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。     

Behavior of concrete-filled double skin steel tubular columns with octagon section under axial compression

Based on some conclusions of two kinds of concrete-filled double skin steel tube (CFDSST) members with circular or square sections, a new kind of CFDSST with octagonal section, where the outer tube has an octagonal section and the inner tube has a circular section, is proposed in this paper. Behaviors of the CFDSST members with octagon section subjected to axial compression are investigated, and some curves of load-strain of steel tubes and confined concrete and the bearing capacity of members are obtained. It is indicated that the bearing capacity of the columns with octagonal section is larger than that with square section and is smaller than that with circular section, and the bearing capacity of members is related to the ratio of the straight side to the bevelled one. Based on the proper stress-strain relationship, a couple of numerical analyses are made using the finite element software named ANSYS. Finally, a simplified formula is proposed in the paper, and the numerical results agree well with the experimental results and the mathematical solutions. The results are valuable for engineers.     

配有圆钢管的钢骨混凝土轴压短柱的极限承载力计算（Ⅱ）

针对钢管混凝土核心短柱轴压状态,采用汉基塑性全量理论对钢管进行极限承载力分析,得到屈服时钢管竖向应力对承载力的贡献,同时对核心混凝土采用Drucker-Prager屈服准则进行钢管约束下的承载力的计算分析.考虑配箍率对极限承载力的影响,提出了不同配箍率下的钢管混凝土核心短柱的极限承载力计算公式,并与现有试验数据进行对比,结果吻合良好,为钢管混凝土轴压短柱极限承载力的计算提供一种新的方法.     

配有圆钢管的钢骨混凝土轴压短柱的极限承载力计算（Ⅰ）

针对钢管混凝土核心短柱轴压状态,采用汉基塑性全量理论对钢管进行极限承载力分析,得到屈服时钢管竖向应力对承载力的贡献,同时对核心混凝土采用Drucker-Prager屈服准则进行钢管约束下的承载力的计算分析.考虑配箍率对极限承载力的影响,提出了不同配箍率下的钢管混凝土核心短柱的极限承载力计算公式,并与现有试验数据进行对比,结果吻合良好,为钢管混凝土轴压短柱极限承载力的计算提供一种新的方法.     

八边形中空双钢管混凝土短柱力学性能的非线性分析

基于八边形中空双钢管混凝土轴压短柱的试验结果,选择了合适的材料本构关系模型与界面处理,采用实体有限元分析方法对此类构件进行了非线性分析。之后,对模拟结果作了详细分析,结果表明,由有限元模型分析得出的荷载-应变关系曲线、内外钢管的破坏形态以及极限承载力与试验结果能较好的吻合。在此基础上,利用该模型在几何尺寸与材料强度等方面进行了扩展,并作了相应的解释。最后,提出了此类构件承载力的计算公式,与试验结果能较好的吻合。     

方形截面不锈钢管混凝土短柱轴压承载性能试验研究

为研究不锈钢管混凝土(CFSST)短柱的轴压承载性能,对9根奥氏体型S30408和9根双相型S22053不锈钢管混凝土短柱以及6根对应相同尺寸的不锈钢空钢管进行了轴压试验,试验测得了荷载-位移曲线、荷载-应变曲线以及短柱的破坏情况等.结果 表明:CFSST短柱均呈腰鼓型破坏,不锈钢管呈现双面鼓曲、双面内凹的局部失稳破坏...     

GFRP管-钢管双壁约束混凝土组合柱轴压性能与承载力实用计算方法研究

通过4根实心和中空的GFRP管-钢管双壁约束混凝土组合短柱轴压试验,对比分析了该组合柱的工作机理、破坏模式、复合材料管的约束效应、核心混凝土本构关系及其影响因素。研究发现,在其他条件相同的情况下,内钢管空心的构件变形能力超过实心构件,极限承载力小于实心构件,GFRP管对混凝土的约束程度低于实心构件;GFRP管径厚比越小,其对混凝土的约束效应越好。GFRP管径厚比相同的情况下,实心构件混凝土峰值应力比空心构件大,而极限应变比空心构件小。通过试验分析了约束混凝土强度模型,并采用极限平衡法推导了可用于计算实心和空心双壁约束混凝土组合柱轴压承载力的计算公式,理论计算与试验结果吻合较好。     

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。     

Mechanical behavior of stirrup-confined circular concrete-filled steel tubular stub columns under axial loading

通过井字形拉筋、米字形拉筋和圆环箍筋等3组拉筋约束形式带拉筋圆钢管混凝土短柱轴压性能对比试验,研究不同拉筋约束形式、拉筋体积配箍率对圆钢管混凝土轴压短柱的承载力和延性等的影响;采用合理的混凝土三轴受力本构模型和钢材本构模型,应用ABAQUS非线性有限元分析软件对带拉筋圆钢管混凝土轴压短柱进行三维有限元分析,有限元计算结果与试验结果吻合较好;在此基础上,分析了带拉筋圆钢管混凝土轴压短柱中钢管、拉筋或箍筋、核心混凝土之间的组合作用。结果表明：井字形拉筋圆钢管混凝土轴压短柱的承载力最高,延性最好,钢管、拉筋和核心混凝土之间的组合作用最强;提高体积配箍率可以有效提高圆钢管混凝土短柱的轴压承载力和延性。     

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。     

圆钢管混凝土轴压短柱弹塑性全过程分析

钢管混凝土短柱在轴心受压下的力学性能作为钢和混凝土组合结构的一个基本力学问题历来受到国内外学者的广泛关注。基于钢管混凝土构件中钢管与核心混凝土相互作用,采用Xiao提出的约束混凝土八面棱柱体应力-应变本构模型及相应的破坏和流动准则,结合经典塑性力学中钢材的各向同性线性强化模型,采用增量法对钢管混凝土轴压短柱进行全过程非线性力与变形分析。研究了钢管和混凝土在整个受力过程中的不同状态,考虑了16种钢管和混凝土之间的约束情况,利用Visual Basic语言编写计算程序计算输出各分类情况下钢管和混凝土在每一增量步下的应力和应变增值。通过与已有试验数据进行比较验证了所提出方法的有效性。     

两种钢管混凝土T形柱的轴压性能

为了比较多室式钢管混凝土T形柱及普通钢管混凝土T形柱轴压性能的优劣,进行了3组共6个短柱试件的轴压对比试验。试验结果表明,两种钢管混凝土T形柱的破坏均属于局部鼓曲破坏,但多室式钢管混凝土T形柱的整体性能更为优良,承载能力和延性性能均高于同截面尺寸的普通钢管混凝土T形柱。按照矩形钢管混凝土承载力公式对试件的承载力进行了验算,发现计算结果偏于不安全,因此对钢管混凝土T形柱有必要建立考虑多因素影响的承载力计算方法。     

Analytical behaviour of concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) stub columns

This paper reports a finite element analysis of the compressive behaviour of CFDST stub columns with SHS (square hollow section) or CHS (circular hollow section) outer tube and CHS inner tube. A set of test data reported by different researchers were used to verify the FE modelling. Typical curves of average stress versus longitudinal strain, stress distributions of concrete, interaction of concrete and steel tubes, as well as effects of hollow ratio on the behaviour of CFDST stub columns, were presented. The influences of important parameters that determine sectional capacities of the composite columns were investigated.     

不同腔体构造矩形截面钢管混凝土柱轴压性能试验研究

为研究多腔体钢管混凝土巨型柱腔体构造措施对其轴压性能的影响,以北京中国尊大厦巨型柱截面长轴两端受力较大的矩形截面腔体为原型,进行了6个不同腔体构造措施1/4缩尺的矩形钢管混凝土柱轴压性能试验。采用竖向重复加载,研究了各试件的破坏过程、荷载 位移曲线、承载力、耗能、刚度退化和应变,分析了腔体内加设竖向加劲肋、水平拉结筋、栓钉、横隔板、钢筋骨架等构造措施对试件轴压性能的影响。提出了不同腔体构造措施矩形截面钢管混凝土柱的承载力计算方法,其计算结果与试验结果符合较好。对试件轴压性能进行了有限元模拟,有限元模拟损伤形态和分析结果与试验结果符合较好,并分析了不同腔体构造参数对其轴压性能的影响。研究表明：腔体内设置竖向加劲肋,可分担轴力,延缓钢管屈曲,增强对混凝土的约束,提高构件刚度、承载力和延性;竖向加劲肋间设置拉结钢筋,极限荷载后,可增强钢管对混凝土的约束,延缓钢管混凝土柱轴压性能退化;腔体内设置栓钉,极限荷载后,可增强钢管与混凝土共同工作性能,延缓其后期性能退化;腔体内设置横隔板,其与钢管共同工作,可提高对混凝土的空间约束,显著提高柱的承载力,延缓其刚度退化,总耗能能力增强;腔体内设置钢筋骨架,可进一步加强对各钢筋笼内混凝土的约束,延缓柱的极限荷载后的性能退化,提高延性。     

劲化方形截面钢管混凝土短柱轴压试验研究

采用劲化方形截面钢管混凝土柱可以有效地提高柱钢管壁的侧向刚度,增强其抵抗局部屈曲的能力和改善对核心混凝土的约束作用。通过普通方形截面钢管混凝土柱和劲化方形截面钢管混凝土短柱的轴压试验,对柱的轴压破坏形态、轴力-变形特征、钢管应变等进行了分析。结果表明：劲化带的设置使钢管壁对核心混凝土的约束作用更趋均匀,改变了钢管的局部屈曲变形状态,明显提高了方形截面钢管混凝土柱的轴压承载力和变形能力。根据劲化方形截面钢管混凝土短柱的受力分析,提出了轴压承载力计算式,计算结果和试验结果吻合良好。     

圆钢管混凝土轴压长柱极限承载力的稳定系数法

为完善圆钢管混凝土轴压长柱极限承载力的计算理论,对比分析了中国国家标准GB50936—2014和CECS 28:2012中轴压短柱极限承载力的N0计算公式,并把GB 50936—2014中基于套箍系数的N0计算公式改写成统一的形式,提出了基于正则长细比的轴压长柱的稳定系数计算式,并通过36个试件的对比,对计算式的精度和适用范围进行了分析。研究表明,现行国标GB 50936—2014中基于套箍系数的N0计算公式更为精确,基于N0计算公式和本文的稳定系数,可以计算得到更为精确的轴压长柱的极限承载力。     

薄壁圆钢管混凝土柱轴压极限承载力分析

为了研究薄壁圆钢管混凝土柱轴压极限承载力是否适用CECS:2012《钢管混凝土结构技术规程》提供计算式,制作了不同壁厚(t=0.92、1.42、1.92 mm)、不同高度、不同钢管强度的9根圆钢管混凝土柱构件进行试验研究;试验结果表明薄壁圆钢管混凝土柱依然有很好的承载力及延性;对构件极限承载力对比发现,试验结果与按构件实际强度计算结果基本吻合,表明薄壁圆钢管混凝土柱轴压极限承载力依然适用《规程》提供计算式,且按《规程》提供计算式偏于保守,并根据试验结果对薄壁圆钢管混凝土柱的极限承载力取值进行了建议。     

Analysis of circular concrete-filled double skin tubular slender columns with external stainless steel tubes

This paper investigates the strength and behaviour of concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) slender columns under axial compression. The lean duplex stainless steel material (EN 1.4162) which has recently gained significant attention is considered herein as the external jacket of such columns. Finite element (FE) analyses of several CFDST columns are conducted. Careful consideration is taken in the modelling for the concrete behaviour, for which both of the compressive and the tensile behaviours and the non-linear behaviour due to cracking are fully considered. The accuracy of the current FE models is ensured through the comparison with the existing columns in literature. A parametric study is then conducted to investigate the behaviour of such columns under different affecting factors; the slenderness ratio, the concrete confinement effect, the hollow ratio, the concrete compressive strength and the thickness ratio. The behavioural differences between intermediate length and very long CFDST columns are carefully addressed. Analytically obtained ultimate strengths are compared with design strengths calculated by European and American specifications. European design strength is found to give better predictions compared to the American specifications. However, it is shown that both strengths cannot be used in design because they overestimate the ultimate strengths and thereby do not satisfy the safety requirements. Therefore, a modification is suggested to the European design model which is shown to be able to estimate the compressive resistance of the CFDST columns more accurately than other methods.