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。     

钢管约束的钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

为增强核心混凝土约束作用并改善其力学性能,在钢管混凝土外部增设圆钢管形成钢管约束的钢管混凝土组合柱,以构件类型、内层和外层钢管含钢率及核心混凝土强度等级为参数,设计并完成了14个钢管约束的钢管混凝土短柱和14个钢管混凝土短柱的轴压试验;观察试验现象和不同试件的破坏模式,研究各关键参数对试件轴压力学性能的影响,分析内层和外层钢管应力和应变发展规律,对比分析钢管混凝土和钢管约束的钢管混凝土的承载力和变形性能。研究结果表明:当钢管约束的钢管混凝土套箍系数不小于0.87,可使钢管混凝土柱的剪切脆性破坏转为截面压溃破坏,外观表现为腰鼓形破坏;达到承载力时,外层钢管横向应力可以达到钢材屈服强度,对核心混凝土的约束作用较强;钢管约束的钢管混凝土短柱轴压承载力较含钢率相近的常规钢管混凝土承载力可以提高20%左右,较内部钢管混凝土承载力可提高约70%。基于叠加法和GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》,提出两种钢管约束的钢管混凝土轴压承载力计算方法,预测结果与试验结果吻合良好。     

Experimental study on behavior of circular concrete-filled high- strength steel tubular stub columns under compression

为了研究高强钢管混凝土短柱的承载性能，进行了13个高强圆钢管混凝土短柱轴压试验，从破坏模式、荷载-位移关系、承载力、残余承载力和延性方面对内填普通强度混凝土和超高性能混凝土的短柱受力性能进行了对比分析，研究了钢管强度、混凝土强度以及径厚比对两种钢管混凝土短柱的轴压性能影响。试验结果表明：钢管混凝土短柱的破坏模式与等效径厚比相关，分为腰鼓型破坏和剪切型破坏两种；在相同钢管强度及径厚比条件下，内填普通强度混凝土的短柱较内填高性能混凝土的短柱具有更高的承载力提高系数和残余承载力比，以及更好的延性。同时，将试验承载力结果与我国GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》、欧洲规范BS EN 1994-1-1：2004和美国规范ANSI/AISC 360-16中相关公式计算结果进行对比，发现现行规范一定程度上高估了高强钢管超高性能混凝土短柱的承载力。结合已有试验统计数据与高强圆钢管混凝土短柱试验结果，对圆钢管高强及超高强混凝土短柱受压截面承载力计算公式进行修正，得到偏安全的短柱轴压承载力计算公式。     

高强圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

为了研究高强钢管混凝土短柱的承载性能,进行了13个高强圆钢管混凝土短柱轴压试验,从破坏模式、荷载-位移关系、承载力、残余承载力和延性方面对内填普通强度混凝土和超高性能混凝土的短柱受力性能进行了对比分析,研究了钢管强度、混凝土强度以及径厚比对两种钢管混凝土短柱的轴压性能影响。试验结果表明：钢管混凝土短柱的破坏模式与等效径厚比相关,分为腰鼓型破坏和剪切型破坏两种;在相同钢管强度及径厚比条件下,内填普通强度混凝土的短柱较内填高性能混凝土的短柱具有更高的承载力提高系数和残余承载力比,以及更好的延性。同时,将试验承载力结果与我国GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》、欧洲规范BS EN 1994-1-1：2004和美国规范ANSI/AISC 360-16中相关公式计算结果进行对比,发现现行规范一定程度上高估了高强钢管超高性能混凝土短柱的承载力。结合已有试验统计数据与高强圆钢管混凝土短柱试验结果,对圆钢管高强及超高强混凝土短柱受压截面承载力计算公式进行修正,得到偏安全的短柱轴压承载力计算公式。     

外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆形截面短柱轴压性能试验研究

提出外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱的复合加固方法。通过11个加固钢筋混凝土圆形截面短柱试件（其中2个为增大截面加固柱试件、9个为复合加固柱试件）和2个未加固钢筋混凝土圆形截面短柱试件的轴压试验,对不同方法加固的钢筋混凝土圆形截面短柱承载力、刚度和延性进行研究,分析加载方式、含钢率、后浇自密实混凝土强度、界面处理方式等因素对复合加固柱轴压性能的影响。试验结果表明：复合加固柱试件的承载力和延性均优于未加固钢筋混凝土圆柱试件和增大截面加固柱试件。仅核心混凝土受压的试件承载力略大于全截面受压的试件;随着含钢率的增大,复合加固柱试件的承载力和延性提高显著;随着后浇自密实混凝土强度的提高,复合加固柱试件的承载力略有提高,但延性有所下降;界面处理方式对复合加固柱试件轴压性能影响不显著。在试验研究的基础上,提出复合加固钢筋混凝土圆形截面短柱的承载力计算式,得出的计算结果与试验结果吻合良好。     

外包薄壁钢管加固受火后混凝土柱的抗震性能

通过2根未受火钢筋混凝土柱、2根受火后未加固钢筋混凝土柱和10根外包薄壁钢管加固受火后钢筋混凝土柱的拟静力试验,考察了轴压比、剪跨比、钢管厚度及加固方式等参数对外包薄壁钢管加固受火后混凝土柱抗震性能的影响情况,建议了外包薄壁钢管加固受火后混凝土柱受剪承载力的计算公式。结果表明：薄壁钢管加固可显著提高受火后混凝土柱的受剪承载力、极限变形和累计滞回耗能,且加固后试件的割线刚度与未受火试件相比相差较小。受火后剪跨比为1.78和3.0的混凝土柱加固后的承载力分别比相应的未加固柱的承载力提高了41.8%~47.0%和38.5%~74.4%。轴压比对加固后试件的受剪承载力、刚度、耗能能力和延性影响较大,对极限变形影响较小。薄壁钢管厚度对加固后试件的耗能能力影响较大,对受剪承载力影响较小。薄壁钢管根部焊接角钢并用螺栓锚固的方式可提高加固效果。     

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。     

FRP网格约束混凝土圆柱的抗震性能

对纤维增强聚合物(FRP)网格约束混凝土圆柱进行了轴压荷载试验;给出了FRP网格侧向约束强度和侧向约束刚度计算公式及FRP网格约束混凝土圆柱的应力-应变关系模型确定方法.在此基础上,进一步完成了FRP网格加固钢筋混凝土圆柱在低周反复荷载作用下的试验,重点探讨了FRP网格加固用量及FRP网格中纵筋是否锚入柱底座对试件承载力和变形能力的影响.结果表明,FRP网格约束后混凝土圆柱的强度和延性有明显提高,约束后的应力-应变关系曲线有无软化段主要与FRP约束量有关,FRP网格加固能明显提高钢筋混凝土结构的承载力和延性等抗震性能.     

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

The confinement effect provided by the steel tube in a circular concrete-filled steel tubular (CFST) short column remarkably increases the strength and ductility of the concrete core. The reliable prediction using nonlinear analysis methods for circular CFST columns relies on the use of accurate models for confined concrete. In this paper, accurate constitutive models for normal and high strength concrete confined by either normal or high strength circular steel tubes are proposed. A generic fiber element model that incorporates the proposed constitutive models of confined concrete is created for simulating the nonlinear inelastic behavior of circular CFST short columns under axial loading. The generic fiber element model developed is verified by comparisons of computational results with existing experimental data. Extensive parametric studies are conducted to examine the accuracy of various confining pressure models and the effects of the tube diameter-to-thickness ratio, concrete compressive strengths and steel yield strengths on the fundamental behavior of circular CFST columns. A new design formula accounting for concrete confinement effects is also proposed for circular CFST columns. It is demonstrated that the generic fiber element model and design formula adequately predict the ultimate strength and behavior of axially loaded circular CFST columns and can be used in the design of normal and high strength circular CFST columns.     

冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析

基于材料强度折减及钢管壁厚折减的方法,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压力学性能采用有限元法进行了研究。基于合理的有限元分析模型,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土柱的破坏模态、轴向荷载-位移关系、钢管与混凝土相互作用进行了分析,研究了含钢率、截面尺寸、钢管屈服强度、混凝土轴心抗压强度以及冻融循环-酸雨交替次数对试件轴压极限承载力的影响。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性; 冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后轴压圆钢管混凝土短柱的破坏模态与普通试件相似,轴向荷载-位移曲线变化趋势一致,试件均为塑性破坏; 圆钢管混凝土轴压短柱随冻融循环-酸雨锈蚀交替次数的增加,材料性能劣化严重,外钢管对核心混凝土约束作用减弱,试件极限承载力明显下降。     

Mechanical performances of concrete-filled steel tubular stub columns with round ends under axial loading

An experimental study of 22 concrete-filled round-ended steel tubular (CFRT) stub columns under axial compression is conducted compared with 4 circular concrete-filled steel tubular (CFT) stub columns. The influences of width–thickness ratio, concrete strength, steel yield strength and wall-thickness of steel tube on the ultimate bearing capacity of the CFRT columns are discussed. The 3D finite element (FE) model is also developed to analyze the behavior of the CFRT columns under axial compression. From the results, local buckling of the round-ended steel tube associated with shear failure of in-filled concrete could be observed. With the increasing width–thickness ratio, the corresponding load–strain curves have a shorter elastic–plastic stage. The parametric studies indicate that the concrete strength, tube thickness and width–thickness ratio of the steel tube also have a great effect on the ultimate bearing capacity. The numerical results also show that the confinement effect of the stub columns decreases with the increasing width–thickness ratio. A practical calculation formula for the bearing capacity of the CFRT stub columns is proposed, which is well in agreement with the experimental results.     

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。     

Influence of steel ratio on fire resistance of concrete-filled square steel tubular columns with internal profiled steel

采用ABAQUS有限元软件,建立了火灾作用下内配型钢方钢管混凝土轴压柱耐火性能的有限元模型,验证了有限元模型的可靠性。在保证钢材总含钢率不变的前提下,对钢管和内配型钢进行分配,对比分析了两种截面形式柱常温承载力和耐火极限。对钢管含钢率、型钢含钢率以及钢材材料强度进行了分析,并对不同截面总含钢率下钢管含钢率分配比例对耐火极限的影响进行了计算和分析。结果表明：保持总含钢率不变,将钢管中部分钢材以型钢的形式置于混凝土中,常温下承载力略有降低,但火灾下耐火极限提高甚为显著;当钢管含钢率占截面总含钢率的50%~60%时,常温下承载力和火灾下耐火极限均能得到充分的发挥。     

冻融循环后圆钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

对冻融循环作用后圆钢管混凝土短柱的受力性能进行试验研究,以钢管壁厚、冻融循环作用次数以及混凝土强度等级为设计参数。试验中分析了冻融循环作用后圆钢管混凝土短柱的轴压破坏现象、荷载-位移曲线以及应力-应变曲线等。试验结果表明：经冻融循环作用后的圆钢管混凝土短柱的轴压破坏形态与相应未经冻融循环作用短柱类似;减小圆钢管混凝土短柱的径厚比可提高其在冻融环境下的轴压承载力;提高混凝土强度等级能增加圆钢管混凝土短柱的初始刚度;冻融循环对圆钢管混凝土短柱的轴压承载力影响较小;预测圆钢管混凝土可适用于遭受冻融作用的地区。根据试验结果,提出了圆钢管混凝土经冻融循环后的轴压承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

Study on concrete-filled stainless steel–carbon steel tubular (CFSCT) stub columns under compression

A concrete-filled stainless steel–carbon steel tubular (CFSCT) column is introduced as a new form of composite member in this paper, which is believed to achieve higher corrosion resistance, higher bearing capacity and lower cost by combination the advantages of stainless steel and concrete filled steel tube (CFST) structure. A series of compression test was carried out on this newly proposed composite column. A modified stress–strain model for concrete core was proposed and then three-dimensional nonlinear finite-element (FE) models were established and verified with the experimental results. Close agreement was achieved between the test and numerical results in terms of load–deformation responses. A parametric study, including tube thickness, diameter and yield strength of carbon steel tube was also conducted to give a clear insight on the performance such composite columns.     

多边多腔钢管自密实高强混凝土短柱轴心受压性能试验研究

以天津高银117大厦巨型柱为原型,按1/20缩尺设计制作7个多边多腔钢管自密实高强混凝土短柱试件。通过轴心受压试验,考察了试件的破坏形态,实测试件的荷载-变形曲线、荷载-应变曲线,研究了试件轴压性能,分析了混凝土强度、钢管壁厚度、有无钢筋笼等参数对试件承载力的影响。研究表明,多边多腔钢管自密实高强混凝土短柱轴心受压全过程大致分为四个阶段;在达到90%极限承载力之前,试件外形无明显变化;提高混凝土强度对试件承载力的提高作用最为明显,有无钢筋笼对试件承载力的影响不明显,增加钢管壁厚度不仅可以提高试件承载力,而且可以显著改善试件延性。基于试验结果,参考国内外相关规范,建立了多边多腔钢管自密实高强混凝土短柱轴心受压承载力实用计算公式,可供实际工程设计参考。     

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。     

大长细比钢管混凝土轴心受压柱承载力的试验研究

进行了12个钢管混凝土和4个空铜管轴心受压构件的试验研究．研究结果表明,由于填充了混凝土,可以有效地延缓钢管的局部屈曲,从而使钢管混凝土长柱具有较高的承载力．通过试验结果表明,对于长细比为130～155的钢管混凝土柱,《钢-混凝土组合结构设计规程》（DL5058／T）中有关承载力计算公式的计算结果与实测结果相比偏于保守,浇灌混凝土以后,钢管混凝土构件的承载力较空钢管可提高30％左右．     

内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱生命周期内的力学性能

为了研究内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱在生命周期内的受力机理,利用有限元软件ABAQUS建立该类短柱的计算模型,并与已有的相关试验结果进行对比。模型中将钢管初应力和长期荷载作为生命周期内的主要因素进行考虑,分析了内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱生命周期内的荷载-变形全过程曲线、跨中截面各部件纵向应力分布和钢材与混凝土之间的相互作用力; 考察了初应力系数、长期荷载比和含钢率对构件承载力和变形的影响规律。结果表明:考虑钢管初应力和长期荷载作用的内配型钢矩形钢管混凝土轴压短柱极限承载力与一次加载情况下相比变化不明显,但极限承载力对应的纵向应变增长84.2%; 在长期持荷阶段,核心混凝土发生卸载现象,其承担的荷载下降了30%左右,再加载阶段又继续承载; 钢管与混凝土之间的接触应力在中截面处最大,沿构件长度方向逐渐向两端减小; 随着钢管含钢率增大,构件极限承载力增大,变形减小,而型钢含钢率对构件变形影响较小; 随着初应力系数和长期荷载比的增大,构件纵向变形增大。     

劲化方形截面钢管混凝土短柱轴压试验研究

采用劲化方形截面钢管混凝土柱可以有效地提高柱钢管壁的侧向刚度,增强其抵抗局部屈曲的能力和改善对核心混凝土的约束作用。通过普通方形截面钢管混凝土柱和劲化方形截面钢管混凝土短柱的轴压试验,对柱的轴压破坏形态、轴力-变形特征、钢管应变等进行了分析。结果表明：劲化带的设置使钢管壁对核心混凝土的约束作用更趋均匀,改变了钢管的局部屈曲变形状态,明显提高了方形截面钢管混凝土柱的轴压承载力和变形能力。根据劲化方形截面钢管混凝土短柱的受力分析,提出了轴压承载力计算式,计算结果和试验结果吻合良好。