钢管混凝土受轴向局压荷载时的工作机理研究

采用通用有限元软件ABAQUS对钢管混凝土受轴向局压荷载时的工作机理进行了研究。计算和分析钢管混凝土受局压时的荷载-变形全过程关系曲线,计算曲线与实验曲线吻合较好。通过分析局压面积比、截面含钢率、钢材和混凝土强度以及端板刚度等对钢管混凝土局压力学性能的影响规律,较深入地认识了钢管混凝土受轴向局压荷载时的工作机理。研究表明,在距局压端高度约0.8倍截面直径或1.0倍截面边长的局压影响区内,核心混凝土局压承载强度与塑性性能有所提高,此局压影响区随局压面积比的增大而减小;随着含钢率和钢材强度的增加,钢管混凝土的局压承载力与塑性性能提高;随着混凝土强度的增加,钢管混凝土局压承载力提高,塑性性能降低;随着端板刚度的增加,局压受力性能趋近于全截面受力的情况。最后,在系统参数分析结果的基础上,提出钢管混凝土局压承载力实用计算方法。     

矩形钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析

通过考虑材料本构关系的非线性以及受力过程中钢管对混凝土约束等因素,建立了矩形钢管混凝土短柱在轴心荷载作用下的非线性有限元模型,讨论了构件的荷载-应变曲线、钢管与混凝土纵向应力发展规律,并与试验结果进行对比,从而证明了非线性有限元方法的可行性。     

锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力研究

运用ABAQUS有限元软件建立了模拟酸雨溶液腐蚀后圆钢管混凝土轴压短柱有限元模型,为模拟钢管锈蚀损伤,在钢材和混凝土的本构关系模型中考虑了锈蚀对钢材的弹性模量和屈服强度的影响,有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。运用该有限元模型,通过典型算例对锈蚀圆钢管混凝土短柱进行了轴压全过程分析,比较了不同锈蚀率下圆钢管混凝土短柱荷载-轴向位移关系曲线、外钢管承担的荷载-轴向位移关系曲线、核心混凝土承担的荷载-轴向位移关系曲线以及外钢管与核心混凝土之间的相互作用力-位移关系曲线的变化规律。最后对锈蚀圆钢管混凝土轴压短柱进行了参数分析,讨论了含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度和锈蚀率等参数对圆钢管混凝土短柱极限承载力的影响,并由此导出了酸雨腐蚀后圆钢管混凝土短柱极限承载力简化计算公式。     

矩形钢管混凝土横向局压力学性能分析

首先简要介绍了国内外已报道的矩形钢管混凝土试件横向局压力学性能的试验结果;然后,在确定了钢材和核心混凝土应力-应变关系模型的基础上,利用有限元软件ABAQUS建立了矩形钢管混凝土横向局压力学性能有限元分析的理论模型;最后,进行了模拟结果与试验结果的比较。结果表明,有限元模型可以很好地模拟横向局压情况下矩形钢管混凝土的钢管屈曲模式、核心混凝土破坏形态及承载力,该理论模型可用于分析横向局压情况下矩形钢管混凝土的工作机理。     

圆钢管混凝土结构非线性有限元分析

基于合理的钢管混凝土拉、压材料数值本构模型,采用U.L.列式单元增量平衡方程,引入分层梁单元材料非线性分析理论,通过调整截面形心应变和曲率,使梁端内外力平衡,完善了分层单元法,编制了相应的非线性有限元程序,并对已有钢管混凝土结构面内受力,如钢管混凝土偏压柱、不等端弯矩钢管混凝土偏压柱、钢管混凝土压弯构件和钢管混凝土模型拱肋等试验资料进行双重非线性有限元分析。结果表明:几组钢管混凝土模型拱和钢管混凝土压弯构件的荷载-变形曲线和极限承载力与试验结果最接近,验证了本文方法与程序的可靠性,通过与其他学者计算结果相比,表明本文方法具有较高的计算精度。     

矩形钢管混凝土T型受压节点受力性能的有限元分析

在选择了合理的钢材和核心混凝土的本构关系模型的基础上,利用通用有限元软件ABAQUS对矩形钢管混凝土T型受压节点荷载-变形关系曲线进行了计算,计算曲线与实验曲线进行了比较,基本吻合,然后对矩形钢管混凝土T型受压节点荷载-变形关系进行了全过程分析。在本文研究结果的基础上,可采用ABAQUS对矩形钢管混凝土T型受压节点的工作机理进行更为深入的研究。本文的研究成果可为相关研究提供参考。     

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。     

矩形钢管混凝土T型受压节点受力性能的有限元分析

在选择合理的钢材和核心混凝土本构关系模型的基础上，利用通用有限元软件ABAQUS对矩形钢管混凝土T型受压节点荷载—变形关系曲线进行计算，计算曲线与试验曲线基本吻合，并对矩形钢管混凝土T型受压节点荷载—变形关系进行全过程分析。在此基础上，采用ABAQUS对矩形钢管混凝土T型受压节点的工作机理进行更为深入的研究。     

锈蚀方钢管混凝土短柱轴压承载力研究

采用ABAQUS有限元软件,建立模拟酸雨溶液腐蚀后方钢管混凝土轴压短柱有限元模型。为模拟钢管锈蚀损伤,在钢材和混凝土的本构关系模型中考虑了锈蚀对钢材的弹性模量和屈服强度的影响。有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的有效性。运用该有限元模型,通过典型算例对锈蚀方钢管混凝土短柱进行轴压全过程分析,比较不同锈蚀率下方钢管混凝土柱荷载-轴向位移关系、外钢管承担的荷载-轴向位移关系、核心混凝土承担的荷载-轴向位移关系的变化规律。并对锈蚀方钢管混凝土轴压短柱进行参数分析,讨论了含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度和锈蚀率等参数对方钢管混凝土柱极限承载力的影响,最后给出酸雨腐蚀后方钢管混凝土柱极限承载力建议计算式。     

内配方钢管的钢管混凝土叠合柱轴压工作性能研究

为研究内配方钢管的钢管混凝土叠合柱轴压工作性能,基于合理的钢材和混凝土材料本构关系模型,采用有限元法对钢管混凝土叠合柱轴压荷载-变形关系曲线进行了计算。采用数值分析方法,对叠合柱轴压工作性能进行较为细致分析,包括轴压破坏模态、轴压荷载-变形全过程关系、应力发展规律以及钢管和混凝土之间的相互作用。研究方法和结论可为相关研究参考。     

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。     

内置高强角钢的方钢管混凝土柱偏压性能试验

为了揭示内置高强角钢的方钢管混凝土柱偏压性能,开展了8根该类柱及2根传统方钢管混凝土柱的偏心受压试验,考察了取钢率(角钢质量与总用钢质量之比)、角钢到钢管内壁净距、偏心距等主要参数对柱偏压性能的影响,探讨了内置高强角钢的方钢管混凝土柱偏压承载力计算方法.结果表明:在总用钢量基本保持不变的情况下,合理确定取钢率和角钢到钢...     

钢管混凝土偏心受压承载力的试验及理论研究

进行了16个不同含钢率的钢管混凝土试件的偏心受压试验,得出了其荷载变形曲线及极限荷载。以双剪统一强度理论为基础,给出了钢管混凝土承载力的理论计算公式,并与试验进行比较,其结果基本一致,为钢管混凝土的分析计算提供了一定的理论依据。     

Behaviour of concrete filled steel tubular (CFST) stub columns under eccentric partial compression

This paper investigates the behaviour of concrete filled steel tubular (CFST) stub columns subjected to eccentric partial compression. Twenty-eight specimens were tested and presented. The main parameters in test program include: (1) section type: circular, square and rectangular; (2) load eccentricity ratio (including uniaxial and biaxial loading): from 0 to 0.4; and (3) shape of the loading bearing plate (BP): circular, square, strip and rectangular. The test results indicated that, similar to the corresponding fully loaded CFST stub columns under eccentric loading, CFST stub columns under eccentric partial compression have generally reasonable bearing capacity and favorable ductility. A finite element analysis (FEA) model for CFST stub columns under eccentric partial compression is developed and the predicted performances are validated through measured results. The FEA model is then used to investigate the mechanisms of such composite columns further.     

High strength thin-walled rectangular concrete-filled steel tubular slender beam-columns,Part I: Modeling

High strength thin-walled rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) slender beam-columns under eccentric loading may undergo local and overall buckling. The modeling of the interaction between local and overall buckling is highly complicated. There is relatively little numerical study on the interaction buckling of high strength thin-walled rectangular CFST slender beam-columns. This paper presents a new numerical model for simulating the nonlinear inelastic behavior of uniaxially loaded high strength thin-walled rectangular CFST slender beam-columns with local buckling effects. The cross-section strengths of CFST beam-columns are modeled using the fiber element method. The progressive local and post-local buckling of thin steel tube walls under stress gradients is simulated by gradually redistributing normal stresses within the steel tube walls. New efficient Müller's method algorithms are developed to iterate the neutral axis depth in the cross-sectional analysis and to adjust the curvature at the columns ends in the axial load–moment interaction strength analysis of a slender beam-column to satisfy equilibrium conditions. Analysis procedures for determining the load–deflection and axial load–moment interaction curves for high strength thin-walled rectangular CFST slender beam-columns incorporating progressive local bucking and initial geometric imperfections are presented. The new numerical model developed is shown to be efficient for predicting axial load–deflection and axial load–moment interaction curves for high strength thin-walled rectangular CFST slender beam-columns. The verification of the numerical model and parametric studies is given in a companion paper.     

波形钢板钢管混凝土柱试验研究

进行了以长细比和偏心率为参数的共22根波形钢板钢管混凝土柱的试验。对试件的荷载-挠度曲线、极限承载力、柱肢钢管和波形钢板的应变等进行了分析。试验结果表明,波形钢板钢管混凝土柱的受力性能与钢管混凝土格构柱相近,随着长细比与偏心率的增大,波形钢板钢管混凝土柱的极限承载力显著降低,而长细比和偏心率对其极限承载力的影响基本上是相互独立的,可采用双系数乘积公式计算。波形钢板钢管混凝土柱应考虑剪切变形对极限承载力及挠曲变形的影响,但由于波形钢板抗剪刚度要大于钢管混凝土格构柱的缀管,因而其剪切变形所引起的附加挠度对极限承载力的降低影响较钢管混凝土格构柱小。在实腹式截面杆件稳定荷载计算的基础上,提出了考虑剪切变形影响的波形钢板钢管混凝土柱稳定系数的计算方法。     

钢管混凝土圆拱的面内承载力分析

迄今为止,全世界已有400多座钢管混凝土拱桥。然而,有关钢管混凝土拱面内承载力的设计规范仍没有。目前,钢管混凝土拱的设计广泛采用钢筋混凝土及预应力混凝土拱的面内承载力设计方法。这样钢管混凝土拱可认为受轴压或偏压作用,相当于钢管混凝土柱。将钢管混凝土柱的经典屈曲荷载作为钢管混凝土拱的参考弹性屈曲荷载。然而,在横向荷载作用下,钢管混凝土拱的面内弹性屈曲性能与轴压下的钢管混凝土柱完全不同,尤其是对于薄壁钢管混凝土拱。另外,与轴压或偏压下钢管混凝土柱不同,钢管混凝土拱在屈曲之前就发生非线性弯曲和横向变形,这严重影响钢管混凝土拱的承载力。因此,钢管混凝土面内承载力的设计方法是否正确值得商榷。提出与现有钢结构设计规范基本一致的钢管混凝土圆拱承载力设计方法,并同时考虑了几何非线性和材料非线性的影响。提出均匀轴压下钢管混凝土拱的面内承载力设计方程,及弯矩和轴压共同作用下钢管混凝土拱面内承载力验算的下限设计方程。     

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.     

施工初应力作用下内配十字形型钢的圆钢管混凝土 轴压短柱力学性能分析

利用ABAQUS有限元软件分别建立考虑外钢管施工初应力和同时考虑钢管与型钢施工初应力的内配十字形型钢圆钢管混凝土轴压短柱数值模型,并对建模方法进行验证。计算施工初应力存在时内配型钢钢管混凝土轴压短柱的荷载-位移全过程曲线及其各部件的承载力分配曲线,并分析混凝土与钢管、混凝土与型钢的接触应力及应力发展状态。最后对初应力系数、构件长细比、钢管和型钢的含钢率、钢管和型钢的屈服强度以及混凝土的抗压强度等因素进行了参数分析。结果表明:考虑外钢管施工初应力对内配型钢钢管混凝土轴压构件力学性能的影响规律与其对钢管混凝土轴压构件力学性能的影响规律基本一致; 外钢管和型钢施工初应力的同时存在使混凝土与钢管、型钢的相互作用时间延迟,减弱钢管对混凝土的套箍作用和混凝土对型钢的局部约束,使组合构件提前进入弹塑性阶段并扩大此阶段的范围,导致组合柱极限承载力随着初应力值的增大逐渐减小; 构件长细比对轴压短柱的承载力影响系数有显著影响。