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。     

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。     

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。     

型钢-钢管混凝土柱耐火性能试验研究

通过8个组合柱短试件的温度场测试和10个组合柱长试件的耐火性能试验,研究了ISO 834标准升温曲线下型钢-钢管混凝土柱的温度场分布和耐火极限。试验参数包括截面形状、受火方式、轴压比和配骨指标。试验结果表明：配置型钢后钢管混凝土柱截面内升温速率会略有提高,内置型钢对截面温度场分布影响不大,但是钢管混凝土柱的耐火极限会大幅度提高;以四面受火的方形截面试件的耐火极限为参照,三面受火时耐火极限变化不大,两面受火和单面受火时耐火极限大幅度提高,圆形截面试件1/2表面受火时耐火极限亦明显提高;轴压比从0.3增大到0.4时,试件耐火极限显著降低。经过合理的设计,无防火保护的型钢 钢管混凝土柱可以达到3 h的一级耐火极限要求。     

暴露环境下矩形钢管混凝土构件截面温度场实测研究

超高层结构常采用矩形钢管混凝土柱,在太阳辐射下,钢管表面温度最高可达到50℃左右,由于钢材和混凝土的热物理性能存在较大差异,以及太阳辐射的非均匀性,导致钢管壁的四面和核心混凝土温度分布极不均匀,进而会影响钢管混凝土柱的受力。为了解太阳辐射下矩形钢管混凝土柱的截面温度场分布,通过对矩形钢管混凝土构件截面布置温度测点进行了截面温度场的实测,对构件温度分布进行了分析。结果表明:方钢管混凝土试件截面温度场随截面空间分布的非线性特征和时间变化的非线性特征显著;钢管表面各测点与中心测点及气温间温度峰值出现的时间存在差异;截面温度场为非均匀温度场,截面中心温度最低时整个截面温度场的非线性特征表现最为显著。     

圆截面钢管混凝土拱水化热温度场试验研究

对一根圆截面钢管混凝土拱肋成型过程混凝土水化热作用下的结构温度场进行了连续的试验观测.在试验实测数据的基础上论述了水化热作用下钢管混凝土拱桥结构温度场的变化规律.试验结果表明:钢管混凝土拱肋截面尺寸不大,结构能够对环境温度有较快的反应,但是成型过程中水化热的影响仍不可忽视,拱肋的截面温度分布具有大体积混凝土温度场内高外低的特性.     

昼夜大温差钢管混凝土温度、应力试验研究

为研究日照温度引起的短时温度变化荷载与温度应力对钢管混凝土脱粘的影响程度,试验将钢管混凝土构件和素混凝土构件置于人工气候模拟箱中,分析了昼夜温差对钢管混凝土和素混凝土温度场的分布规律及脱粘程度。结果表明:钢管混凝土构件和素混凝土构件在大温差作用下,钢管混凝土中核心混凝土的温度变化比单纯的素混凝土温度变化要小,并且钢管混凝土和素混凝土的内部温度变化总是滞后于大气温度变化。温差较大时,钢管和混凝土的应变和应力变化较明显,且钢管的应变、应力变化大于核心混凝土的应变、应力变化,致使钢管和混凝土之间出现脱粘,且温差越大,脱粘值越大。     

轻骨料钢管混凝土柱受火作用下热响应试验研究及数值分析

由于钢材和轻质混凝土的共同作用,使得轻骨料钢管混凝土结构可有效减轻自重并提高其耐火性能。为分析钢管轻骨料混凝土结构在高温下的力学性能劣化规律,需要确定构件的温度场分布。利用火灾试验炉对4根试件进行高温试验,测量构件不同截面的热响应,选择材料热工参数,对比试验结果,采用有限元软件分析钢管轻骨料混凝土柱受火作用下的热响应,建立合理的数值分析模型,该研究成果可作为进一步分析轻骨料钢管混凝土结构受火作用下力学性能的基础。     

矩形不锈钢管混凝土柱双向偏压力学性能试验研究

完成了14根矩形不锈钢管混凝土柱在双向偏压下的试验研究,试验考察的主要参数为:荷载偏心率、混凝土强度和试件长度。试验结果表明:在双向偏心受压荷载作用下,矩形不锈钢管混凝土柱具有良好的延性;荷载偏心率、混凝土强度和试件长度对矩形不锈钢管混凝土双向偏压试件的承载力和延性都有着明显的影响,跨中截面的应变变化符合平截面假定。采用现有《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ/T 13—51—2010)中的钢管混凝土双向压弯相关方程对试验构件的极限承载力进行了计算,其结果和试验值吻合较好。     

钢管混凝土叠合柱耐火性能研究

为研究钢管混凝土叠合柱火灾下的温度特性和力学性能,进行了4个钢管混凝土叠合柱试件的耐火极限试验,分析了试件在试验中的温度场分布、耐火极限、轴向变形和失效模式;基于ABAQUS有限元分析软件建立钢管混凝土叠合柱温度场和火灾下力学性能分析模型,模型分析结果与试验结果符合较好;在此基础上,利用该模型对影响钢管混凝土叠合柱耐火性能的主要参数进行分析。研究结果表明:钢管外的混凝土显著延缓了热量向钢管及其内部核心混凝土的传递,核心钢管混凝土部分承载力损失较小;由于各部分材料之间的相互作用,延缓了核心混凝土的损伤,避免钢管的局部屈曲,也使得破坏时钢管混凝土叠合柱仍具有较好的整体性;轴压比、截面尺寸、截面核心面积比和长细比是影响钢管混凝土叠合柱耐火极限的主要因素;基于此类参数提出钢管混凝土叠合柱耐火极限的实用计算式,与有限元分析结果和试验结果均符合较好,可为实际工程中该类构件的抗火设计提供参考。     

酸雨环境下方钢管再生混凝土短柱轴压力学性能试验研究

设计了16根方钢管混凝土短柱试件,对不同截面尺寸、核心混凝土骨料类型、酸雨腐蚀率的试件进行轴压试验,并对酸雨环境下不同腐蚀程度的方钢管再生混凝土轴压短柱的延性、荷载-纵向应变、组合弹性模量、损伤分析以及承载力验算进行了分析。试验结果表明:酸雨环境下方钢管普通混凝土短柱和方钢管再生混凝土短柱有相似的破坏形态。随着腐蚀程度的加深,方钢管普通混凝土轴压短柱和方钢管再生混凝土轴压短柱后期延性变差,腐蚀程度越深,后期延性下降越大,组合弹性模量下降越明显,试件损伤越严重,承载力下降越大。酸雨环境下的钢管混凝土构件可近似看作均匀腐蚀,采用折减壁厚的方法对钢管混凝土短柱承载力进行验算,结果与试验数据吻合度高。     

翼缘非等厚矩形钢管混凝土梁受弯性能研究

为了研究翼缘非等厚矩形钢管混凝土梁的受力性能,进行了7根钢管混凝土梁的四点弯曲试验,试件的变化参数为钢管上、下翼缘厚度和混凝土强度。结果表明,钢管上下翼缘厚度之比越小,承载力极限状态下的截面中性轴越靠下,表明参与工作的混凝土越多,组合截面承载性能越好;当上下翼缘厚度之比约为1/3时,通过提高混凝土的强度能有效增大构件的受弯承载力。采用有限元软件ABAQUS对受弯试验进行了全过程模拟,得到的结果与试验结果吻合。模拟分析还表明,优化后的翼缘非等厚矩形钢管混凝土截面不仅增大了钢管分担的弯矩,同时也增加了混凝土的工作面积,两者共同作用提升了构件的受弯承载力,当含钢率约为0.2时,承载力相较于等壁厚构件可提升15%以上。在平截面假定的基础上推导了翼缘非等厚矩形钢管混凝土组合截面受弯承载力的解析表达式,并探讨了对构件截面的优化问题,特别对含钢率较高的高强混凝土构件,优化截面的承载力提高效果显著。研究结果表明,翼缘非等厚矩形钢管混凝土梁具有良好的承载性能和变形性能。     

外方内圆复合钢管高强混凝土柱抗震性能试验研究

为研究外方内圆复合钢管高强混凝土柱的抗震性能,完成了6个试件的拟静力试验。试验主要变化参数为轴压比、方钢管壁板厚度及其宽厚比、圆钢管混凝土套箍指标。试验结果表明：6个试件的破坏形态基本相同,均为距柱底约300 mm高度范围内方钢管外鼓屈曲,方、圆钢管之间混凝土局部破坏;试件的水平荷载 位移滞回曲线饱满,无明显捏拢;峰值水平荷载时,轴压比设计值约为1.0的试件位移角略小于1/100,其它5个试件位移角均大于1/100;减小方钢管壁板的宽厚比,或增大圆钢管混凝土的套箍指标,可增大试件的初始割线刚度以及极限位移角;增大方钢管壁板的厚度,可提高试件在轴压力作用下的正截面受弯承载力。采用叠加方法与平截面假定方法计算试件在轴压力作用下的正截面受弯承载力,计算值与实测值吻合较好。     

钢管混凝土十字形截面柱耐火性能试验研究

结合钢管混凝土结构和异形柱结构的特点,提出一种由钢管混凝土芯柱和翼柱构成的钢管混凝土十字形截面柱。为研究该钢管混凝土十字形截面柱结构的耐火性能,完成了5个钢管混凝土十字形截面柱足尺试件在ISO 834标准升温曲线下的明火受火试验,研究了轴压比和防火涂层厚度对该钢管混凝土十字形截面柱在高温作用下的破坏形态、轴向变形和耐火极限等性能的影响规律。结果表明,试件轴压比越大,耐火极限越短;防火涂层厚度越厚,耐火极限提高越明显。通过与现行防火规范计算结果的对比发现,该钢管混凝土十字形截面柱具有良好的耐火性能,在防火涂层厚度为10 mm时,试件耐火极限可以达到190 min。在相同耐火极限下,该钢管混凝土十字形截面柱所需防火涂层厚度约为规范建议的纯钢管柱防火涂层厚度的22%。     

日照作用下圆钢管混凝土柱截面温度场分析

以湖南黄花国际机场新航站楼为原型,分析了圆钢管混凝土柱在日照作用下的截面温度场。并采用ABAQUS软件对不同直径的圆钢管混凝土在角柱和边柱受热工况下的截面温度场进行数值模拟。研究结果表明,在相同受热工况下,不同直径圆钢管混凝土柱的截面温度分布规律相近,角柱与边柱沿受热方向的截面温度分布规律相近,大直径柱以及边柱由于受热面积大导致截面平均温度较高。在此基础上,拟合得到角柱和边柱在日照作用下的截面温度场分布模式,计算值与有限元分析值吻合良好。     

钢管高性能混凝土轴压短柱的静力性能(Ⅱ):机理分析及承载力

研究钢管高性能混凝土轴压短柱中钢管和混凝土的应力、应变等的分布规律,发现圆试件中截面混凝土纵向应力在圆周方向均匀分布,而方试件中截面混凝土的纵向应力在弯角处最大。试件在受荷过程中,中截面钢管首先屈服,然后逐渐向试件两端发展。典型算例的分析结果表明,圆钢管对混凝土的约束作用好于方钢管的,圆钢管对混凝土沿圆周方向均匀约束,而方试件在截面弯角处的约束力最大。所有试件在中截面约束力最大。黏结强度对于试件的轴压承载力基本没有影响。普通钢管混凝土轴压短柱的承载力计算式同样适用于钢管高性能混凝土轴压短柱的承载力计算。钢管高性能混凝土轴压短柱与普通钢管混凝土轴压短柱在静力性能方面并无本质区别。     

钢管混凝土加固盾构隧道管片接头受力性能试验研究

管片接头是盾构隧道结构的薄弱部位,对结构的综合性能起着控制作用。为了研究其受力性能,开展了8个足尺管片接头试件在正、负弯矩作用下的静力试验,其中4个试件采用钢管混凝土加固,另外4个为对比试件(2个采用传统钢板加固,2个未加固),得到了正、负弯矩作用下不同试件的破坏模式;在用钢量相近的条件下,对钢管混凝土加固和传统钢板加固进行了比较,考察了钢管混凝土截面高度对加固效果的影响。研究表明：正、负弯矩作用下,钢管混凝土加固均能显著提升管片接头的受力性能;正弯矩作用下,钢管混凝土的加固效果全面优于传统钢板加固效果;负弯矩作用下,钢管混凝土加固试件的接头张开量在化学锚栓断裂之前明显小于传统钢板加固试件的;钢管混凝土的截面高度从45mm增至60mm,加固效果并未进一步提升。     

钢管轻集料混凝土中长柱轴压性能的试验研究

通过对20根具有不同长细比和混凝土强度等级的钢管轻集料混凝土中长柱进行轴压试验,研究了钢管轻集料混凝土中长柱在轴心压力下的宏观变形特征、轴力-应变关系、破坏模式和破坏机理,并与钢管普通混凝土的轴压性能进行了对比。研究结果表明:长细比是影响钢管轻集料混凝土中长柱承载力的主要因素,在相同条件下,长细比越大,试件的承载力越低;核心混凝土强度对钢管轻集料混凝土试件的稳定系数有一定影响,在截面参数相同的情况下,核心混凝土强度较高的试件稳定系数比混凝土强度较低的试件要高;在本研究的范围内,钢管轻集料混凝土的稳定系数要高于长细比相同的钢管普通混凝土。     

轴心受压双钢管混凝土短柱正截面承载力的试验研究

对5个双钢管混凝土短柱进行了轴心受压试验。试验结果表明,在轴心受压荷载作用下双钢管混凝土柱的受力全过程是由弹性、弹塑性以及破坏3个阶段组成的,具有很好的延性。由于双钢管混凝土短柱截面含钢率较高,钢管对核心混凝土的约束效应较大,所有试件破坏模式均为腰鼓型破坏。试件的整体工作性能较好,外钢管与内钢管变形一致,试件的极限承载力随着套箍系数增大逐步增加。     

钢管混凝土组合柱累积损伤性能试验研究

通过6个高轴压比下大尺寸钢管混凝土组合柱试件的拟静力试验,研究加载循环次数和配箍率对组合柱累积损伤性能的影响。试验结果表明：加载循环次数对组合柱试件承载力影响不大,对按全截面混凝土配箍设计（即计算体积配箍率时不扣除核心钢管混凝土体积）的组合柱试件的变形能力影响不显著,但对按钢管外混凝土配箍设计（即计算体积配箍率时扣除核心钢管混凝土体积）的试件变形能力影响较为显著。当循环加载10次时,按全截面混凝土配箍设计的试件变形能力和累积耗能能力显著优于按钢管外混凝土配箍设计的试件,前者的极限位移和失效位移分别比后者的大25%和41%,前者的总累积滞回耗能为后者的2.8倍。考虑地震作用下结构构件的累积损伤效应,建议钢管混凝土组合柱按全截面混凝土配箍设计,以保证足够大的变形能力。