Experiment and FEA of impact resistance of CFST columns with circular cross-section

为研究钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的受力性能,通过对圆钢管混凝土柱进行横向落锤冲击试验,获得柱在冲击荷载作用下的破坏形态、整体变形和应变分布规律,分析了冲击力和试件跨中挠度时程曲线的特征;并通过有限元分析,研究了钢材和混凝土强度等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响。研究结果表明：在试验参数范围内,随着冲击能量的增加,试件冲击力峰值、跨中挠度峰值、冲击持续时间增加;含钢率较大试件的冲击力峰值和冲击力平台值较大,跨中挠度峰值较小、冲击持续时间较短;钢材屈服强度对试件抗冲击性能的影响较大,而混凝土抗压强度对试件抗冲击性能的影响则相对较小。     

圆形钢管混凝土叠合构件抗冲击性能试验研究

开展了钢管混凝土叠合试件落锤冲击系列试验,研究了横向落锤冲击荷载下圆形钢管混凝土叠合试件的破 坏模态、整体变形和局部变形特点,将钢管混凝土叠合试件与钢管混凝土试件、钢筋混凝土试件在横向冲击荷载 下的破坏模态进行对比。分析了冲击力、轴力和跨中挠度时程曲线的特征,研究了冲击能量、轴力和钢管厚度等 参数对圆形钢管混凝土叠合试件在横向冲击荷载作用下力学性能的影响规律。研究结果表明,管外钢筋混凝土部 件与核心钢管混凝土部件能够协调互补、共同工作,叠合试件表现出良好的抗冲击性能。在该试验的参数范围内 ,随着冲击能量的增加,冲击力峰值、跨中挠度峰值、冲击持续时间增加;预加轴压力试件的冲击力峰值较大、 冲击力平台值较小;钢管厚度较大试件的冲击力峰值和冲击力平台值较大,跨中挠度峰值较小、冲击持续时间较 短。     

侧向冲击作用下圆钢管-钢骨混凝土柱抗冲击性能研究

为研究钢管-钢骨混凝土柱的抗冲击性能,利用非线性有限元软件ABAQUS建立了圆钢管-钢骨混凝土柱数值模型。并与已有冲击试验进行对比验证,以保证建模方法的正确性。基于验证后的建模方法研究了侧向冲击作用下圆钢管-钢骨混凝土柱的抗冲击性能,重点分析了冲击质量、冲击速度、钢管壁厚、轴压比和长细比对圆钢管-钢骨混凝土柱抗冲击性能的影响,并对比分析了不同截面形式复合柱的抗冲击性能。结果表明：随着冲击质量和冲击速度的增大,冲击力峰值、冲击力平台值、跨中挠度及冲击力持续时间增长;合理增加钢管壁厚和内插钢骨可以明显改善柱的抗冲击性能;在用钢量和混凝土用量相同时,圆钢管混凝土柱抗冲击性能最优,圆钢管-钢骨混凝土柱次之,方钢管-钢骨混凝土柱较差。     

侧向冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱力学性能分析

为研究侧向冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱的力学性能,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟.综合分析了冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱的冲击力曲线和变形特征,同时考察了冲击速度、构件尺寸和钢管壁厚等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响.研究结果表明:随着冲击速度的增加,构件的冲击力峰值和最大变形都有所增加;当构件尺寸一...     

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。     

圆钢管再生混凝土轴压短柱研究

为了研究圆钢管再生混凝土柱的轴压性能,设计了6根轴压短柱试件,对其进行了轴压试验研究并用有限元软件ABAQUS对其进行了数值模拟。试件的主要变化参数为骨料类型(天然骨料、重钛矿渣再生粗骨料取代率50%、普通再生粗骨料取代率50%)和圆钢管尺寸。结果表明:圆钢管混凝土柱和圆钢管再生混凝土柱具有相似的名义应力-应变关系、刚度退化规律、损伤积累规律、耗能能力、横向变形系数变化规律、荷载-位移关系、荷载-应变关系,再生骨料的类型对圆钢管再生混凝土柱上述性质影响不大。对于约束效应系数ξ较大的试件,由于钢材对核心混凝土或核心再生混凝土的约束作用较强,所以其峰值应力及其对应的应变较大,延性较好,初始刚度较小,耗能能力较强。当试件的荷载超过其极限荷载的80%之后,圆钢管与核心再生混凝土之间产生了明显的相互作用,再生混凝土在圆钢管的约束下处于三轴受压状态,大大提高了再生混凝土的峰值应力及其对应的应变,较好地改善了再生混凝土强度低,延性差等缺点。有限元计算可以较好地模拟圆钢管混凝土柱和圆钢管再生混凝土柱的荷载-变形全过程,计算结果与实测结果吻合较好。将承载力计算式运用于圆钢管混凝土柱和圆钢管再生混凝土柱时,比有限元法的计算结果偏于安全。圆钢管再生混凝土柱的轴压承载能力略低于普通圆钢管混凝土柱。     

Mechanical behaviors of T-shaped concrete-filled steel tubular columns under axial impact

为研究T形截面钢管混凝土短柱在轴向冲击荷载作用下的承载力,以及钢管内混凝土应力分布特点,将PVDF压电薄膜制作成一种可植入式压电应力传感器埋置在钢管内混凝土中,对T形截面钢管混凝土短柱进行轴向落锤冲击试验。通过PVDF电压应力传感器监测数据的转换获得钢管内混凝土应力变化规律,同时获得不同冲击高度下T形截面钢管混凝土短柱的冲击力时程曲线和抗冲击承载力。试验结果表明：T形截面钢管混凝土短柱具有较好的抗冲击性能,壁厚大的钢管混凝土柱其冲击力峰值较大,竖向变形较小、冲击持续时间较短,增加钢管壁厚可提高对混凝土的约束作用,增强钢管混凝土柱的抗冲击承载能力。     

轴向冲击荷载下T形截面钢管混凝土柱受力性能研究

为研究T形截面钢管混凝土短柱在轴向冲击荷载作用下的承载力,以及钢管内混凝土应力分布特点,将PVDF压电薄膜制作成一种可植入式压电应力传感器埋置在钢管内混凝土中,对T形截面钢管混凝土短柱进行轴向落锤冲击试验。通过PVDF电压应力传感器监测数据的转换获得钢管内混凝土应力变化规律,同时获得不同冲击高度下T形截面钢管混凝土短柱的冲击力时程曲线和抗冲击承载力。试验结果表明:T形截面钢管混凝土短柱具有较好的抗冲击性能,壁厚大的钢管混凝土柱其冲击力峰值较大,竖向变形较小、冲击持续时间较短,增加钢管壁厚可提高对混凝土的约束作用,增强钢管混凝土柱的抗冲击承载能力。     

圆钢管混凝土悬臂长柱压弯构件抗震性能研究

对2个圆钢管混凝土悬臂长柱压弯试件和1个钢管柱对比试件进行了低周反复加载试验,研究了轴压力和钢管内填混凝土对试件抗震性能的影响,得到了试件的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线等抗震性能指标,分析了试件的破坏形态、刚度退化以及耗能能力。结果表明:各试件的破坏形态为底部管壁鼓曲,底部一定范围内混凝土出现裂缝;与钢管柱压弯试件相比,钢管混凝土柱压弯试件的屈服承载力和刚度均增大,具有更好的抗震性能;随着轴压力的增大,钢管混凝土柱压弯试件的屈服荷载和刚度均有所减小,抗震性能降低。基于试验数据,采用有限元软件ABAQUS进行分析,分析结果与试验结果吻合较好。在此基础上,利用该数值方法对圆钢管混凝土悬臂长柱进行参数分析,分析结果表明,轴压比和含钢率对圆钢管混凝土柱压弯试件的屈服荷载、水平荷载、耗能能力以及刚度退化均有明显的影响,而混凝土强度等级和钢材强度对其影响较小。     

圆钢管活性粉末混凝土轴压力学性能研究

进行22根圆钢管活性粉末混凝土轴压短柱试验,分析其荷载-变形曲线、破坏特征和工作全过程。试验研究表明:圆钢管RPC轴压短柱的荷载-纵向应变曲线弹性阶段约为极限荷载的90%~95%;套箍系数ξ较小时,在达到极限荷载后承载力急剧下降;ξ较大时,在达到极限荷载后承载力下降平缓并呈回升趋势。ξ较小的试件多呈剪切破坏形态;ξ较大的试件所有断面上均被墩粗、试件的上下两端明显局部鼓曲。在分析国内40个试件试验结果的基础上,研究建立了圆钢管活性粉末混凝土峰值应力、峰值应变、平台应力等理论特征参数的计算方法和应力-应变全曲线方程,验证对比了有关技术规程中圆钢管混凝土基本构件承载力的计算方法,最后建议了圆钢管活性混凝土轴压短柱极限承载力统一计算公式。     

圆钢管锂渣再生混凝土短柱轴压性能试验研究

为了研究圆钢管锂渣再生混凝土短柱的轴压性能,设计了8根试件,对其进行轴压试验研究。试件的主要影响参数为锂渣、再生粗骨料取代率,观察了圆钢管锂渣再生混凝土短柱试件的试验过程和破坏形态,得到了荷载-位移曲线,并分析了锂渣、再生粗骨料的取代率对试件轴压性能的影响。研究结果表明：圆钢管锂渣再生混凝土短柱的破坏形态类似于圆钢管普通混凝土短柱,其良好的强度、刚度和延性,可弥补再生混凝土在力学性能上的不足。     

大尺寸圆钢管混凝土柱爆炸试验研究

为了研究大尺寸圆钢管混凝土柱的抗爆性能,通过四根圆钢管混凝土柱试件的现场爆炸试验,得到跨中位移时程曲线,分析了柱的位移变化,且研究了钢管壁厚和炸药当量对圆钢管混凝土柱抗爆性能的影响。结果表明:(1)随着钢管壁厚的增加,试件的跨中最大位移较明显减小;(2)随着炸药当量的增加,试件跨中最大变形显著增大。     

CFRP布加固局部腐蚀圆钢管混凝土轴压短柱受力性能

钢管混凝土目前已被广泛应用于各类建筑结构中,但是钢材存在易腐蚀的缺点,尤其是局部腐蚀。当钢管混凝土出现局部腐蚀时,其受力性能会有所退化,因此有必要对局部腐蚀后钢管混凝土的受力性能进行研究,并研究局部腐蚀后钢管混凝土的加固方法。为此,完成了7个圆钢管混凝土短柱的轴压试验,研究了机械开孔模拟局部腐蚀对圆钢管混凝土轴压短柱受力性能的影响,同时采用CFRP布加固机械开孔圆钢管混凝土短柱,研究CFRP布包裹层数对局部腐蚀圆钢管混凝土加固效果的影响。试验结果表明局部开孔会降低圆钢管混凝土短柱的轴压承载力、刚度和延性,且随着开孔长度的增加,降低幅度有所提高。采用CFRP布加固局部开孔圆钢管混凝土短柱能够提高试件的承载力,单层CFRP布加固时,试件达到极限荷载时CFRP布纤维突然断裂,试件延性较差;两层CFRP布加固时,试件的延性得到明显改善,整体加固效果更好,试件受力性能接近于未开孔的圆钢管混凝土。同时,采用ABAQUS软件建立了圆钢管混凝土有限元模型,并与试验结果进行了对比,验证了有限元模型的正确性。基于有限元分析结果,建议偏于保守地采用环向应力等于钢材屈服强度的计算方法等效计算CFRP布厚度,用于加固局部腐蚀圆钢管混凝土。     

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。     

内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱受力性能研究

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。     

侧向冲击下箱形钢管混凝土叠合柱动力响应试验研究

为研究箱形钢管混凝土叠合柱抗冲击性能,利用自主研发的落锤式试验机进行了箱形叠合柱冲击试验,研究了边界条件、冲击高度和轴压比对冲击力时程、跨中位移、应变时程以及破坏形态的影响。试验结果表明:箱形叠合柱在冲击荷载作用下发生弹塑性破坏;随冲击高度的增加,冲击力时程曲线由两段式发展为三段式,柱破坏形态表现为外层混凝土开裂且剥落明显,但内部钢管混凝土跨中冲击部位钢管无局部屈曲;两端固定时的抗冲击性能较两端简支时增强;而轴力对其动力响应影响不显著。     

Experimental study on dynamic response of box concrete-encased CFST columns under lateral impact

为研究箱形钢管混凝土叠合柱抗冲击性能,利用自主研发的落锤式试验机进行了箱形叠合柱冲击试验,研究了边界条件、冲击高度和轴压比对冲击力时程、跨中位移、应变时程以及破坏形态的影响。试验结果表明：箱形叠合柱在冲击荷载作用下发生弹塑性破坏;随冲击高度的增加,冲击力时程曲线由两段式发展为三段式,柱破坏形态表现为外层混凝土开裂且剥落明显,但内部钢管混凝土跨中冲击部位钢管无局部屈曲;两端固定时的抗冲击性能较两端简支时增强;而轴力对其动力响应影响不显著。     

冲击荷载作用下热轧H型钢梁数值模拟研究

为了研究热轧H型钢梁在冲击荷载作用下的力学性能与破坏形式,对H型钢梁的冲击试验建立精细化有限元模型,再与试验结果进行对比,验证有限元模型的准确性。基于有限元模型分析冲击荷载作用下钢梁的荷载重分布和内力变化。之后开展拓展参数分析,研究钢材强度、锤头几何形状、有无局部加固、冲击位置、边界条件对钢梁抗冲击性能的影响。结果表明:冲击荷载作用下,钢梁出现局部屈曲,并在响应结束阶段承受不对称剪力,其主要破坏形式为局部屈曲和扭转变形; 提高钢材强度,相应钢梁整体抗冲击性能得到增强; 改变锤头几何形状,导致接触刚度改变,冲击力时程曲线出现变化; 在冲击区设有局部加固可以提高冲击区的刚度以及稳定性,钢梁抗冲击能力得到提升; 当冲击位置靠近支座时,冲击力出现至支座反力出现的时间间隔缩短,钢梁能更好地抵抗冲击荷载造成的破坏; 当钢梁边界条件由铰接改为刚接时,由于钢梁长度增加受惯性荷载影响增大,并且由于支座对梁体约束减弱,冲击力整体大幅降低,梁跨挠度增大。     

FRP-圆钢管混凝土柱受剪性能试验研究

通过12根FRP-圆钢管混凝土试件和1根圆钢管混凝土对比试件的抗剪试验,研究环向包裹FRP布时圆钢管混凝土柱的受剪性能,分析了剪跨比、轴压比、含钢率、混凝土强度、FRP布层数等对FRP-圆钢管混凝土柱受剪性能的影响。研究结果表明,从开始加载至FRP布断裂,FRP布和钢管保持协同工作,FRP-圆钢管混凝土柱具有良好的变形能力。剪跨比和含钢率显著影响FRP-圆钢管混凝土柱的受剪承载力,FRP-圆钢管混凝土柱受剪承载力随剪跨比的增大而减小,随含钢率的增大而增大。增加FRP布层数、提高混凝土强度和增大轴压比均可小幅度提高FRP-圆钢管混凝土柱的受剪承载力。在试验研究的基础上,提出了FRP-圆钢管混凝土柱受剪承载力计算式,得出的计算结果与试验结果吻合较好。     

盐雾腐蚀下钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究钢管混凝土在酸性大气腐蚀下的性能劣化,进行了16个圆钢管混凝土短柱在盐雾腐蚀下的轴压试验,分别考虑了钢材等级和失重率的影响。对比分析了不同等级钢材在盐雾腐蚀下的性能劣化,以及盐雾腐蚀对圆钢管混凝土短柱轴压力学性能的影响。试验结果表明:盐雾腐蚀不仅引起钢材截面的削弱,对于钢材的力学性能也会带来一定的改变;随着失重率的增加,试件的破坏模式由剪切型逐渐变为腰鼓型,圆钢管混凝土短柱的轴压承载力和刚度都有不同程度的降低,峰值位移的变化则不大,试件的横向变形系数和延性逐渐减低。由于腐蚀使钢管削弱,试件的套箍系数随着失重率的增加而减小,但承载力试验值与名义值的比值却随着失重率的增加而增大。