往复荷载作用下矩形钢管混凝土构件力学性能的研究

以往 ,国内外学者对矩形钢管混凝土构件滞回性能的研究尚少见报道。本文以矩形钢管混凝土构件截面高宽比和轴压比为主要参数 ,进行了 3 0个构件滞回性能的实验研究。利用数值方法分析了矩形钢管混凝土构件的滞回性能 ,理论计算结果与实验结果吻合较好。利用数值方法 ,系统分析和考察了轴压比、长细比、含钢率、截面高宽比、钢材屈服强度和混凝土强度等参数对滞回曲线骨架线的影响规律 ,在此基础上 ,提出了矩形钢管混凝土构件弯矩 -曲率和P -Δ滞回关系模型 ,以及位移延性系数的简化计算方法。     

高强方钢管高强混凝土构件纯弯性能研究

通过4个高强方钢管高强混凝土构件的纯弯性能试验,得到了荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线和弯矩-曲率曲线,并分析了试件核心混凝土的破坏模态。试验结果表明:高强方钢管高强混凝土纯弯构件的破坏形态为受弯破坏;核心混凝土裂缝分布均匀,最大的裂缝位于混凝土受拉区跨中截面附近;随着钢材屈服强度的增大,试件的承载力增大;根据弯矩-曲率曲线可以将纯弯构件的受力过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段。采用有限元分析软件ABAQUS对高强方钢管高强混凝土纯弯构件进行了有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。在此基础上,分析了钢材屈服强度、混凝土强度、含钢率对纯弯构件受力性能的影响。分析结果表明,纯弯构件的承载力随着含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度的增加而增加,其中,含钢率和钢材屈服强度对构件的承载力影响较大;与钢材屈服强度和混凝土强度相比,含钢率对提高纯弯构件的抗弯刚度影响较大。     

火灾作用后钢管混凝土柱的承载力研究

在确定了钢材和混凝土在高温作用后应力 应变关系模型的基础上 ,本文利用数值分析方法成功地计算出ISO 83 4规定的标准升温曲线作用后圆钢管混凝土和方钢管混凝土压弯构件荷载 变形关系曲线 ,理论计算结果和试验结果基本吻合。在系统分析火灾持续时间、构件截面含钢率、钢材种类、混凝土强度等级、荷载偏心率和构件截面尺寸等因素对火灾作用后钢管混凝土构件承载力影响规律的基础上 ,提出火灾作用后圆钢管混凝土和方钢管混凝土构件承载力的简化计算方法     

往复荷载作用下高强方钢管高强混凝土纯弯性能研究

为了研究高强方钢管高强混凝土构件在往复荷载作用下的纯弯性能,采用ABAQUS有限元分析软件建立高强方钢管高强混凝土纯弯构件的数值模型,进行滞回性能的研究。基于已有高强方钢管高强混凝土纯弯构件试验的研究成果,将有限元分析结果与试验结果进行对比,验证了所建立数值模型的准确性。并运用此模型对不同钢材的屈服强度、不同核心混凝土的抗压强度以及不同含钢率的高强方钢管高强混凝土纯弯构件的弯矩-曲率骨架曲线和耗能情况进行对比分析,得出结论如下:构件的抗弯承载力随着钢材屈服强度或含钢率的提高而明显提高,而随着核心混凝土抗压强度的改变影响较小。最后,基于有限元分析结果与不同规范计算结果的对比,提出了一种适用于高强方钢管高强混凝土纯弯构件抗弯承载力的简化公式,为今后的工程应用提供参考依据。     

方钢管混凝土构件弯矩-曲率滞回性能研究

应用钢材和混凝土应力 -应变关系滞回模型 ,采用数值方法计算方钢管混凝土构件的弯矩-曲率滞回关系 ,通过对大量计算结果的分析 ,研究构件在往复荷载作用下的工作机理 ,并给出构件弯矩 -曲率关系的恢复力模型及模型中各参数的简化计算公式 ,可为进一步进行方钢管混凝土结构体系的弹塑性分析提供参考。     

异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱偏压性能试验研究

为研究多腔钢管混凝土巨型分叉柱不同构造措施对其压弯性能的影响,以北京中国尊为原型,设计了2个1/10缩尺的分叉柱分叉节点区域模型试件,包括原型分叉柱缩尺试件BEC,以及在试件BEC基础上,将下柱顶部区域的拉结钢筋用竖向钢板替换构成的加强试件SEC-2。通过偏心受压试验,考察试件的破坏形态、沿试件高度的侧向位移分布、竖向荷载-侧向位移曲线及骨架曲线、平截面假定的适用性,分析不同构造措施对分叉柱偏心受压性能的影响。基于纤维模型法,编制构件非线性计算程序,钢材采用理想弹塑性本构模型,核心混凝土分别采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》本构模型(GB模型)、考虑钢管约束效应的Hu本构模型及Han本构模型。计算结果表明:在钢材本构模型不变的情况下,GB模型与Hu模型计算弯矩-曲率曲线与考虑P-δ效应的弯矩-曲率曲线相差较多。Han本构模型计算曲线与考虑P-δ效应的弯矩-曲率曲线的变化趋势一致。改进Han本构模型近似考虑横隔板和多腔钢管对受压区混凝土的组合约束效应,计算曲线与考虑P-δ效应的弯矩-曲率曲线峰值接近,下降段计算弯矩值略低。     

哑铃形钢管混凝土压弯相关曲线分析

为研究哑铃形钢管混凝土压弯力学性能,基于4根圆形和4根哑铃形钢管混凝土构件的压弯试验,开展了有限元研究和参数分析。应用有限元软件ABAQUS建立了哑铃形和圆形钢管混凝土有限元模型,分析了两种截面钢管混凝土压弯构件破坏形态,验证了模型的正确性。通过对模型进行参数分析,探究混凝土强度、钢管强度、轴压比和长细比等参数对两种截面形式钢管混凝土压弯承载力和压弯相关曲线的影响规律。结果表明：两种截面形式构件的压弯承载力均随着轴压比的增大呈现先增大后减小的趋势,圆形截面和哑铃形截面构件的临界轴压比分别为0.2和0.4;混凝土与钢材强度等级的提升会使构件压弯承载力增大;而长细比的增大,则会降低构件的压弯承载力。在参数分析的基础上,推导出适合哑铃形钢管混凝土的压弯承载力建议公式,并验证了公式的准确性。     

钢管高强混凝土构件截面弯矩-曲率全曲线研究

通过 12根钢管高强混凝土构件的抗弯试验 ,研究了钢管高强混凝土构件的受弯性能。采用条带法计算了钢管高强混凝土构件截面弯矩 -曲率全曲线 :根据试验结果 ,将截面弯矩 -曲率全曲线简化为三折线 ,给出了截面弯曲刚度的三折线方程和钢管高强混凝土构件截面受弯承载力的计算公式。     

不同截面形式钢管混凝土压弯柱受力性能试验研究

以轴压比为变化参数,进行了4根圆形和4根哑铃形钢管混凝土柱的压弯试验,对两种截面钢管混凝土柱在压弯荷载作用下的变形模式、荷载-变形曲线和压弯相关曲线进行了对比分析。结果表明:两种截面钢管混凝土构件随着轴压比的增大,构件的延性呈降低的趋势,由于哑铃形截面面内刚度较大,相同轴压比下哑铃形钢管混凝土抵抗弯矩和变形的能力要强于圆形钢管混凝土。通过对圆钢管混凝土和哑铃形钢管混凝土压弯曲线的分析,发现直接采用圆钢管混凝土的压弯相关曲线方程计算哑铃形钢管混凝土,结果偏于保守,还需进一步的有限元分析才能提出适用于哑铃形钢管混凝土的压弯相关曲线。     

Experimental research on CFST member with different sections under combined compression and bending

以轴压比为变化参数,进行了4根圆形和4根哑铃形钢管混凝土柱的压弯试验,对两种截面钢管混凝土柱在压弯荷载作用下的变形模式、荷载-变形曲线和压弯相关曲线进行了对比分析。结果表明：两种截面钢管混凝土构件随着轴压比的增大,构件的延性呈降低的趋势,由于哑铃形截面面内刚度较大,相同轴压比下哑铃形钢管混凝土抵抗弯矩和变形的能力要强于圆形钢管混凝土。通过对圆钢管混凝土和哑铃形钢管混凝土压弯曲线的分析,发现直接采用圆钢管混凝土的压弯相关曲线方程计算哑铃形钢管混凝土,结果偏于保守,还需进一步的有限元分析才能提出适用于哑铃形钢管混凝土的压弯相关曲线。     

Nonlinear analysis of circular concrete-filled steel tubular short columns under eccentric loading

This paper presents an effective theoretical model for the nonlinear inelastic analysis of circular concrete-filled steel tubular (CFST) short columns under eccentric loading. Accurate material constitutive relationships for normal and high strength concrete confined by either normal or high strength circular steel tubes are incorporated in the theoretical model to account for confinement effects that increase both the strength and ductility of concrete. The predicted ultimate bending strengths and complete moment-curvature responses of circular CFST columns under eccentric loading are compared with existing experimental results to examine the accuracy of the theoretical model developed. The fundamental behavior of circular CFST beam-columns with various diameter-to-thickness ratios, concrete compressive strengths, steel yield strengths, axial load levels and sectional shapes is studied using the verified theoretical model. Based on extensive numerical studies, a new design model for determining the ultimate pure bending strengths of circular CFST beam-columns is proposed. The theoretical model and formulas developed are shown to be effective simulation and design tools for the nonlinear inelastic behavior of circular CFST beam-columns under eccentric loading.     

Performance-based analysis of concrete-filled steel tubular beam-columns, Part I: Theory and algorithms

This paper presents a performance-based analysis (PBA) technique based on fiber element formulations for the nonlinear analysis and performance-based design of thin-walled concrete-filled steel tubular (CFST) beam-columns with local buckling effects. Geometric imperfections, residual stresses and strain hardening of steel tubes and confined concrete models are considered in the PBA technique. Initial local buckling and effective strength/width formulas are incorporated in the PBA program to account for local buckling effects. The progressive local buckling of a thin-walled steel tube filled with concrete is simulated by gradually redistributing normal stresses within the steel tube walls. Performance indices are proposed to quantify the section, axial ductility and curvature ductility performance of thin-walled CFST beam-columns under axial load and biaxial bending. Efficient secant algorithms are developed to iterate the depth and orientation of the neutral axis in a thin-walled CFST beam-column section to satisfy equilibrium conditions. The analysis algorithms for thin-walled CFST beam-columns under axial load and uni- and biaxial bending are presented. The PBA program can efficiently generate axial load-strain curves, moment-curvature curves and axial load-moment strength interaction diagrams for thin-walled CFST beam-columns under biaxial loads. The proposed PBA technique allows the designer to analyze and design thin-walled CFST beam-columns made of compact or non-compact steel tubes with any strength grades and normal and high-strength concrete. The verification and applications of the PBA program are given in a companion paper.     

方钢管混凝土柱钢管的非线性分析

为研究轴心受压方钢管混凝土短柱钢管的力学性能,利用通用有限元分析软件ANSYS建立了方钢管混凝土柱的有限元模型,考虑了混凝土强度、截面宽厚比以及钢材强度对方钢管混凝土柱钢管纵向应力-应变关系的影响,为纤维模型数值分析提供了钢管的等效单轴应力-应变关系曲线的简化计算方法。     

方钢管混凝土轴压短柱承载力影响因素分析

在确定钢材的本构关系和核心混凝土的本构关系的基础上,采用大型通用有限元分析程序ABAQUS建立了轴压荷载下方钢管混凝土柱的三维非线性有限元分析模型,分析了构件的荷载-变形关系;通过算例分析了钢材强度、混凝土强度、宽厚比和套箍系数对方钢管混凝土轴压短柱荷载-变形关系曲线的影响。分析结果表明：混凝土强度等级对构件的荷载-变形曲线的形状影响不大,但随着混凝土强度的提高,构件的承载力有所提高;随着钢材强度的提高,构件承载力也提高。但承载力提高的百分率随着钢材强度的提高而降低。随着宽厚比的减小,构件的承载力提高;套箍系数对构件的承载力有着较大的影响,改变套箍系数会影响构件的荷载-变形关系曲线的形状。     

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。     

轴力和双向受弯作用下短钢管混凝土梁柱的非线性分析

提出一种非线性纤维元分析法用于确定在轴力和双向受弯作用下短钢管混凝土梁柱的轴力-弯曲强度的交互图。针对被约束混凝土和结构钢的非线性本构模型对组合截面中性轴深度和方向采用有效正切算法进行迭代,以满足平衡条件。通过纤维单元分析结果与试验数据和现有解决方案的对比,验证了纤维元分析程序的有效性。采用该程序研究含钢量、混凝土抗压强度和钢屈服强度对于轴力-弯曲交互作用和钢管混凝土梁柱的影响。     

带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱滞回性能研究

对3根带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱进行滞回试验,主要参数为轴压比。试验结果表明：纵向加劲肋有效延缓了钢管壁局部屈曲的发生;其滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力;随着轴压比的增大,柱承载力略有增大,而延性、耗能能力则明显减小;当横向位移大于6倍的屈服位移时,大轴压比的刚度退化速度最快。建立了该类试件的有限元模型,对比可得有限元模拟结果与试验结果吻合较好。基于有限元模型对该类构件开展机理分析和参数分析。结果表明：在带肋冷弯薄壁方钢管的约束下,核心混凝土的强度得到了较大提高;钢管局部屈曲发生在峰值荷载后,局部屈曲只发生在纵向加劲肋和钢管角部间;材料强度、轴压比、钢管宽厚比和长细比等参数对该类构件的承载力有较大影响;混凝土强度、轴压比和长细比对荷载-位移骨架曲线形状有较大影响。基于参数分析建议了该类构件的简化滞回模型,简化计算结果和有限元计算结果吻合较好。     

Seismic behaviour of square CFT beam-columns under biaxial bending moment

This paper investigates the behaviour of square concrete-filled steel tubular (CFT) beam-columns subjected to biaxial moment. Nine tests on beam-columns are reported here under a combined loading of constant axial load and cyclic lateral load applied at varying angles to the axis of the cross-section, referred to as ‘diagonal’ loading. The specimens were prepared in order to evaluate the influence of different parameters on the overall structural response, their ductility and their energy dissipation ability; the parameters included the effects of axial load ratio, width-to-thickness ratio, concrete compressive strength, slenderness ratio and load angle on the moment strength. The experimental results indicate that the ductility and energy dissipation ability of biaxially loaded square CFT columns decrease with increasing the axial load ratio. Their ductility and energy dissipation ability was also observed to decrease as the concrete compressive strength increased while the ductility was barely affected by the load angle. An increase in the load angle of biaxially bent square CFT beam-columns led to a slight decrease of the moment strength. Both EC4 and AIJ code provisions were shown to predict with reasonable accuracy the moment strength capacity observed in the tests, while the ACI-predicted moment strength gave to slightly conservative values. On the other hand, the LRFD code provisions greatly underestimated their moment strength.     

钢管混凝土边框钢纤维混凝土中高剪力墙受弯承载力计算方法

为改善中高剪力墙的抗震性能,提出钢管混凝土边框钢纤维混凝土剪力墙.通过8个剪跨比为1.5的钢管混凝土边框钢纤维混凝土中高剪力墙和1个剪跨比为1.5的钢管混凝土边框混凝土中高剪力墙的低周反复加载试验,研究钢管混凝土边框钢纤维混凝土中高剪力墙的受力机理及破坏模式,分析钢纤维体积率、钢纤维掺加高度、混凝土强度和轴压比对其抗震...     

Nonlinear analysis of short concrete-filled steel tubular beam-columns under axial load and biaxial bending

This paper presents a nonlinear fiber element analysis method for determining the axial load-moment strength interaction diagrams for short concrete-filled steel tubular (CFST) beam-columns under axial load and biaxial bending. Nonlinear constitutive models for confined concrete and structural steel are considered in the fiber element analysis. Efficient secant algorithms are developed to iterate the depth and orientation of the neutral axis in a composite section to satisfy equilibrium conditions. The accuracy of the fiber element analysis program is verified by comparisons of fiber analysis results with experimental data and existing solutions. The fiber element analysis program developed is employed to study the effects of steel ratios, concrete compressive strengths and steel yield strengths on axial load-moment interaction diagrams and the C-ratio of CFST beam-columns. The proposed fiber element analysis technique is shown to be efficient and accurate and can be used directly in the design of CFST beam-columns and implemented in advanced analysis programs for the nonlinear analysis of composite columns and frames.