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。     

CFRP-方钢管混凝土轴压短柱承载力分析

采用统一强度理论对CFRP-方钢管混凝土轴压短柱进行受力分析,并引入等效应力系数、混凝土强度折减系数和等效约束折减系数,将CFRP-方钢管混凝土转化为CFRP-圆钢管混凝土,进而建立了CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式。将所得理论公式的计算结果与文献资料数据进行对比,验证了该公式的正确性,并进行了影响因素分析。结果表明:随材料拉压比、统一强度理论参数和CFRP厚度的增加,CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力不断增大,但CFRP的约束效率却随其厚度的增加在减小;所得结论可为CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的设计、施工及推广提供一定的理论依据。     

圆端形钢管混凝土中长柱轴压性能

为研究圆端形钢管混凝土中长柱的轴压性能,考虑了构件千分之一杆长的初弯曲,使用有限元软件ABAQUS建立了圆端形钢管混凝土中长柱精细化有限元分析模型,利用已有试验数据验证有限元模型的合理性与精确性,在此基础上分析了试件的变形模式和承载能力状态,比较短柱、中长柱与长柱性能的不同,得出了圆端形钢管混凝土界限长细比。综合分析了长细比、钢管厚度、混凝土强度、钢材强度、高宽比等参数,提出了圆端形钢管混凝土中长柱极限承载力简化计算公式,并对简化计算公式的准确性进行了验证。结果表明:短柱为强度破坏,中长柱发生弹塑性失稳破坏,长柱发生弹性失稳破坏; 在其他条件相同的情况下,圆端形钢管混凝土中长柱的极限承载力、延性与长细比呈负相关,与钢材强度、钢管厚度呈正相关,混凝土强度的变化对承载力和延性的影响不大; 短柱与中长柱界限长细比λ₀=10～11,中长柱与长柱界限长细比λ_p=86.4～96.0; 与试验数据及有限元计算结果相比,承载力公式具有足够精度,可为圆端形钢管混凝土中长柱研究与工程应用提供理论依据。     

圆钢管钢筋再生混凝土短柱轴压承载力

针对再生混凝土相对普通混凝土延性较差、承载力较低的特点,利用钢管和钢筋笼对再生混凝土的约束作用,将钢筋再生混凝土灌入圆钢管中形成圆钢管钢筋再生混凝土短柱进行研究。基于极限分析法、套箍理论以及双剪统一强度理论,考虑钢管和钢筋笼的双重约束效应,提出了一套包含钢管径厚比、约束效应系数、含钢率以及再生粗骨料取代率等影响因素的圆钢管钢筋再生混凝土短柱轴压承载力计算方法。在理论推导的基础上,考虑短柱的非线性、钢管与再生混凝土的滑移影响,采用ABAQUS有限元软件对圆钢管钢筋再生混凝土短柱进行建模分析; 将理论公式值、有限元仿真结果以及相关文献试验数据进行对比,验证公式的有效性与适用性。结果表明:加了钢筋笼的圆钢管钢筋再生混凝土比圆钢管再生混凝土短柱轴压承载力提高10%左右,研究结论可以为实际工程的应用提供理论基础。     

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。     

方钢管再生混凝土短柱轴压承载力有限元分析

利用有限元软件ABAQUS对方钢管再生混凝土短柱轴压承载力进行非线性分析,建立了适用于有限元分析的钢管和再生混凝土本构关系模型;利用极限平衡法推导方钢管再生混凝土短柱轴压承载力计算公式函数类型;利用计算结果拟合出方钢管再生混凝土短柱轴压承载力的计算公式。研究结果表明:所提出的材料本构关系模型可以较好地满足对方钢管再生混凝土短柱轴压承载力进行模拟分析的要求,通过模拟获得的计算结果与相关试验结果差异较小,所建立的方钢管再生混凝土短柱轴压承载力计算公式能够较准确地计算构件极限承载力。     

Behavior of concrete-filled rectangular weathering steel tubular stub columns under axially compressive loading

为了研究耐候钢管混凝土轴压短柱的受力性能,开展了矩形截面形式共4根耐候钢管混凝土轴压短柱试验研究,采用有限元法对试验轴压短柱性能进行了建模分析。结合试验和有限元法,分析比较耐候钢管混凝土轴压短柱与普通钢管混凝土轴压短柱受力性能的差异。研究结果表明：耐候钢材拉伸性能试验表明耐候钢材与碳素钢的力学性能相似,文中采用的钢材本构关系对耐候钢适用;设置约束拉筋使得构件承载力、延性以及钢管对混凝土的约束作用均有提高;耐候钢管混凝土短柱试验研究、有限元分析结果均表明耐候钢管混凝土短柱轴压性能与普通钢管混凝土无显著差异。     

焊接不锈钢方管混凝土短柱轴压性能试验研究

通过对18根焊接不锈钢方管混凝土短柱模型试件的轴压试验,观察了各试件的破坏现象,分析了混凝土强度、试件高宽比和钢管板件宽厚比试件轴压承载力的影响,得到了荷载-位移曲线,荷载-应变曲线及柱截面应变强度分布曲线。根据试验现象,试件的破坏模式可以归为两类：一类为钢管在整个柱表面范围内发生局部凸曲,靠柱中焊缝破坏;另一类为局部凸曲未能发展到整个柱表面,在端部或者端部附近焊缝破坏。试验结果表明：混凝土强度越高,试件的轴压承载力越大,但钢管对核心混凝土的约束作用相对减小;焊接不锈钢方管混凝土短柱轴压承载力随试件高宽比的增大而增大,随钢管板件宽厚比的减小而减小;试件截面的角部存在应力集中现象,即截面角部的应力大于截面其余部位的应力;焊接不锈钢方管混凝土短柱具有很好的变形能力,其破坏属于延性破坏,具有良好的安全储备;焊缝强度是影响焊接不锈钢方管混凝土短柱承载力的一个主要因素。     

内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱生命周期内的力学性能

为了研究内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱在生命周期内的受力机理,利用有限元软件ABAQUS建立该类短柱的计算模型,并与已有的相关试验结果进行对比。模型中将钢管初应力和长期荷载作为生命周期内的主要因素进行考虑,分析了内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱生命周期内的荷载-变形全过程曲线、跨中截面各部件纵向应力分布和钢材与混凝土之间的相互作用力; 考察了初应力系数、长期荷载比和含钢率对构件承载力和变形的影响规律。结果表明:考虑钢管初应力和长期荷载作用的内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱极限承载力与一次加载情况下相比变化不明显,但极限承载力对应的纵向应变增长84.2%; 在长期持荷阶段,核心混凝土发生卸载现象,其承担的荷载下降了30%左右,再加载阶段又继续承载; 钢管与混凝土之间的接触应力在中截面处最大,沿构件长度方向逐渐向两端减小; 随着钢管含钢率增大,构件极限承载力增大,变形减小,而型钢含钢率对构件变形影响较小; 随着初应力系数和长期荷载比的增大,构件纵向变形增大。     

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.     

异形钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS建立等截面周长的三角形、扇形、D形、1/4圆形、1/2圆形5种异形截面钢管混凝土短柱轴压力学性能分析的有限元计算模型,对比圆形截面进行6组试验,有限元计算与试验所得的荷载-应变全过程曲线及短柱破坏形态吻合较好。在此基础上,对荷载-应变关系全过程中钢管与混凝土的相互作用进行分析,最后对截面形式、钢管壁厚(t)、钢管屈服强度(fy)、混凝土抗压强度(fcu)等几种影响异形钢管混凝土短柱承载力和变形的因素进行比较。结果表明:异形钢管混凝土短柱在1/2柱高处发生向外鼓曲破坏,截面形式、钢管壁厚、混凝土抗压强度等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

带约束拉杆圆端形钢管混凝土短柱轴压工作机理

针对带约束拉杆圆端形钢管混凝土相对于其他截面钢管混凝土受力性能更加复杂的问题,对带约束拉杆圆端形钢管混凝土截面进行强弱约束分区,将圆端形钢管混凝土截面切分为矩形和半圆形,并分别采用不同的混凝土本构关系修正,提出一种新的圆端形钢管混凝土本构关系式; 最后提出了带约束拉杆圆端形钢管混凝土轴压承载力的推荐公式,并验证了公式的合理性。利用有限元软件对57个模型构件进行精细化分析。改变拉杆直径、混凝土强度、拉杆间距、截面含钢率、高宽比等进行参数研究。结果表明:随着截面含钢率、拉杆直径、拉杆密度的提高,构件的承载力和延性均得到提高; 混凝土强度的提高能提高构件的承载力但会导致延性降低; 提出的推荐公式考虑了拉杆系数的影响,推荐公式计算结果与有限元模拟结果非常吻合,混凝土强度超过80 MPa时,计算结果偏安全,能有效预测构件的承载性能。     

复合约束方钢管混凝土短柱轴压性能有限元分析

为延缓轴压作用下方钢管的局部屈曲,提高方钢管对核心混凝土的约束能力,提出了一种内置方形箍筋的复合约束方钢管混凝土柱。采用有限元软件ABAQUS对该柱进行模拟,研究其在轴向压力作用下的破坏模式、承载能力、延性、箍筋应力分布和复合约束特性,并分析了混凝土强度、方钢管壁厚对其轴压力学性能的影响。研究结果表明：提高混凝土强度、增加方钢管厚度和增设方形钢筋笼均能显著提高短柱的承载能力;方形箍筋在弹性阶段约束作用较小,其主要在弹塑性阶段和流塑性阶段发挥约束作用,设置方形箍筋可以有效提高短柱承载能力和延性,且其对延性的提高更为显著;方钢管对混凝土的约束作用整体表现为“角部大”的特点,方形箍筋可以有效增强对方钢管边长中部区域混凝土的约束作用,进而使混凝土在各方向受到的约束作用趋于均匀。     

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。     

冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析

基于材料强度折减及钢管壁厚折减的方法,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压力学性能采用有限元法进行了研究。基于合理的有限元分析模型,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土柱的破坏模态、轴向荷载-位移关系、钢管与混凝土相互作用进行了分析,研究了含钢率、截面尺寸、钢管屈服强度、混凝土轴心抗压强度以及冻融循环-酸雨交替次数对试件轴压极限承载力的影响。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性; 冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后轴压圆钢管混凝土短柱的破坏模态与普通试件相似,轴向荷载-位移曲线变化趋势一致,试件均为塑性破坏; 圆钢管混凝土轴压短柱随冻融循环-酸雨锈蚀交替次数的增加,材料性能劣化严重,外钢管对核心混凝土约束作用减弱,试件极限承载力明显下降。     

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.     

圆端形钢管混凝土偏压柱截面优化研究

为研究圆端形钢管混凝土(RRCFST)柱的截面优化方法,基于混凝土分区思想将RRCFST截面分割为中部矩形与2个半圆形,分别采用不同的混凝土约束本构关系,利用有限元软件ABAQUS建立有限元模型,并用13个RRCFST柱构件的试验结果与有限元结果进行对比,验证了模型的合理性。通过有限元建模方法设置3组共462个RRCFST柱模型,在保证每组内各模型混凝土与钢材的强度及用量恒定的情况下,细致研究了截面高宽比对RRCFST柱偏压承载能力的影响。通过有限元分析RRCFST柱轴向压力-弯矩(N-M)破坏曲线中的直线段部分与截面高宽比的关系,进一步验证了GB 50396—2014中钢管混凝土短柱偏压构件设计方法对RRCFST短柱构件的适用性。根据RRCFST短柱偏压构件设计方法,控制混凝土与钢材的强度及用量不变的情况下,通过偏压验算式推导得到RRCFST短柱构件的N-M破坏荷载包络曲线表达式。提出基于材料强度及用量层面的RRCFS短柱偏压承载力验算方法及满足承载要求的截面高宽比计算方法,为截面优化研究及工程应用提供参考。结果表明:在固定材料强度及用量不变的条件下,RRCFST短柱的N-M破坏荷载包络曲线由一段直线段及2段曲线段组成; 推导得到上述包络曲线表达式后,可在构件设计过程中直接计算判断所用材料是否足量,并计算确定构件最优截面尺寸。     

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。     

轴心受压方钢管混凝土短柱的性能研究:I试验

介绍了包括方钢管混凝土短柱、方钢管短柱以及素混凝土短柱在内共 １４个试件的轴心受压试验结果,研究了方钢管混凝土短柱的破坏机理、延性和极限承载力,讨论了影响方钢管混凝土轴压短柱性能的主要因素,包括钢管的宽厚比、混凝土的强度等级等。     

Behavior and strength of tubed RC stub columns under axial compression

This paper presents an experimental and analytical study on the behavior of axially compressed tubed RC stub columns. Forty specimens including twenty circular tubed RC (STRC) and twenty square tubed RC (STRC) stub columns were tested to investigate the failure mode and axial load strength of tubed RC columns subjected to axial compression. The effect of diameter/width to thickness ratio of the tubes and compressive strength of concrete were also studied. The effect of height to diameter/width ratio of the separated tube in tubed RC columns was studied to investigate the effect of bond and friction between tube and concrete on the behavior of tubed RC columns. Elastic–plastic analysis on the steel tube was employed to study the mechanism of tubed RC stub columns subjected to axial compression. Equations for the prediction of the ultimate axial load strength of tubed RC stub columns were proposed and the results from prediction were compared with the test results.