和中空夹层钢管混凝土柱需要厚涂型钢结构防火涂料的厚度可比钢管柱分别少55%和18%以上。随着荷载比的减小或截面尺寸的增加,柱的耐火极限提高,需要的保护层厚度减小。对于钢管混凝土柱,若采用水泥砂浆保护层,其厚度是防火涂料的3倍及以上。     

不锈钢管中管混凝土海洋平台导管腿轴压性能试验研究

不锈钢具有良好的耐腐性与变形能力,为研究海洋平台新型不锈钢导管腿轴压性能,通过12根不锈钢管中管混凝土柱的轴压力学性能试验,分析了空心率、混凝土强度、外钢管径厚比和材质对不锈钢管中管混凝土短柱轴压破坏模式、承载力等力学性能的影响。研究结果表明：不锈钢管中管混凝土短柱呈腰鼓型破坏,其塑性变形与屈服后应化强度比普通钢试件显著,但初始刚度比普通钢试件小;空心率和径厚比越小,试件承载力越大,空心率由0增加到0.61,试件承载力下降21%;径厚比由34减小到14,试件承载力提高63%;混凝土强度越高,试件承载力越大,混凝土由43.82MPa提高到59.37MPa,试件承载力提高11%。有限元模拟所得荷载-位移关系曲线、破坏形态和承载力均与试验结果吻合较好。     

圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件抗震性能

选取合理的材料本构模型和混凝土损伤指标,通过ABAQUS软件建立圆锥形中空夹层钢管混凝土构件数值模型,并采用现有试验数据进行模型验证。在此基础上建立典型算例,分析典型算例的抗震性能指标,同时描述构件的破坏模态。对轴压比、空心率和长细比这3个对圆锥形中空夹层钢管混凝土抗震性能指标影响较为显著的参数进行分析,探究3个参数对滞回曲线极限承载力、延性系数和耗能能力的影响规律。比较圆锥形中空夹层钢管混凝土与不同截面尺寸的等截面圆中空夹层钢管混凝土抗震性能的差别,探究圆锥形中空夹层钢管混凝土与何种截面尺寸的圆中空夹层钢管混凝土可以实现抗震性能上的等效。结果表明:在一定范围内,轴压比和长细比的增大使得构件的耗能性能变差,空心率的增大使得构件的耗能性能变好,但需明确各参数的限值; 截面面积减小使得构件的承载力降低、耗能性能变差; 圆锥形中空夹层钢管混凝土的抗震性能与距其底部1/4高度处截面大小的圆中空夹层钢管混凝土等效。     

Experiment study of stirrup-confined concrete-filled square double-skin steel tubular stub columns under axial loading

通过带拉筋方中空夹层钢管混凝土轴压短柱受力性能试验,研究了拉筋配箍率对试件承载力、刚度、延性及横向变形系数的影响。采用混凝土三轴受力状态本构模型和钢材本构模型,应用ABAQUS有限元分析软件建立并验证了带拉筋方中空夹层钢管混凝土轴压短柱三维实体有限元模型,有限元计算结果与试验结果吻合良好;在此基础上,分析了拉筋对内外方钢管和混凝土约束作用机理。研究结果表明:拉筋能有效缓解了方钢管的局部屈曲,对短柱承载力、刚度、延性的提高效果明显;拉筋加强了内钢管对混凝土的约束作用,使得内钢管受力更加合理,并且拉筋配箍率越大,约束作用越明显。     

拉筋接触方式对高轴压比钢管混凝土柱抗震性能影响试验研究

高轴压比下的钢管混凝土柱抗震性能较差,端部拉筋能够有效提高钢管混凝土柱的抗震能力,但拉筋与钢管壁焊接施工困难,不利于工程应用。为了研究拉筋笼与钢管壁间接触方式对钢管混凝土柱整体抗震性能的影响,通过对2个圆形和4个方形截面高轴压比端部带拉筋的钢管混凝土柱进行水平低周往复荷载作用下的试验研究,分析不同接触方式对其破坏形态、滞回耗能能力、骨架曲线、弹性刚度、承载力、延性系数、刚度退化和残余变形率的影响规律。结果表明：拉筋笼与钢管内壁焊接能够加强拉筋和钢管对混凝土的约束作用,从而增加构件的整体刚度。同时,塑性铰处钢管鼓曲幅值与局部屈曲长度明显降低,因此获得了更高的弹性刚度、承载力和滞回耗能能力;外径尺寸和其他设计参数相同时,常用拉筋笼约束方式下方钢管混凝土柱比圆钢管混凝土柱具有更大的抗弯刚度、承载力和塑性耗能能力,且破坏时始终表现为塑性压铰,而带拉筋圆钢管混凝土柱在破坏后往往由塑性压铰转变为拉铰。     

方钢管高强混凝土短柱轴压试验研究

本文对3根冷弯型方钢管高强混凝土短柱进行了轴心受压试验,并分析了冷弯型方钢管高强混凝土轴心受压短柱的受力性能及变形特点。提出了典型荷载-应变全过程曲线,并分析了各阶段的受力性能。得到如下结论:冷弯型方钢管高强混凝土短柱充分利用了高强混凝土抗压与钢材抗拉的材性特点,其极限承载力较普通方钢管混凝土更高;短柱试件承载力的下降取决于方钢管的局部屈曲与核心混凝土失去三向受力状态并被压碎的程度;冷弯型方钢管高强混凝土的极限承载力本质上主要由冷弯型方钢管局部屈曲控制;冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱后期延性较差,但含钢率越大,其后期残余承载力越大。     

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。     

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。     

火灾下带肋薄壁方钢管混凝土柱承载力分析

对带肋薄壁方钢管混凝土柱在火灾下的承载力进行了分析,考察了各重要参数对构件承载力影响系数的影响。结果表明:在火灾作用下,带肋薄壁方钢管混凝土柱的承载力损失较为严重,在一定参数范围内,截面尺寸、构件长细比和防火保护层厚度对火灾下构件承载力影响系数的影响较大,荷载偏心率、截面含钢率的影响次之,钢管屈服强度、加劲肋屈服强度、混凝土抗压强度的影响较小,加劲肋宽厚比在荷载比≤0.3且宽厚比≤25的情况下有一定影响。在构件外表面采用防火保护能有效提高耐火极限,而且厚涂型钢结构防火涂料的效果明显优于水泥砂浆保护层。     

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。     

钢管混凝土叠合柱轴压性能研究

为研究钢管混凝土叠合柱轴压性能,基于合理的钢材和混凝土本构关系模型,采用纤维模型法和有限元法分析方法计算叠合柱轴压荷载-变形关系曲线。将理论计算结果与试验结果进行对比,验证了理论分析模型的正确性。在此基础上,对叠合柱的破坏模态、轴向荷载分配以及组成钢管混凝土叠合柱的外围钢筋混凝土、钢管和钢管内部混凝土之间相互作用等进行分析,提出了叠合柱的轴压承载力简化计算式,简化计算结果与试验结果吻合较好。为保证外围钢筋混凝土和内部钢管混凝土较好地协同工作,建议外围钢筋混凝土中箍筋的约束指标与内部钢管混凝土的约束效应系数比值不应小于0.188。     

带肋薄壁复式钢管混凝土柱的抗震性能研究

带肋薄壁复式钢管混凝土柱具有较好的耐火性能和经济性,同时钢管混凝土构件多用于地震频发区域,因此有必要研究其抗震性能。以轴压比和内管外径为主要参数,进行了6根带肋薄壁复式钢管混凝土压弯柱的低周反复加载试验。试验结果表明：该类组合柱的滞回曲线饱满,具有良好的抗震性能,其承载能力和耗能能力明显高于带肋薄壁钢管混凝土对比柱;该类柱均为面内压弯破坏;随着轴压比的增大,试件的延性、累积耗能随之减小,后期刚度退化加剧;随着内管外径的增大,试件的承载力、延性和耗能能力提高,但内管外径对刚度退化的影响较小。建立了带肋薄壁复式钢管混凝土柱的有限元模型,并利用试验结果检验了模型的准确性。基于该模型开展参数分析,结果表明钢管屈服强度、外部混凝土强度、轴压比、径宽比、径厚比和长细比等参数对该类构件的承载力影响较显著。最后基于参数分析,建议了荷载 挠度恢复力模型。     

不同腔体构造圆钢管混凝土短柱抗震性能试验

为研究不同腔体构造对圆钢管混凝土短柱抗震性能的影响,进行了3个不同腔体构造的大截面尺寸圆钢管混凝土短柱试件的低周反复荷载试验。试件钢构件分别为圆钢管、圆钢管腔内焊接环向及竖向肋板并设置钢筋笼以及圆钢管内置圆钢管,其中后两者钢构件用钢量相等。各试件的轴力均相等。分析了各试件的承载力、刚度退化、滞回特性、延性、耗能及破坏特征。研究表明：竖向肋板的设置可以提高构件的受弯承载力;环向肋板可以显著约束钢管径向变形;内置圆钢管强化了核心区混凝土的约束,使得外钢管弹塑性变形能力增强;含钢率相等条件下,圆钢管内置圆钢管混凝土短柱与圆钢管腔内焊接环向及竖向肋板并设置钢筋笼混凝土短柱相比,虽然水平承载力略有下降,但是其延性系数和累积耗能能力有显著提高;3个不同腔体构造圆钢管混凝土短柱的等效黏滞阻尼系数分别为0.41、0.53、0.58,均具有较好的耗能性能。圆钢管混凝土柱在压、弯、剪复合受力状态下的承载力试验值高于按照我国规范和规程所得出的计算值,表明我国规范和规程在计算足尺试件承载力时,结果偏于安全。