圆截面碳纤维增强聚合物-钢管混凝土压-扭性能研究

为探究圆截面碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土在压-扭荷载作用下的力学性能,结合8个CFRP-钢管混凝土试件进行压-扭静力加载试验,对试件的试验现象、扭矩-转角曲线、钢管与碳纤维的协同工作以及平截面假定进行了探讨;应用有限元软件建立模型进行对比,模拟结果与试验结果相吻合;以上述研究为基础,对构件进行了受力全过程分析;参数分析的结果表明,横向碳纤维层数、混凝土强度和含钢率对扭矩-转角曲线的形状无明显影响;横向碳纤维层数、钢材屈服强度、混凝土强度和含钢率的增加可以提高构件的承载力,适当的轴压比也可以提高构件的承载力;基于性能分析结果,得出圆截面CFRP-钢管混凝土的压-扭极限承载力方程,通过验证可知与试验结果拟合良好。     

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。     

复式薄壁方钢管混凝土构件受弯性能研究

通过复式薄壁方钢管混凝土构件受弯性能的试验研究,分析了内置圆形截面空钢管和钢管高强混凝土对薄壁方钢管混凝土构件纯弯段受弯性能的影响。试验表明：内置圆形截面空钢管和钢管高强混凝土可有效提高构件的受弯承载力,内置钢管高强混凝土的提高效果更显著;薄壁方钢管混凝土的受弯承载力和抗弯刚度明显较对比空钢管的高;试验过程中未出现钢管角部破坏的情况。对复式薄壁方钢管混凝土纯弯构件受力性能进行有限元分析,分析结果和试验结果吻合较好,外管的约束作用有效提高了夹层混凝土转角处混凝土的抗压强度。有限元参数分析结果表明,构件的受弯承载力和抗弯刚度随着夹层混凝土强度和径宽比的增大而增大,但随着径厚比的增大而减小;同时构件的受弯承载力随着钢管强度的增大而增大。建议了复式实心薄壁方钢管混凝土构件和复式空心薄壁方钢管混凝土构件受弯承载力的简化计算模型,其计算结果精度较高。     

冷弯方钢管混凝土轴拉力学性能研究北大核心CSCD

以混凝土强度、截面宽厚比和是否填充混凝土为参数,进行了5个冷弯方钢管混凝土试件和1个冷弯方钢管试件的轴心受拉性能试验。使用ABAQUS软件对试件进行了有限元模拟,模拟的荷载-应变曲线与试验结果吻合较好。对混凝土的开裂点、钢管与混凝土的拉力分配、承载力的提高程度和工作机理等方面进行了研究。结果表明:随宽厚比的增大,试件的断裂应变呈减小的趋势;试件破坏位置集中在跨中和距加载端1/3试件高度处,断面呈水平方向或与中截面呈45°;在试件中截面测点的纵向应变为150με左右时,核心混凝土开裂,试件刚度出现折减;宽厚比在15~240的范围内,混凝土的填充对钢管的轴拉承载力提高幅度在3.03%~30.75%。基于参数分析拟合出了冷弯方钢管混凝土的轴拉承载力公式。     

碳纤维增强聚合物-方形截面钢管混凝土构件扭转性能试验研究

以横向CFRP约束系数、纵向CFRP增强系数和混凝土立方体抗压强度为主要参数,进行了18个CFRP-方形截面钢管混凝土(S-CF-CFRP-ST)构件扭转性能试验研究。试验结果表明,S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线对应试件受力的弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段;钢管和CFRP可以协同工作;纵向应变与横向应变均为拉应变,45°方向为压应变;构件的变形近似符合平截面假定。应用ABAQUS有限元分析软件模拟了S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线,计算结果与试验结果吻合良好。有限元参数分析结果表明,钢材屈服强度、混凝土强度、CFRP层数和含钢率的提高不改变S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线的形状;但钢材屈服强度或含钢率的提高可以显著提高受扭承载力,混凝土强度的提高对构件承载力有所提高,而CFRP层数的增加可使承载力略有提高;含钢率的提高可以提高构件弹性阶段的刚度。     

压-扭荷载下CFRP-方形钢管混凝土的力学性能研究

以轴压比、CFRP层数和混凝土立方体抗压强度等为参数,开展了压-扭荷载下CFRP-方形钢管混凝土(S-CF-CFRP-ST)的静力性能试验,得到了试件的扭矩-转角(T-θ)曲线、扭矩-应变(T-ε)曲线和破坏模态。试验结果表明,钢管与CFRP可协同工作;同一点的45°方向应变始终为负,横向应变始终为正,纵向应变根据轴压比的变化为正或为负;小轴压比CFRP-方形钢管混凝土试件在压-扭荷载下发生延性破坏。采用ABAQUS模拟试件扭矩-转角曲线和变形模态并开展受力全过程分析,模拟和分析结果与试验现象和结果吻合良好。参数分析的结果表明,提高混凝土强度、钢材屈服强度、含钢率和横向CFRP层数可提高构件的抗扭承载力;通过对试件扭矩-转角曲线的大量分析,导出了CFRP-方形钢管混凝土的压-扭承载力相关方程。     

Experimental study on torsional behavior of concrete filled CFRP-steel tube with square cross-section

以横向CFRP约束系数、纵向CFRP增强系数和混凝土立方体抗压强度为主要参数,进行了18个CFRP-方形截面钢管混凝土(S-CF-CFRP-ST)构件扭转性能试验研究。试验结果表明,S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线对应试件受力的弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段;钢管和CFRP可以协同工作;纵向应变与横向应变均为拉应变,45°方向为压应变;构件的变形近似符合平截面假定。应用ABAQUS有限元分析软件模拟了S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线,计算结果与试验结果吻合良好。有限元参数分析结果表明,钢材屈服强度、混凝土强度、CFRP层数和含钢率的提高不改变S-CF-CFRP-ST构件的扭矩-转角曲线的形状;但钢材屈服强度或含钢率的提高可以显著提高受扭承载力,混凝土强度的提高对构件承载力有所提高,而CFRP层数的增加可使承载力略有提高;含钢率的提高可以提高构件弹性阶段的刚度。     

方截面CFRP-钢管混凝土压弯构件抗震性能试验

为研究方截面CFRP-钢管混凝土的动力性能,在试验研究的基础上,进行理论分析,得到方截面CFRP-钢管混凝土动力情况下的极限承载力.试验表明,方截面CFRP-钢管混凝土构件的动力性能更优于钢管混凝土.它的刚度退化缓慢,延性略好于钢管混凝土.且由于CFRP的作用,方截面CFRP-钢管混凝土构件耗能更多.     

圆端形钢管混凝土构件纯弯力学性能

为研究圆端形钢管混凝土构件的纯弯力学性能,对4个构件进行了纯弯试验,分析了高宽比和含钢率对纯弯曲作用下圆端形钢管混凝土构件破坏形态、挠度曲线、截面应变、抗弯承载力的影响。基于ABAQUS建立有限元模型对圆端形钢管混凝土构件纯弯性能进行模拟,试验结果与模拟结果吻合良好,利用验证后的模型对圆端形钢管混凝土构件进行了受力全过程分析以及参数分析。最后基于ABAQUS参数分析结果提出了圆端形钢管混凝土构件抗弯承载力计算公式,公式计算结果与试验结果吻合良好。结果表明:圆端形钢管混凝土构件在纯弯曲作用下发生了明显的挠度变形,当跨中挠度达到L/25(L为试件长度)时,试件仍能承受较大的荷载,表现出良好的延性; 圆端形钢管混凝土构件的挠度曲线可假设为正弦半波曲线,其跨中截面基本保持为平截面; 当构件达到抗弯承载力时,钢管承受了大部分弯矩,圆弧段钢管相较于平直段钢管对混凝土的约束作用更强; 圆端形钢管混凝土构件的抗弯承载力随钢材强度的增大而增大,而混凝土强度的改变对其抗弯性能影响较小。     

带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件拉弯试验和承载力计算方法研究

为研究球冠性脱空缺陷对钢管混凝土拉弯性能的影响机理,完成了24根钢管混凝土试件在拉弯作用下的试验研究,包括16根带球冠形脱空缺陷试件和8根元脱空对比试件,考察了脱空率和偏心率对带球冠形脱空缺陷试件的承载力、拉力-位移关系曲线、弯矩-曲率关系曲线、应变发展的影响规律.试验结果表明:随着脱空率的增大,带脱空缺陷试件的承载力有所降低;随着偏心率的增大,脱空缺陷对钢管混凝土承载力的不利影响趋于显著.建立了带脱空缺陷的钢管混凝土拉弯构件的有限元分析模型,其计算结果和试验结果吻合良好.采用有限元模型对带脱空缺陷构件的工作全过程进行了分析,揭示了脱空缺陷对钢管与混凝土之间相互作用的影响机理,并对脱空率、混凝土强度、钢材强度和含钢率等重要影响因素开展了参数分析,分析结果表明:随着脱空率的增大、钢管混凝土拉弯承载力总体呈线性下降的趋势,降低混凝土强度、提高钢材强度和含钢率对承载力下降幅度的影响并不显著.最后,基于参数分析结果提出了考虑球冠形脱空缺陷影响的钢管混凝土拉弯承载力简化计算公式.     

带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件拉弯试验和承载力计算方法研究

为研究球冠性脱空缺陷对钢管混凝土拉弯性能的影响机理,完成了24根钢管混凝土试件在拉弯作用下的试验研究,包括16根带球冠形脱空缺陷试件和8根元脱空对比试件,考察了脱空率和偏心率对带球冠形脱空缺陷试件的承载力、拉力-位移关系曲线、弯矩-曲率关系曲线、应变发展的影响规律.试验结果表明:随着脱空率的增大,带脱空缺陷试件的承载力有所降低;随着偏心率的增大,脱空缺陷对钢管混凝土承载力的不利影响趋于显著.建立了带脱空缺陷的钢管混凝土拉弯构件的有限元分析模型,其计算结果和试验结果吻合良好.采用有限元模型对带脱空缺陷构件的工作全过程进行了分析,揭示了脱空缺陷对钢管与混凝土之间相互作用的影响机理,并对脱空率、混凝土强度、钢材强度和含钢率等重要影响因素开展了参数分析,分析结果表明:随着脱空率的增大、钢管混凝土拉弯承载力总体呈线性下降的趋势,降低混凝土强度、提高钢材强度和含钢率对承载力下降幅度的影响并不显著.最后,基于参数分析结果提出了考虑球冠形脱空缺陷影响的钢管混凝土拉弯承载力简化计算公式.     

方中空夹层钢管混凝土压弯扭构件试验研究

以长细比、空心率和轴压比为主要变化参数,进行了5个方中空夹层钢管混凝土和2个方实心钢管混凝土压弯扭构件的试验研究。采用有限元软件ABAQUS对压弯扭试件的扭矩-转角全过程关系进行计算,计算得到的扭矩-转角关系曲线在达到承载力之前与试验结果符合较好。通过典型算例进行计算,从钢管与混凝土各自承担的荷载、轴压比和空心率对扭矩-转角关系曲线的影响三个方面对方中空夹层钢管混凝土压弯扭的工作机理进行了分析。研究结果表明：随着轴压比（n≥0.2）的增大,试件抗扭强度承载力越小;偏心率较小时,空心率越大抗扭承载力越大,延性越好。 关键词：     

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。     

压弯扭复合荷载作用下钢管约束钢筋混凝土柱的承载力及弯扭相关关系研究

以4个钢管约束钢筋混凝土柱(STRC)在弯扭和压弯扭复合荷载作用下的试验研究为基础,采用有限元软件ABAQUS建立了钢管约束钢筋混凝土柱的有限元模型,分别模拟试件在弯扭以及压弯扭复合荷载作用下的破坏模式和承载能力,与试验结果进行对比,验证了有限元模型的正确性。通过有限元模型参数化分析,研究钢管强度、钢管厚度、截面尺寸、混凝土强度、纵筋直径与屈服强度、箍筋直径与屈服强度以及轴力等因素对复合荷载作用下承载力的影响。研究结果表明,钢管厚度、截面尺寸、纵筋的直径与屈服强度以及轴压力是影响复合荷载作用下承载力的主要因素。当圆形截面STRC柱的轴压力达到0.3N_u(N_u为柱轴压承载力)或方形截面STRC柱的轴压力达到0.5N_u时,柱的承载力达到最大。在不同因素的影响下,相同荷载作用下钢管约束钢筋混凝土柱的受弯承载力和受扭承载力之间的相关关系基本一致。     

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。     

复式薄壁方钢管混凝土长柱轴压稳定性能研究

设计制作了8根复式薄壁方钢管混凝土轴压长柱试件,通过试验,研究了长细比和截面类型对复式薄壁方钢管混凝土轴压长柱承载力的影响。试验发现:构件的承载力随着长细比的增大而下降;内置圆钢管高强混凝土后组合柱的承载力提高了33%;内置空钢管后构件的承载力下降了约14%;实心复式薄壁方钢管混凝土柱具有较高的剩余承载力和延性。基于ABAQUS软件和相关的本构模型,建立了复式薄壁方钢管混凝土轴压长柱的有限元模型,有限元计算结果与试验结果吻合良好。基于该有限元模型进行受力性能影响因素分析和参数分析。分析表明:焊接残余应力和钢管弯角效应对轴压承载力的影响均小于1.5%,且二者相互抵消,受力分析时可以忽略;实心复式薄壁方钢管混凝土长柱的稳定系数随着内钢管屈服强度、混凝土强度或径宽比的增大而减小。提出了复式薄壁方钢管混凝土长柱轴压承载力的简化算式,计算值与实测结果吻合较好。     

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。     

圆端形椭圆钢管混凝土受扭性能数值分析及抗扭承载力计算

为探究圆端形椭圆钢管混凝土构件的受扭性能和抗扭承载力计算方法,采用ABAQUS建立了圆端形椭圆钢管混凝土构件在纯扭作用下的有限元分析模型。为解决核心混凝土本构关系问题,提出了一种关于圆端形椭圆钢管核心混凝土本构关系的新等效方法,利用已有试验结果验证了等效方法的可行性和数值分析模型的准确性。开展了纯扭作用下圆端形椭圆钢管混凝土构件性能的参数分析,研究参数包括钢材强度、混凝土强度、含钢率、长短轴比和截面尺寸等。揭示了圆端形椭圆钢管混凝土构件在纯扭作用下的受力机理,提出了圆端形椭圆钢管混凝土构件的抗扭承载力简化计算公式。结果表明:构件抗扭承载力随钢材强度、截面尺寸、含钢率增大而增大,随长短轴比增大而减小;研究成果将为圆端形椭圆钢管混凝土构件的设计提供参考。     

酸雨环境下方钢管再生混凝土纯弯力学性能试验研究

以混凝土骨料类型和腐蚀程度为主要变化参数,设计了6个方钢管混凝土试件,先将其置于酸雨腐蚀溶液中对其进行通电加速腐蚀,再对其纯弯力学性能进行分析。试验结果表明:腐蚀前期,实测的腐蚀厚度略低于理论的腐蚀厚度,后期则较为接近;方钢管再生混凝土试件与方钢管普通混凝土试件有着类似的破坏形态,钢管再生混凝土的极限承载力比钢管普通混凝土略低;随着腐蚀程度的加深,试件的弹性阶段刚度、承载力及后期延性下降,且目标腐蚀度为20%的试件比目标腐蚀度为10%的试件极限承载力下降幅度更大。通过有限元软件ABAQUS计算方钢管再生混凝土构件的纯弯力学性能,并对其弯矩-挠度关系曲线进行分析。计算结果表明:有限元模拟的试件在线弹性阶段的刚度比试验中略大,但所得到的各个试件的极限承载力和试验结果比较接近,且有限元计算模型的破坏模态与试验中试件的破坏形态吻合得也较好,折减钢管壁厚的方法可以有效模拟酸雨腐蚀对钢管普通(或再生)混凝土纯弯试件承载力的影响。     

弯-剪-扭耦合荷载作用下钢管混凝土短柱受力性能研究

为研究钢管混凝土短柱在剪切和扭转复合作用下的受力性能,开展了10个钢管混凝土短柱试件在纯扭、弯-剪和弯-剪-扭荷载作用下的拟静力往复加载及单调加载试验,得到了钢管混凝土短柱的荷载-变形曲线和钢管应变分布规律。试验结果表明：钢管混凝土短柱具有良好的承载能力和塑性性能;在纯扭作用下,圆形钢管混凝土短柱在往复扭转荷载作用下钢管发生低周疲劳破坏;方形钢管混凝土短柱在单调及往复扭转荷载作用下钢管面外发生斜向局部屈曲;纯扭往复荷载作用下的钢管混凝土柱的荷载-变形骨架曲线与单调加载下基本一致;在弯-剪及弯-剪-扭复合荷载作用下,在进入塑性工作阶段前截面的轴向变形基本满足“平截面假定”;在弯-剪-扭耦合荷载作用下,短柱的破坏模式取决于弯扭比,在弯扭比较大（为1.90）时,其类似于弯剪破坏,在弯扭比较小（为0.96）时,其类似于扭转破坏。在有限元模拟及大量参数分析的基础上,得到了钢管混凝土短柱的弯-剪-扭承载力相关方程,承载力计算结果与有限元分析结果吻合较好。