不同材料内管的圆中空夹层钢管混凝土构件轴压性能研究

为了研究不同材料内管对圆中空夹层钢管混凝土构件力学性能的影响,设计了内管为钢管、PVC管和PPR管的3种、共5根圆中空夹层钢管混凝土试件。对所有试件进行轴压试验并对其整体和内部的破坏形态、荷载-纵向应变关系曲线、平均应力-应变关系曲线及横向应变发展规律进行分析,运用有限元分析软件ABAQUS对试件进行了轴压全过程模拟。结果表明:PVC内管和PPR内管试件破坏时的斜向鼓曲更为明显,其极限承载力、组合弹性模量和延性均逊于钢内管试件;PVC内管试件的横向应变发展最快;提出的有限元模型能够较好地模拟所有试件的前期刚度和钢内管试件的极限承载力;与钢内管相比,PVC管和PPR管在轴压全过程中仅承担微小的轴向荷载,且其与夹层混凝土的相互作用几乎为零;PVC内管的圆中空夹层钢管混凝土构件不可用于承重结构中,而PPR内管的圆中空夹层钢管混凝土构件可用于工程中。     

风电机组中空夹层钢管混凝土塔筒钢板稳定性能研究

为研究风电机组中空夹层钢管混凝土塔筒钢板在轴压荷载作用下的稳定性能,完成了1片中空夹层钢管混凝土塔筒缩尺试件的轴压试验,得到了内、外钢板的局部失稳破坏模式及稳定性能承载能力。采用ABAQUS建立了试件的有限元模型,模拟结果与试验得到的破坏模式和荷载-位移曲线吻合良好在此基础上进一步开展了有限元参数分析,研究了钢板曲率半径、钢板屈服强度、钢板厚度、栓钉竖向间距等参数对中空夹层钢管混凝土塔筒钢板在轴压荷载下峰值强度的影响规律,并对比了参数敏感性以找出关键设计变量,为构件设计方法的研究奠定基础:以期推动基于边缘加劲组合壳体的新型风电混合塔筒在工程中的应用。     

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.     

中空夹层钢管混凝土试件抗冲击试验研究及有限元分析

为研究中空夹层钢管混凝土试件的抗冲击性能,利用DHR-9401式落锤试验机对6根中空夹层钢管混凝土和2根双层空钢管试件进行抗冲击试验研究。通过冲击力传感器、高速摄影仪和动态应变仪记录不同冲击能量下中空夹层钢管混凝土的冲击力、跨中挠度和特定点的应变,并对比中空夹层钢管混凝土直管、锥管、双层空直管和双层空锥管试件的抗冲击性能。最后基于非线性有限元软件ABAQUS对试验进行模拟。研究结果表明:中空夹层钢管混凝土试件的抗冲击性能明显优于双层空钢管试件的抗冲击性能;中空夹层钢管混凝土直管试件的抗冲击性能优于锥管试件;随着冲击能量的增加,试件的变形随之增大;模拟结果与试验结果吻合较好。     

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。     

方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能研究

以轴压比和空心率为主要参数,进行了12个方中空夹层钢管混凝土试件和4个方实心钢管混凝土试件滞回性能的试验研究。试验表明:方中空夹层钢管混凝土和方实心钢管混凝土荷载-位移滞回曲线饱满,其延性明显优于空钢管试件;轴压比越大的试件,初始刚度越大,但刚度后期退化越快。比较了国内外较典型的几种设计规范(程)对试件抗弯刚度的计算,结果表明,AISC-LRFD(1999)、EC4(1994)、BS5400(1979)、DBJ 13-51(2003)的计算结果与实测的初始抗弯刚度较吻合,DBJ 13-51(2003)的计算结果与实测的使用阶段抗弯刚度最接近。在确定了钢材和混凝土的本构关系的基础上,采用数值方法对荷载-位移滞回曲线进行了计算,理论计算结果与试验结果较吻合。最后分析了轴压比、空心率、长细比、名义含钢率、材料强度等参数对荷载-位移骨架曲线的影响。     

方中空夹层钢管混凝土压弯扭构件试验研究

以长细比、空心率和轴压比为主要变化参数,进行了5个方中空夹层钢管混凝土和2个方实心钢管混凝土压弯扭构件的试验研究。采用有限元软件ABAQUS对压弯扭试件的扭矩-转角全过程关系进行计算,计算得到的扭矩-转角关系曲线在达到承载力之前与试验结果符合较好。通过典型算例进行计算,从钢管与混凝土各自承担的荷载、轴压比和空心率对扭矩-转角关系曲线的影响三个方面对方中空夹层钢管混凝土压弯扭的工作机理进行了分析。研究结果表明：随着轴压比（n≥0.2）的增大,试件抗扭强度承载力越小;偏心率较小时,空心率越大抗扭承载力越大,延性越好。 关键词：     

带拉筋方中空夹层钢管混凝土轴压短柱受力性能研究

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。     

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。     

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。     

Investigation on square concrete filled double-skin steel tube (CFDST) subjected to local bearing force: Experiments

Experimental studies on the behaviour of concrete filled double-skin steel tube (CFDST) subjected to local bearing forces are presented in this paper. Sixteen specimens were prepared and tested with the included angle between bearing member (BM) and compression member of 45° and 90°, whilst both the inner and outer steel tubes of the CFDST specimens are square hollow sections (SHS). The main parameters in the tests were: 1) outside width ratio between BM and compression member: from 0.4 to 0.6; 2) hollow ratio of CFDST: from 0 to 0.6; 3) wall thickness of outer steel tube: 3.05 mm and 3.95 mm; and 4) cross-section of BM: solid and hollow. The failure pattern, load versus deformation curve, bearing capacity and corresponding deformation at bearing capacity of the tested specimens are presented and analyzed. The experimental results show that, while subjected to local bearing forces, CFDST specimens have a high bearing capacity and a good deformation-resistant ability. The calculated bearing capacities of CFDST under local bearing forces using the proposed formulae in the paper are evaluated by comparison with the experimental results.     

局部加载下中空夹层钢管混凝土的试验研究

对局部受压下的中空夹层钢管混凝土进行试验研究。分别对含内外两层钢管的14个圆形构件和15个方形试件进行试验,试验参数包含:空心率、顶端板厚度、局压面积比。结果表明:局部受压下中空夹层钢管混凝土呈现延性。各试验参数对局部受压中空夹层钢管混凝土短柱的性能和破坏模型有很大影响。最后,提出分析局部受压下中空夹层钢管混凝土承载力的简化计算模型。     

方中空夹层钢管混凝土双向偏压力学性能研究

通过对6根方中空夹层钢管混凝土试件在双向偏压受力状态下力学性能的试验,以研究长细比、偏心距和偏心角对试件力学性能的影响。试验结果表明:试验过程中构件变形基本符合平截面假定;长细比和偏心距越大,承载力越小;偏心角对构件的荷载-变形关系曲线的影响不大。最后,采用纤维模型法编制程序,对双向偏压构件的荷载-变形关系进行计算,计算结果与试验结果符合较好。     

大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能研究

为研究大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件的滞回性能,对10个圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯试件(8个往复加载和2个单调加载试件)进行试验研究。考察空心率(0.6和0.8)和轴压比(0、0.2、0.4和0.6)对试件的破坏模态、P-Δ关系曲线和滞回性能的影响,并建立数值模型对单调加载的压弯试件的受力机理进行分析,最后讨论了圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件侧向承载力简化计算方法。研究结果表明,两种空心率试件的破坏形态基本一致,表现为试件下部不同程度的局部破坏;往复压弯试件的P-Δ曲线较为饱满,表现出较好的滞回性能。空心率从0.6增加到0.8对试件的侧向承载力和延性影响较小,两种空心率下的峰值荷载平均相差约3%。随着轴压比增加,试件的极限荷载降低,延性逐渐变差。往复加载试件的强度退化不明显,空心率为0.8的试件刚度退化更显著。试件的平均位移延性系数为3.56,平均黏滞阻尼系数为0.322,表现出较好的耗能能力。当空心率为从0.6增加到0.8,试件的黏滞阻尼系数平均提高15%。     

圆锥形中空夹层钢管混凝土偏压构件受力性能研究

将圆锥形中空夹层钢管混凝土用于风电塔筒或输电塔架时,为满足在塔筒内设置设备等需求而将该类构件空心部分加大。为研究该类构件的偏压受力性能,进行了12个大空心率下的圆锥形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件的试验研究,主要试验参数为荷载偏心率和长细比。利用ABAQUS软件建立有限元分析模型,对圆锥形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件的典型破坏模态和荷载-变形关系曲线进行模拟,所得计算结果与试验结果基本吻合。通过典型算例分析了受力过程中钢管和混凝土各自所承担的荷载和纵向应力分布情况,同时分析了内、外钢管与混凝土之间相互作用力的变化情况。结果表明：偏心率和长细比对圆锥形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件承载力及刚度有显著影响;该类构件力学行为与等截面圆中空夹层钢管混凝土偏心受压构件类似,锥度的存在使破坏位置从等截面柱的中部上移到锥形柱的3/4柱高处(柱顶处),因此在设计大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土偏压(压弯)构件时应考虑柱头处加强。同时,对该类构件压弯承载力计算方法给出了建议。     

方套圆中空夹层钢管混凝土组合构件#br# 横向撞击试验研究

通过对8个大空心率下方套圆中空夹层钢管混凝土组合构件进行横向撞击试验,研究试件的撞击受力过程、破坏形态、撞击力时程曲线特征、跨中挠度与测点纵向应变发展过程等。考察落锤撞击高度、边界约束和轴压比等关键因素对方套圆中空夹层钢管混凝土组合构件在横向撞击作用下动力响应的影响规律。试验研究结果表明：中空率为069的方套圆中空夹层钢管混凝土组合构件在横向撞击作用下主要发生显著地局部凹陷变形,而试件整体变形不显著;在试验研究参数范围内,随着落锤撞击高度的增大,试件局部凹陷程度、跨中残余挠度以及撞击持续时间均保持线性增长;边界约束对跨中残余挠度、撞击力平台值以及撞击持续时间有较大影响;轴压比是影响试件动力响应过程的重要因素,随着轴压比的增大,撞击力时程曲线的平台段会逐渐缩短并消失,跨中挠度变形速度变快,撞击进程加快。     

Behaviour of concrete filled steel tubular (CFST) stub columns under eccentric partial compression

This paper investigates the behaviour of concrete filled steel tubular (CFST) stub columns subjected to eccentric partial compression. Twenty-eight specimens were tested and presented. The main parameters in test program include: (1) section type: circular, square and rectangular; (2) load eccentricity ratio (including uniaxial and biaxial loading): from 0 to 0.4; and (3) shape of the loading bearing plate (BP): circular, square, strip and rectangular. The test results indicated that, similar to the corresponding fully loaded CFST stub columns under eccentric loading, CFST stub columns under eccentric partial compression have generally reasonable bearing capacity and favorable ductility. A finite element analysis (FEA) model for CFST stub columns under eccentric partial compression is developed and the predicted performances are validated through measured results. The FEA model is then used to investigate the mechanisms of such composite columns further.     

Experimental research on concrete-filled square steel tubular slender columns with inner I-shaped CFRP under axial compression

对7个内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土长柱进行了轴压性能试验研究,得到了荷载-跨中挠度曲线和荷载-应变曲线,并分析了其受力过程及破坏特征。试验结果表明：内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱的破坏模式为弯曲失稳破坏。随着长细比的增大,试件的承载力降低。试件的荷载-挠度曲线可分为弹性段、弹塑性段以及下降段。采用ABAQUS有限元分析软件对内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱受力性能进行有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。在此基础上,分析了长细比、混凝土强度、钢材强度、含钢率和有无CFRP对组合柱受力性能的影响。分析结果表明,长细比对柱的受力性能影响较大,随着长细比的增加柱的承载力明显下降;提高混凝土强度可以提高柱的承载力,但延性有所降低;提高钢材强度和增大含钢率均可以提高柱的承载力;设置工字形CFRP型材可以提高柱的承载力和变形能力。     

外贴CFRP布加固不锈钢和普通钢方管短柱轴压性能研究

通过对环向外贴碳纤维布（CFRP）加固不锈钢和普通钢方管短柱的轴压试验和数值模拟研究基轴压性能。结果表明,不锈钢和普通钢方管未加固短柱和加固试件的轴压破坏模式均为对称局部屈曲;CFRP布加固试件的轴压承载力与未加固试件相比均有明显提升,对于相同宽厚比的试件,4层环向加固的效果优于2层环向加固的;随着截面宽厚比的增加,试件的承载力提高百分比随之增加。同时,采用精细化有限元分析模型研究了不同宽厚比试件环向外贴CFRP布加固后的承载力;最后,基于受压薄壁截面的有效截面概念,提出了环向CFRP约束方管有效截面的假设,推导了环向CFRP布加固不锈钢和普通钢方管短柱轴压承载力的计算方法,并与本文试验结果、文献数据和有限元拓展参数模拟结果对比,验证了所提计算方法的有效性和适用性。     

冷弯薄壁方钢管长柱轴压性能试验研究

进行了3组共9个试件冷弯薄壁方钢管受压长柱的试验研究与有限元计算分析,截面尺寸均为120 mm×120 mm×2 mm,考察长细比变化时,试件的破坏模式、荷载-位移曲线以及承载力等改变情况,并利用ANSYS软件进行了数值模拟计算,结果表明:1)对于轴心受压柱,在长细比λ≤36.4时,柱发生的是强度破坏,承载力较高;当长细比增大到λ≤65.5时,柱承载力降低近20%,破坏模式为整体破坏。2)有限元计算结果与试验结果较为接近,差值在12%以内,具有较高准确度。