严寒地区矩形钢管混凝土截面温度分布试验

为研究严寒地区钢 混凝土组合结构的温度荷载,以西宁市作为严寒地区的代表,在现场进行了水平放置带加劲肋的矩形钢管混凝土构件截面温度场测试试验,对日照作用下钢管混凝土构件截面温度分布进行了研究。同时还将矩形钢管混凝土构件的三维温度场简化为二维温度场,建立了ABAQUS有限元热力学分析模型,在考虑太阳辐射、风速以及环境温度等参数的作用下提出了构件截面温度场有限元计算方法。结果表明:钢管混凝土构件钢管测点及管内混凝土测点温度的实测值均与有限元计算值吻合良好;考虑日照作用的矩形钢管混凝土截面温度场为非均匀温度场,构件截面存在着明显的温度梯度;钢管温度受到环境温度的直接影响,其温度变化略微滞后于环境温度变化,温度极值明显大于环境温度极值;管内混凝土的温度则受到环境温度的间接影响,其温度变化明显滞后于环境温度变化,温度极值则小于钢管温度极值;矩形钢管混凝土截面温度分布还会受到管内纵向加劲肋的影响,该加劲肋增大了其与混凝土的接触面积,减少了管内混凝土温度变化的滞后程度,降低了构件截面的梯度温差。     

超高层矩形钢管混凝土柱太阳辐射下截面温度场分析

超高层结构常采用矩形钢管混凝土柱,在超高层结构施工中,矩形钢管混凝土柱一般会受到太阳直晒,强太阳辐射下,钢管表面温度可达到50~70℃,由于截面尺寸通常较大,钢管壁的四面和核心混凝土温度极不均匀,会影响钢管混凝土柱的受力。为了明确太阳辐射下钢管混凝土柱的截面温度场分布,研究了超高层主体结构施工阶段,矩形钢管混凝土柱在太阳辐射作用下温度场分布、壁面和混凝土温度变化规律、温差变化规律。分析发现:核心混凝土与钢管四个壁面温度差最大可达35.6℃,东西面钢管壁温差最大达25.6℃,极值温度和温差随截面尺寸增加而增加,但是边长大于1 000 mm后,极值温度和截面温差增幅变缓。     

矩形钢管混凝土截面温度场的试验研究

分别在日照和阴凉条件下对一个矩形钢管混凝土试件进行截面温度场连续的试验观测,并结合有限元方法,在实测温度数据基础上分析矩形钢管混凝土截面温度场的分布规律。结果表明:截面温度场在时间和空间上的非线性分布明显;测点越靠近截面中心点,温度越低且变化越缓和;截面温度场在日照作用下比阴凉条件下整体偏高;日照作用下截面靠近管壁点与中间点最大温差为5.2℃,阴凉处最大温差为3.2℃;靠近管壁点的最高温、最低温和最大温差均比中间点和气温高,其变化趋势与中间点和气温相近;有限元计算结果与实测结果相符。     

三面受火的矩形钢管混凝土柱受力机理与耐火极限

受火边界作为研究结构构件抗火性能的基本前提条件之一,对结构构件抗火性能有着显著影响。已有钢管混凝土柱相关研究多假设其四面均匀受火,则针对实际结构中可能出现的三面受火这一情况,对矩形钢管混凝土柱进行抗火性能理论研究。分析了三面受火的矩形钢管混凝土柱温度场和耐火极限,以及高温全过程的构件受力机理,且与四面受火的矩形钢管混凝土柱进行了对比分析。研究表明:三面受火时构件截面的整体温度比四面受火时有显著降低,且三面受火时耐火极限高于四面受火;三面受火构件在高温全过程中轴向变形趋势与四面受火类似,而侧向变形可能会发生反转。     

大直径圆钢管混凝土截面温度场分布的试验研究

为了研究温变对大直径圆钢管混凝土构件截面温度场分布的影响,分别在室外环境和人工气候模拟试验箱内进行了温变试验,测得不同温变条件下钢管混凝土试件和素混凝土对照试件的温度场。试验结果表明:钢管混凝土试件和素混凝土对照试件温度场变化规律基本一致,无日照作用时截面温度场呈均匀分布,日照作用下截面温度场呈非均匀分布。两种环境下,试件截面温度场均呈现出从外往内越靠近圆心,温度变化越滞后的现象,而且试件截面最大温差主要取决于太阳辐射和气温变化幅度。     

非均匀火灾作用下方钢管混凝土柱受力机理研究

对单面、相对两面、三面及四面火灾作用下方钢管混凝土柱截面的典型温度场及其分布规律进行分析,研究方钢管混凝土柱轴向/侧向变形-时间关系曲线,得到不同受火条件对方钢管混凝土柱抗火性能的影响规律。结果表明,相对两面和四面受火的柱截面温度场双轴对称,因而截面材料强度场、温度应变、温度应力也呈双轴对称分布,柱受力机理与常温情况下类似;对于单面和三面受火情况,由于柱截面温度场单轴对称,使得柱受力模式与常温情况不同,受火过程中柱先弯向受火侧,然后弯向背火侧。与温度梯度产生的非均匀的温度变形和材料强度偏心相比,受火面的多少在更大程度上决定了试件的抗火性能,即在绝大多数情况下,四面受火、三面受火、相对两面受火及单面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限依次增大。但在某些特殊情况（如长细比λ<30）下,三面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限可能小于其四面受火情况,此时如按四面受火对方钢管混凝土柱进行抗火设计,将存在安全隐患。     

L形钢管混凝土芯柱温度场分析

研究高温下钢管混凝土芯柱的承载力及变形变化规律。分析钢管混凝土芯柱的温度场,合理地确定火灾情况下钢管混凝土芯柱受火模型,利用ABAQUS有限元软件进行分析。给出试件不同时刻的温度场分布云图和各测点的温度变化曲线。构件从受火面到背火面,温度逐渐降低,而且相差较大。有限元分析充分反映了混凝土材料随着温度上升出现的滞后现象,与理论分析相一致,为进一步认识钢管混凝土芯柱的高温力学性能和耐火极限分析提供依据。     

圆形和方形截面钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能对比分析

为研究圆钢管与方钢管约束钢筋混凝土柱火灾下力学性能的差异,采用ABAQUS软件建立圆形和方形截面钢管约束钢筋混凝土柱温度场和耐火极限的有限元分析模型,以截面尺寸、荷载比和长细比等为参数,分析了截面温度的分布规律以及不同参数对耐火极限的影响,比较了圆钢管和方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的差异。研究结果表明:相同截面形状系数(单位长度构件外表面直接受热面积与其体积的比值)下,方钢管与圆钢管约束钢筋混凝土柱的截面温度分布规律类似,方形截面内部混凝土的温度较圆形截面相同位置处的略低,前者的耐火极限高于后者,且构件长细比与荷载比越小,二者耐火极限差距越显著;当长细比为30时,对于荷载比不超过0.5且截面边长不小于600mm的方钢管约束钢筋混凝土柱,其耐火极限可达到或超过柱类构件一级耐火极限3h的要求,而对于圆钢管约束钢筋混凝土柱,仅当荷载比更小且截面直径更大时,才能满足这一要求。     

1截面形式对高温下钢管混凝土柱轴向加载性能的影响

钢管混凝土柱能够最大限度地发挥材料特性,现广泛用于建筑结构中。钢管混凝土柱承载能力高,能量吸收能力强,结构的抗火性能好。描述了含4种截面形式的一系列钢管混凝土柱在标准火下的抗火性能。按照以下方式将钢管混凝土柱分为三组:室温下截面强度相等、钢管截面面积相等、混凝土截面面积相等。采用ABAQUS软件分析组合柱的温度分布、临界温度和过火时间等情况。基于典型参数的分析和对比,讨论了不同截面形式钢管混凝土柱的温度分布和抗火性能。结果显示,圆截面钢管混凝土柱抗火性能最佳,接下来是椭圆截面、正方形截面和矩形截面。在该研究的基础上,给出了高温下钢管混凝土柱的简化设计方程。     

火灾下水分汽化和迁移对圆形截面钢管混凝土柱温度场分布影响的试验研究

通过8根圆形截面钢管混凝土柱在火灾下的温度场试验,研究核心混凝土内水分汽化和迁移对钢管混凝土柱温度场分布的影响,对比参数包括排气孔开孔位置、混凝土含水率和柱截面尺寸。结果表明:混凝土中的水分在温度100~150℃时发生汽化,汽化过程中形成的水蒸气会在柱内发生迁移并由排气孔排出柱外。水分汽化和迁移对钢管混凝土柱温度分布的影响主要有:汽化过程中,截面1/2半径内混凝土温度均匀分布,无明显温度梯度,并在一定时间段内保持不变或略有降低,出现一个"温度平台段",其持续时间随含水率和截面尺寸而不同;而水气迁移过程会导致温度场沿柱高度方向产生不均匀分布,距排气孔越远,截面丧失水分越早,温度平台段越短,截面1/2半径内的混凝土温度升高也越快。建立有限元模型对试验中钢管混凝土柱的截面温度场进行分析,并与试验结果进行比较,结果表明,目前有限元分析方法无法考虑水分迁移的影响,因而导致分析结果中无法反应出温度平台段和温度场沿柱高方向不均匀分布的特征。     

FRP钢管混凝土柱抗爆性能数值模拟

为研究FRP钢管混凝土柱(CFST)的抗爆性能,建立了比例距离为0.28 m·kg^-1/3时爆炸荷载下纤维增强复合材料(FRP)钢管混凝土柱的数值模型。运用LS-DYNA非线性有限元程序中的高能爆炸材料模型及状态方程来施加爆炸荷载,采取多物质流固耦合方法进行数值模拟,通过试验数据验证了该模型的合理性。通过数值模拟展示了FRP钢管混凝土柱的位移时程及钢管、混凝土、FRP的等效应力变化,分析了其变化规律与分布特征。此外,通过改变相应参数研究了FRP层数、钢管屈服强度及混凝土强度对FRP钢管混凝土柱的影响程度。结果表明:FRP的约束可以有效提高钢管混凝土的抗爆性能,其易损部位主要发生在柱中及柱两端; 增加FRP层数,提高钢管屈服强度和混凝土强度均可提高柱的抗爆性能; 建立的模型可以进一步推广到不同比例距离、不同截面形状的FRP钢管混凝土柱抗爆研究,同时为FRP钢管混凝土抗爆设计提供了一定依据。     

轴向往复荷载作用下钢管混凝土柱抗震性能试验研究

为了探究斜交网格结构体系中外筒斜柱的破坏机制,对8个钢管混凝土柱和2个钢管柱试件进行了轴向往复加载试验,研究加载路径、长径比、混凝土强度和含钢率对其抗震性能的影响,分析了钢管混凝土柱的破坏机制、破坏形态和滞回性能,并讨论了钢管与混凝土间的相互作用。结果表明：轴向往复荷载下钢管混凝土柱的破坏均由钢管断裂引起,核心混凝土整体保持完好,只在钢管屈曲处存在混凝土压碎现象;相比于空钢管柱,钢管混凝土柱受拉时混凝土对钢管的支撑作用,以及受压时钢管对混凝土的约束作用,保证了其具有更高的承载力、变形能力和耗能能力;钢管混凝土柱在轴压和轴拉荷载下的抗震性能存在显著差别,在轴拉荷载下具有更好的延性和耗能能力,而在轴压荷载下具有更高的承载力和刚度。钢管混凝土柱屈服后钢管对混凝土的约束作用持续增强,并当钢管纵向应变达到8×10^-3时,不同参数对其约束效应的影响达到最大。     

火灾下圆钢管混凝土柱的有限元计算

钢管混凝土组合柱在实际工程应用中有其优良的工作和施工性能。火灾发生时,由于核心混凝土的吸热作用,延缓了钢管的升温,很大程度上提高了钢管混凝土柱的耐火极限。在已有模型的基础上,对圆形截面核心混凝土高温下的材料模型进行了修正,基于ABAQUS大型有限元平台建立了圆形截面钢管混凝土柱的有限元模型,并利用其模型进行了耐火极限的计算,有限元计算结果与国内外相关的试验数据进行了对比,验证了有限元模型的正确性,并对其火灾下轴向变形-受火时间的全过程进行了分析。可在此基础上进一步开展钢管混凝土抗火相关的研究工作。     

恒高温后圆钢管混凝土轴压短柱弹塑性分析

在已有恒高温后混凝土单轴受压和钢材单轴拉伸力学性能研究的基础上,建立了恒高温后混凝土轴对称三轴受压应力-应变关系和复杂受力下的钢材多轴应力-应变关系。应用连续介质力学,建立了恒高温后钢管混凝土同时受压的同心圆柱体计算模型,采用弹塑性全过程分析理论,建立了恒高温后钢管混凝土轴压组合弹性模量理论计算公式和组合应力-应变关系全曲线的理论表达式,并编制相应的计算程序对恒高温后钢管混凝土轴压短柱受力性能进行弹塑性全过程分析,计算结果与试验结果吻合较好。     

Fire resistance of axially loaded concrete filled steel tube columns

The behaviour of axially loaded square and circular concrete-filled steel tube (CFST) columns when exposed to elevated temperatures is investigated in this paper. The fire resistance of this kind of composite tubes is calculated. Comparison of the square and circular columns in the fire resistance shows that, for columns with the same steel and concrete cross-section areas, the circular column has slightly better fire resistance than the square column.     

钢筋加劲T形截面钢管混凝土柱抗震性能试验研究

制作4根钢筋加劲的T形截面钢管混凝土柱、1根非加劲T形截面钢管混凝土柱和1根T形截面钢筋混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,研究其破坏模式和滞回性能,分析钢筋加劲肋的作用机理以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明：相比T形截面钢筋混凝土柱,T形截面钢管混凝土柱破坏程度有明显减轻,刚度、承载力以及耗能性能均有明显提高;钢筋加劲肋能有效限制钢板局部屈曲和阴角处钢管与混凝土脱离,保证钢管和混凝土共同工作,对拉钢筋加劲肋相对锯齿形钢筋加劲肋的效果更加显著;含钢率较高的钢管混凝土柱承载力更高,耗能能力更好;轴压比从0.2增加到0.4时,钢筋加劲的T形截面钢管混凝土柱的承载力增大,延性降低。     

Testing of self-consolidating concrete-filled double skin tubular stub columns exposed to fire

A concrete-filled double skin tube (CFDST) is an innovative steel and concrete composite construction with the potential to be used as columns in high-rise buildings. Self-consolidating concrete (SCC) can offer convenience for construction and ensure the construction quality of CFDST columns. There is very limited knowledge about the fire performance of CFDST columns, which is a key issue in the application to high-rise buildings. This paper reports an experimental investigation into the fire behaviour of CFDST stub columns filled with SCC and fibre reinforced SCC. The study aims to obtain thermal and structural responses of the stub columns through standard fire testing. Details are given in terms of the failure mode, temperature distribution, critical or limiting temperature and fire resistance. It was found that the added fibre does not affect the temperature distribution whereas the increased concrete thickness and outer tube perimeter reduces the temperature in CFDST specimens. The added steel fibre increases the fire resistance of CFDST stub columns especially for load levels less than 0.6. The critical or limiting temperature for CFDST sections was found to be higher than for CFST (concrete-filled steel tube) or unfilled tubes.     

钢管高强再生混凝土柱轴压性能试验研究

为研究钢管高强再生混凝土柱与钢管高强普通混凝土柱轴心受压性能的差异,进行了圆形和方形两种截面形状、高强普通和再生两种混凝土、方钢管内配置与不配置钢筋两种构造的5个钢管混凝土足尺试件轴压性能对比试验。通过试验,分析了混凝土种类、截面形状和配置钢筋对试件承载力、耗能及延性的影响。试验结果表明：钢管再生混凝土柱的损伤发展过程和破坏形态与钢管普通混凝土柱相似;在截面积、含钢率、材料强度相同的条件下,圆形截面试件较方形截面试件具有更高的承载能力和较好的变形能力;混凝土种类对方形截面试件轴心受力性能影响不大;方钢管内配置钢筋可加强对核心混凝土的约束作用,提高试件的承载力和变形性能。根据国内外相关规程对试件的轴压承载力进行了计算,引入尺寸效应影响系数,提出了方钢管混凝土柱承载力计算式,计算结果与试验结果符合较好。     

钢管混凝土X形交叉柱轴压性能研究

为研究圆形和长圆形截面钢管混凝土柱交叉相贯形成的变截面不规则钢管混凝土组合柱,即钢管混凝土X形柱的轴压性能,采用有限元软件ABAQUS建立上述两种截面钢管混凝土X形柱的轴压模型,并通过与试验结果对比验证有限元模型的合理性,在此基础上,对圆形和长圆形截面钢管混凝土X形柱的受力全过程进行分析,并对钢管混凝土X形柱进行参数分析。研究表明,钢管混凝土X形柱在节点交叉区域钢管对混凝土产生不均匀的约束作用,混凝土中心区域受到的约束作用最大,其次是左右区域,钢管相交部位的混凝土受到约束最小,部分截面甚至在混凝土与钢管之间发生脱离。随着混凝土强度提高、钢材强度提高、钢管壁厚增加以及交叉角度加大,钢管混凝土X形柱的轴压承载力相应提高。