Experimental study on GFRP pipes under axial compression

Fiber reinforced polymer (FRP) is suitable for structures in corrosive environment and long-span lightweight structures due to its high-strength, light-weight, and anti-corrosive qualities. The behavior of pultruded glass fiber reinforced polymer (GFRP) pipes, which are the members of long-span lattice structures, under axial compression was investigated by tests. Short GFRP pipes were first tested to determine the basic mechanical properties. Then the stability of long GFRP pipes was studied by axially compressive tests in four groups with different slenderness ratios, twelve specimens totally. Based on the results of the tests and literature, the formula of the buckling load of composite pipes under axially compressive load was presented based on Perry formula. It can well predict the buckling failure load GFRP pipe under axial compression. __________ Translated from Journal of Tianjin University, 2007, 40(1): 19–23 [译自: 天津大学学报]     

FRP加固钢结构轴心受压构件的弹性稳定分析

钢结构中存在大量的受压构件,由于失稳而导致破坏。与传统的钢结构加固方法相比,FRP加固钢结构具有明显的优势。目前国内外对FRP加固钢结构技术的研究主要限于受拉构件和受弯构件加固,对受压构件的加固几乎还未涉足。采用能量法得到了FRP加固轴心受压钢管的弹性屈曲荷载,并与有限元计算结果进行了对比。     

CFRP增强铝合金组合杆件的受力性能与设计方法

铝合金和CFRP(碳纤维增强复合材料)都具有轻质、耐腐性强、无磁性等优点,将两者组合应用于结构中既能发挥出它们共同的优势,又能相互弥补各自不足。本文以轴心受力为主的杆系空间结构为背景,对圆管截面和方管截面的CFRP增强铝合金构件的受力性能进行了系统的试验研究,包括18个短管轴压试验,15个长管轴压稳定试验和6个弯曲试验。基于试验进行了理论分析,提出了基于铝合金名义屈服强度的组合构件轴心受压承载力计算公式和组合管局部屈曲承载力计算公式;并提出了组合构件抗弯刚度的计算方法;还比较了多个计算模型,建议了组合长管轴压稳定承载力的计算方法。这些设计计算方法,为合理应用CFRP增强铝合金组合构件建造大跨空间结构提供了设计依据。     

提高轴向承载力的纤维增强复合材料包裹钢筋混凝土柱设计

提出评价由玻璃纤维增强复合材料包裹和钢箍约束设计方法和试验方案的长方形和正方形截面受压构件的轴向承载力。对3个方形和3个矩形截面柱进行轴压试验直至破坏,试验结果清楚地显示,外部包裹加固在提高柱极限应变和强度方面的功效。采用试验数据对设计方法进行校准,并提出了计算纤维增强复合材料约束柱轴力的闭合方程。     

Research on seismic behavior of GFRP-reinforced concrete beam-column joints

为提高RC框架结构震后可恢复性，采用GFRP筋替代钢筋应用于混凝土梁柱结构中。以配箍率、轴压比、混凝土强度为变量对梁柱组合体开展了拟静力试验研究。试验中共对8个GFRP筋混凝土梁柱组合体、1个RC梁柱组合体进行了测试，比较了GFRP筋与普通钢筋混凝土梁柱组合体的变形和破坏过程，对比分析了各梁柱组合体的滞回曲线、承载能力、残余位移、能量耗散以及钢筋的应变分布等。试验结果表明：GFRP梁柱顶点残余位移显著下降，较RC柱顶残余位移降低60%左右，但其耗能能力低于RC梁柱节点的；在往复荷载作用下，GFRP筋混凝土梁柱框架破坏符合“强柱弱梁”特征，能够承受较大侧向位移，其在达到5.5%位移角时仍未表现出脆性破坏特征；GFRP筋梁柱组合体承载能力、耗能能力和纵筋利用率随着配箍率、混凝土强度的增加而增大。此外，综合考虑配箍率、轴压比、混凝土强度对GFRP筋梁柱节点核心区受剪性能的影响，提出了该种节点核心区受剪承载力计算方法，并基于国内外相关试验数据对其进行了验证。结果表明，提出的计算式能有效计算GFRP筋梁柱节点核心区受剪承载力。     

GFRP筋混凝土梁柱组合体抗震性能试验研究

为提高RC框架结构震后可恢复性,采用GFRP筋替代钢筋应用于混凝土梁柱结构中。以配箍率、轴压比、混凝土强度为变量对梁柱组合体开展了拟静力试验研究。试验中共对8个GFRP筋混凝土梁柱组合体、1个RC梁柱组合体进行了测试,比较了GFRP筋与普通钢筋混凝土梁柱组合体的变形和破坏过程,对比分析了各梁柱组合体的滞回曲线、承载能力、残余位移、能量耗散以及钢筋的应变分布等。试验结果表明：GFRP梁柱顶点残余位移显著下降,较RC柱顶残余位移降低60%左右,但其耗能能力低于RC梁柱节点的;在往复荷载作用下,GFRP筋混凝土梁柱框架破坏符合“强柱弱梁”特征,能够承受较大侧向位移,其在达到5.5%位移角时仍未表现出脆性破坏特征;GFRP筋梁柱组合体承载能力、耗能能力和纵筋利用率随着配箍率、混凝土强度的增加而增大。此外,综合考虑配箍率、轴压比、混凝土强度对GFRP筋梁柱节点核心区受剪性能的影响,提出了该种节点核心区受剪承载力计算方法,并基于国内外相关试验数据对其进行了验证。结果表明,提出的计算式能有效计算GFRP筋梁柱节点核心区受剪承载力。     

GFRP套管钢筋混凝土短柱轴压力学性能试验研究

为研究GFRP套管钢筋混凝土短柱的轴压力学性能,进行了22个GFRP套管钢筋混凝土短柱和6个无GFRP套管约束的钢筋混凝土短柱对比试验。研究了影响GFRP套管钢筋混凝土组合短柱轴压力学性能的主要因素,包括GFRP套管不同的受力方式、混凝土强度、纵筋配筋率等。试验结果表明:由于GFRP套管的约束,提高了核心混凝土的强度,增大了核心混凝土的变形能力;GFRP套管在不同的受力方式下,组合短柱的轴压承载力和变形基本相同;GFRP套管内配置纵筋可提高GFRP套管混凝土短柱的轴压承载力,适当提高纵筋配筋率可改善短柱的延性。根据试验结果及现有FRP管约束混凝土轴心抗压强度计算公式,建议了GFRP套管钢筋混凝土短柱承载力计算公式,计算结果与试验结果基本吻合。     

GFRP轴心受压构件计算方法的分析与改进

文中对所收集的GFRP轴心受压构件稳定性的研究进行综述,归纳出GFRP轴心受压构件的失稳模式.对GFRP轴心受压构件承载力的计算方法进行总结,结合已收集的相关实验数据分析得出这些计算方法的适用条件并对现有计算方法进行修正.     

HRB600钢筋混凝土短柱轴压性能试验研究

通过对6根HRB600钢筋、1根HRB500钢筋混凝土短柱和2根素混凝土短柱进行轴心受压试验,分析不同配筋率、混凝土强度、钢筋强度、长细比对钢筋混凝土柱轴压性能的影响,提出HRB600钢筋的抗压强度设计值,分析GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》中关于轴心受压承载力计算公式的适用性。研究结果表明:随着纵筋配筋率、钢筋强度和混凝土强度的提高,轴压短柱的峰值荷载增大;轴压短柱峰值应变随混凝土强度提高而减小,随钢筋强度提高而略有增大,纵筋配筋率和长细比对峰值应变影响较小;HRB600钢筋抗压强度设计值取为500 MPa,HRB600钢筋混凝土短柱与普通钢筋混凝土短柱的受力性能相似,轴心受压承载力可以按照GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》中规定的受压承载力公式进行计算,具有足够的安全储备。     

Recent advances on postbuckling analyses of thin-walled structures: Beams, frames and cylindrical shells

The lateral postbuckling response of thin-walled structures such as bars and frames with members having steel rolled shapes as well as circular cylindrical shells under axial compression is thoroughly reconsidered. More specifically via a simple and very efficient technique it is found that beams with rolled shapes (symmetric or non symmetric) under uniform bending and axial compression exhibit a stable lateral-torsional secondary path with limited margins of postbuckling strength. New findings for the static and dynamic stability of frames with crooked steel members-due to the presence of residual stresses-are also reported. It is comprehensively established that the coupling effect due to initial crookedness and loading eccentricity may have a beneficial effect on the load-carrying capacity of the frames. Moreover, simple mechanical models are proposed for simulating the buckling mechanism of axially compressed circular cylindrical shells. Very recently Bodner and Rubin proposed an 1-DOF mechanical model whose buckling parameters correlated to those of the shells by using an empirical formula based on experimentally observed shell buckling loads. In the present analysis a new 2-DOF model for the static and dynamic buckling of axially compressed circular cylindrical shells, which can include mode coupling, is presented.     

CFRP管轴心受力性能的试验研究

相对于传统建筑材料 ,碳纤维增强复合材料 (CFRP)具有轻质、高强、耐久性好和可设计性强的优点。将CFRP管应用于空间网架体系中 ,可充分利用CFRP的特点 ,以提高空间跨越能力。主要根据CFRP管在网架中的实际受力情况 ,对 3组不同铺层方式和长度的CFRP管进行了轴向受力性能的试验研究 ,分析了其破坏形式和机理。在此基础上 ,对CFRP管的设计提出了建议。     

GFRP管混凝土柱抗震性能试验研究

为了研究GFRP(玻璃纤维增强聚合物)管混凝土结构的抗震性能,对低周反复荷载作用下的4个GFRP管混凝土柱和1个无套管约束的普通混凝土柱进行试验,研究其破坏形态及滞回性能,分析混凝土强度、轴压比等因素对柱延性的影响。试验结果表明,GFRP管混凝土柱具有良好的抗震性能。     

Fire performance of axially restrained steel reinforcedconcrete columns

为了考察受轴向约束的型钢混凝土柱的耐火性能，以荷载比、偏心率和含钢率为参数，开展了7根轴向约束型钢混凝土柱的耐火试验。采用恒载升温模式，研究了火灾下受轴向约束的型钢混凝土柱的温度分布、位移、变形、耐火极限及破坏形态。试验结果表明：荷载比相同时，施加在轴心受压柱顶的竖向荷载大于偏心受压柱。对于轴心受压柱，高温下柱首先缓慢膨胀，然后逐渐压缩破坏；由于轴向约束分担了柱的竖向荷载，压缩变形随时间变化较为缓和，轴向约束延长了柱的耐火极限。对于偏心受压柱，高温下其膨胀变形大于轴心受压柱，且膨胀变形先增加再减小；轴向约束增加了柱的竖向荷载，缩短了柱的耐火极限。荷载比对轴向约束型钢混凝土柱耐火极限影响显著，荷载比越大，耐火极限越小。当荷载比不大于0.5时，偏心率越大，柱的耐火极限会相应增大。含钢率增加，会在一定程度上延长柱的耐火极限。     

轴向约束型钢混凝土柱耐火性能试验研究

为了考察受轴向约束的型钢混凝土柱的耐火性能,以荷载比、偏心率和含钢率为参数,开展了7根轴向约束型钢混凝土柱的耐火试验。采用恒载升温模式,研究了火灾下受轴向约束的型钢混凝土柱的温度分布、位移、变形、耐火极限及破坏形态。试验结果表明：荷载比相同时,施加在轴心受压柱顶的竖向荷载大于偏心受压柱。对于轴心受压柱,高温下柱首先缓慢膨胀,然后逐渐压缩破坏;由于轴向约束分担了柱的竖向荷载,压缩变形随时间变化较为缓和,轴向约束延长了柱的耐火极限。对于偏心受压柱,高温下其膨胀变形大于轴心受压柱,且膨胀变形先增加再减小;轴向约束增加了柱的竖向荷载,缩短了柱的耐火极限。荷载比对轴向约束型钢混凝土柱耐火极限影响显著,荷载比越大,耐火极限越小。当荷载比不大于0.5时,偏心率越大,柱的耐火极限会相应增大。含钢率增加,会在一定程度上延长柱的耐火极限。     

玻璃纤维聚合物加固混凝土柱的抗弯性能研究

对采用外粘玻璃纤维布加固震损柱的抗弯性能和抗震效果进行了专门研究。共有 11根柱进行了低周反复荷载试验 ,其中 3根在原始状态下进行试验以确定其破坏模式 ,另 8根柱预裂后粘贴玻璃纤维布进行修补加固后进行试验。试验结果表明 ,未加固柱的强度和延性都比较低 ,加固后柱的抗弯能力显著提高 ,变形性能明显改善。在试验研究的基础上 ,作者提出了加固柱抗弯承载力的计算方法 ,试验结果和计算结果吻合良好     

基于纵筋屈曲约束构造的RC柱轴压性能试验研究

在地震往复荷载作用下柱端塑性铰区常出现纵筋屈曲破坏的现象,为有效减缓RC柱端部纵筋屈曲破坏,开发了一种纵筋屈曲约束构造,进一步通过6组RC柱轴压静力试验,研究分析了不同纵筋屈曲约束构造形式、屈曲约束长度等对RC柱轴压力学性能的影响,考察钢筋混凝土柱的轴压性能及其破坏模式。研究结果表明：所提出的纵筋屈曲约束构造能在纵筋屈曲变形时提供较大的横向约束,可显著减缓纵筋屈曲破坏;套管长度范围内纵筋的无粘结构造可减小纵筋局部应力;RC柱纵筋屈曲约束构造可有效提升受压RC柱的极限承载能力和延性性能。     

核心高强混凝土柱轴心受压承载力分析

为验证在核心高强素混凝土短柱试验研究基础上提出的核心高强混凝土柱轴心受压承载力计算公式的正确性,对3根核心高强混凝土柱和1根普通钢筋混凝土柱进行轴压试验,并对试验柱的破坏特征进行分析,对核心高强混凝土柱轴心受压承载力计算公式予以验证。结果表明:核心高强混凝土柱的破坏特征与普通钢筋混凝土柱相似,承载力有明显的提高;试验结果与文献[3]所提公式的轴心受压承载力计算值吻合良好。     

强冰雪灾害下大型薄壁圆柱钢壳结构稳定性研究

2008年我国南方地区发生强冰雪灾害,造成不少钢结构破坏。在化工、电力等工程中有很多作为整个系统关键设备的大型薄壁圆柱钢壳结构,柱壳内通常需设置一些横梁支承工艺设备,壳体既受到由上部壳体、顶盖和设备自重等荷载形成的沿环向均匀分布的整体轴向压力,又受到横梁支座传递来的局部轴向压力。在这些荷载作用下结构已经积累了一定的内力和变形,一旦再遭受强冰雪灾害,面积较大的顶盖和相连的其他管道上会快速积聚较大的雪荷载,导致结构发生失稳破坏。根据结构施工和使用过程,考虑加载路径的影响,先施加整体均布轴向压力,再施加局部轴向压力,然后施加模拟强积雪荷载的均布轴向压力,对112个带焊缝初始缺陷的薄壁圆柱壳结构进行了非线性稳定性数值分析。研究表明:随着初始整体荷载水平提高,柱壳承受积雪荷载的能力下降;随着缺陷幅值的增大,柱壳承受积雪荷载的稳定承载力与整体均布轴压下的稳定设计承载力的比值增大,其后屈曲承载能力也提高。柱壳下部储有浆液时;壳体承受积雪荷载的能力有小幅提高。根据大量计算结果,提出了考虑加载历史的遭受强冰雪荷载的圆柱壳稳定性设计建议。     

四边形截面圆弧空间钢管桁架拱平面内稳定性及试验研究

通过大挠度弹塑性有限元分析研究桁架拱在集中荷载、水平均布荷载、轴线均布荷载等不同荷载形式下的失稳与破坏机理,考察截面高宽比、矢跨比、腹杆夹角、腹杆尺寸等几何参数对桁架拱稳定承载力的影响,结果表明在不同参数条件下,桁架拱可能发生弦杆局部失稳、腹杆局部失稳、整体失稳以及局部与整体相关失稳等破坏形式;与拱的整体失稳和弦杆局部失稳相比,腹杆失稳会导致承载力的大幅下降,设计中应保证腹杆不先发生破坏。在理论分析的基础上,设计4榀矩形及梯形截面空间桁架拱模型进行了平面内稳定性能试验研究,分析表明两种截面形式的桁架拱在平面内具有基本相同的刚度和承载能力,其承载力设计可以采用相同公式。最后,基于静水压力作用下桁架拱的面内稳定设计曲线,通过大量的算例分析,提出轴力和弯矩共同作用下四边形截面圆弧形空间钢管桁架拱的整体面内稳定承载力设计方法。     

In-plane strength of concrete-filled steel tubular circular arches

More than 400 concrete-filled steel tubular (CFST) arch bridges have been constructed worldwide so far. However, design codes or guidance for the in-plane strength design of CFST arches are yet to be developed. In current design practice, the philosophy for the in-plane strength design of reinforced and prestressed concrete arches is widely adopted for CFST arches. For this, the CFST arches are considered under central or eccentric axial compression and are treated similarly to CFST columns, and the classical buckling load of CFST columns is used as the reference elastic buckling load of CFST arches. However, under transverse loading, the in-plane elastic buckling behaviour of CFST arches, particularly shallow CFST arches, is very different from that of CFST columns under axial compression. In addition, different from CFST columns under central or eccentric axial compression, CFST arches are subjected to significant nonlinear bending actions and transverse deformations prior to buckling and these will influence the strength of CFST arches greatly. Therefore, it is doubtful if the current method for in-plane strength design of CFST arches can provide correct strength predictions. In this paper, a method for the in-plane strength design of CFST circular arches, which is consistent with the current major design codes for steel structures, is developed by considering both geometric and material nonlinearities. A design equation for the in-plane strength capacity of CFST arches under uniform compression, and a lower-bound design equation for the in-plane strength check of CFST arches under combined actions of bending and compression are proposed.