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。     

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。     

圆钢管再生陶瓷粗骨料混凝土短柱轴压试验研究

为了有效利用废弃陶瓷,开展了受钢管约束的再生陶瓷粗骨料混凝土受力性能的研究,进行了18个圆钢管再生陶瓷粗骨料混凝土短柱的轴压试验,得到其破坏模态、承载力和荷载-纵向应变关系曲线等试验结果,并分析了截面含钢率、约束效应系数和再生陶瓷粗骨料取代率对短柱轴压性能的影响。试验和分析结果表明：圆钢管再生陶瓷混凝土轴压短柱的破坏模态受截面含钢率和约束效应系数影响,分为剪切破坏、腰鼓破坏和混合破坏;钢管对再生陶瓷混凝土的约束效果好于普通混凝土,取代率为100%的短柱与钢管普通混凝土短柱相比具有更高的承载力提高系数、混凝土强度提高系数和残余承载力比,以及更好的延性。将承载力实测值与各国现行规范中钢管混凝土承载力公式计算结果对比发现,现行规范对圆钢管再生陶瓷混凝土轴压短柱承载力的预测均过于安全,结合试验数据推导出适用于圆钢管再生陶瓷混凝土短柱的承载力简化计算公式,预测结果与试验结果拟合良好。     

薄壁圆钢管混凝土短柱的轴压试验

通过 8根圆形薄壁钢管混凝土轴压短柱试验 ,研究了不同径厚比、混凝土强度等级、含钢率等参数 ,对薄壁圆钢管混凝土轴压短柱力学性能的影响。试验表明 ,由于有内填混凝土的支撑作用 ,钢管壁的局部屈曲和屈曲后的性能有很大提高。与常规壁厚的钢管混凝土轴压短柱相比较 ,达极限承载力时的破坏模式也有较大的变化     

圆钢管高强混凝土轴压短柱受剪承载力分析

为了深入研究钢管高强混凝土轴压短柱破坏模式与破坏机理,提出适合钢管高强混凝土轴压短柱极限承载力计算方法,针对圆钢管高强混凝土轴压短柱大都发生剪切破坏这一典型现象,引入莫尔-库仑强度理论,从理论上分析其发生剪切破坏的原因和受力机理,并从剪切破坏的角度提出了钢管高强混凝土轴压短柱承载力计算方法。利用基于圆钢管高强混凝土轴压短柱试验研究和有限元分析回归得到的处于复杂应力场中的钢管纵向应力σv-纵向应变ε关系曲线和钢管横向应力σh-纵向应变ε关系曲线的数学表达式,得到了钢管高强混凝土轴压短柱承载力包络线的简化计算方法,简化计算曲线与试验曲线吻合良好,可用于分析钢管高强混凝土轴压短柱的受剪承载力。     

中空夹层薄壁钢管混凝土短柱轴压性能研究

进行了9个轴压短柱的试验研究,考察空心率和径厚比对方套圆中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱力学性能的影响。试验发现中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱具有较好的延性和较高的承载力。接着对中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱进行了数值模拟,数值模拟结果与实测结果吻合良好。机理分析表明:外钢管的约束效果主要集中在角部,纵向加劲肋可很好地提高外钢管的承载力。参数分析表明中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱的承载力随着钢管屈服强度、混凝土强度或径厚比的增大而增大;构件的延性随着空心率的增大而增大。最终建议了中空夹层薄壁钢管混凝土轴压短柱承载力的简化计算公式。     

FRP-混凝土-钢双壁空心管短柱轴心抗压试验研究

为研究FRP-混凝土-钢双壁空心管短柱的轴压性能,完成了3个圆钢管短柱和10个双壁空心管短柱试件的轴心抗压试验。结果表明:双壁空心管短柱内层钢管受到管内混凝土的径向压力,屈曲被延迟;管内混凝土受到外层FRP管和内层钢管的共同约束;试件具有良好的延性。在轴压力作用下,圆钢管短柱的破坏形态与其径厚比有关。双壁空心管短柱在轴压作用下有3种破坏形态:FRP管的纤维拉断,FRP管的纤维拉断和钢管压屈,整体压屈。破坏形态主要与钢管径厚比、空心率、FRP管的约束程度有关。通过分析本文和国内外相关试验结果,提出了双壁空心管内混凝土受压应力-应变关系模型的3种类型及模型参数的计算公式。模型考虑空心率、内层钢管径厚比、外层FRP管约束程度、FRP层合结构和加载方式的影响,与试验结果符合较好。     

橡胶掺量对圆钢管橡胶混凝土短柱力学性能的影响

对12根圆钢管橡胶混凝土(RCFT)短柱进行轴压试验,研究了橡胶掺量对圆钢管混凝土短柱力学性能的影响。结果表明:圆钢管橡胶混凝土短柱破坏形态为钢管一处或多处出现鼓曲或褶曲破坏;圆钢管橡胶混凝土短柱在加载过程中具有较好变形能力和后期承载力;圆钢管橡胶混凝土短柱轴压承载力随橡胶掺量的增加而降低。参考韩林海等给出的钢管混凝土轴压承载力计算公式,对试验数据进行线性回归,提出了圆钢管橡胶混凝土短柱轴压承载力计算公式。与试验值相比,计算结果偏于安全。     

圆钢管约束高强混凝土轴压短柱的试验研究与承载力分析

进行6组共18个圆钢管约束高强混凝土短柱在循环或单调轴压荷载作用下的试验研究。试验中的主要参数为混凝土强度(fcu=88.14～94.17)和钢管径厚比(D/t=21.62～43.01)。试验结果表明,圆钢管约束高强混凝土短柱的轴压承载力高于同条件的普通钢管混凝土构件,但两种构件的延性无显著差异;随钢管中纵向应力的降低,构件的轴压承载力提高。对构件的应力分析结果表明,圆钢管约束高强混凝土轴压短柱的峰值荷载点对应于钢管的屈服点。在应力分析结果的基础上建立圆钢管约束混凝土的轴压承载力公式,公式结果与试验结果吻合较好。基于试验结果对Mander约束混凝土模型进行修正,使模型适合于约束高强混凝土。     

钢管钢纤维高强混凝土短柱轴心受压试验研究

对7根圆钢管钢纤维高强混凝土短柱和3根圆钢管高强混凝土短柱进行了轴心受压试验,研究钢纤维掺量、含钢率和混凝土强度等级对钢管钢纤维高强混凝土短柱受力性能的影响。研究结果表明：随着钢纤维体积掺量的增加,钢管钢纤维高强混凝土短柱的延性逐渐增大,承载力略有提高;随着含钢率的增加,钢管钢纤维高强混凝土短柱的承载力和延性均增大;随着混凝土强度等级的增加,钢管钢纤维高强混凝土短柱的承载力增大,延性逐渐降低;掺入钢纤维对钢管高强混凝土短柱的破坏模式几乎没有影响。最后给出了钢管钢纤维高强混凝土短柱承载力计算式。     

圆高强钢管超高性能混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究采用高强材料的钢管混凝土构件的基本力学性能,开展9根含钢率为0.14~0.38的高强钢管超高性能混凝土（ultra-high performance concrete,UHPC)短柱轴压性能试验,同时分析钢管强度和混凝土强度变化对轴压性能的影响。试验结果表明：与普通钢管UHPC柱和高强钢管普通混凝土柱相比,若其他条件相近,高强钢管UHPC柱中高强钢管的局部鼓曲和UHPC的脆性特征得到更明显改善。钢管屈服后,为避免UHPC产生过大的横向膨胀而导致强度损失,应控制套箍作用尽早出现。采用已验证的有限元模型,开展参数分析发现,钢管混凝土短柱的轴压承载力随含钢率的增加而增大,二者的关系与混凝土强度基本独立,但与钢管强度密切相关。由于材料强度超出了现有规范的限定范围,GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规程》中对高强材料钢管混凝土短柱轴压承载力的预测存在一定偏差。基于有限元数据样本,建立了高强材料钢管混凝土短柱的轴压承载力计算方法。经相关文献的试验结果验证表明,该计算方法的预测精度高,可用于实际工程。     

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。     

钢管高强轻集料混凝土短柱轴压性能的试验研究

通过24根钢管高强轻集料混凝土短柱的轴心受压试验,研究了钢管高强轻集料混凝土短柱在轴心压力下的轴力-纵向应变关系、宏观变形特征、破坏机理和破坏模式。试验结果表明:在钢管的约束下高强轻集料混凝土的弹性模量、强度和塑性性能得到了不同程度的改善,且构件的刚度有所提高;紧箍系数是影响钢管高强轻集料混凝土短柱力学性能的主要因素,紧箍系数越高,构件极限承载力提高越明显,延性越好;钢管高强轻集料混凝土短柱轴压极限承载力与同规格钢管普通混凝土基本相当。     

钢管再生混合短柱的轴压性能试验

为揭示钢管再生混合短柱的轴压性能,通过17根试件的轴压试验,考察钢管再生混合短柱与钢管混凝土短柱的7d和28d轴向受力行为,比较二者的刚度、强度和延性。根据国内外钢管混凝土结构设计标准,对试件的抗压承载力进行计算,基于计算结果与试验结果的对比,建议钢管再生混合短柱的抗压承载力计算公式。研究结果表明:①虽然钢管再生混合短柱采用了32%～35%的废弃混凝土,但其轴向受力性能却与全现浇钢管混凝土短柱相当。②根据我国标准JCJ01—89给出的钢管再生混合短柱的抗压承载力计算结果与试验结果吻合较好。     

钢筋混凝土保护钢管混凝土短柱火灾后力学性能研究

采用试验验证的有限元模型分析了主要影响因素。提出了钢筋混凝土保护钢管混凝土短柱火灾后轴压承载力和轴向刚度的计算方法。研究结果表明：（1）钢筋混凝土保护钢管混凝土短柱火灾后的轴压承载力和轴向刚度明显下降,随着受火时间的增加,轴向刚度的降低幅度更大;（2）截面核心面积比是火灾后轴压承载力降幅变化的主要影响因素。截面核心面积比和含管率是火灾后轴向刚度降幅变化的主要影响因素;（3）提出的简化计算方法可以预测钢筋混凝土保护钢管混凝土短柱火灾后的轴压承载力和轴向刚度。     

螺旋筋增强方钢管混凝土柱的轴压性能及参数分析

为研究螺旋筋增强方钢管混凝土(SRCFSST)柱的轴压性能,以螺旋筋间距、螺旋筋直径、螺旋圈与方钢管的径宽比、方钢管壁厚、混凝土强度等级、纵筋为变化参数,对23个短柱试件进行了轴心受压破坏试验。基于试验实测数据,就各变化参数对SRCFSST轴压性能的影响规律进行了深入的参数分析,其中在延性分析部分引入了基于耗能的延性系数。研究结果表明：SRCFSST试件的表观破坏形态与普通方钢管混凝土的相似;当螺旋筋配筋率≥1.5%时,荷载位移曲线由下降型转化为强化型,并出现四个关键特征点,破坏前预兆明显;在增加相同用钢量的条件下,增加螺旋筋的含钢量时承载力、峰值应变及延性均大幅提高,而增加方钢管和纵筋的含钢量时仅承载力有小幅提高,峰值应变、延性均无明显变化;基于参数分析的结果,对采用SRCFSST的轴压构件的最优配钢方式提出了设计建议。     

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。     

薄壁方钢管再生混合短柱轴压性能试验研究

通过16个薄壁方钢管再生混合短柱的轴压试验,研究废弃混凝土取代率、新旧混凝土强度差、钢管壁厚等因素对试件轴压性能的影响;基于新、旧混凝土的组合强度,对比分析国内外相关公式预测试件轴压承载力的有效性。研究结果表明：与全现浇薄壁方钢管混凝土短柱相比,薄壁方钢管再生混合短柱的钢管屈服较早,废弃混凝土取代率越大钢管屈服越早;薄壁方钢管再生混合短柱的轴压承载力总体呈现出随废弃混凝土取代率增加逐渐降低的趋势,降低幅度大于薄壁圆钢管再生混合短柱;当新、旧混凝土抗压强度相近时,取代率在20%~33%范围内变化对薄壁方钢管再生混合短柱的轴压承载力影响有限;为使再生混合短柱具有与全现浇短柱相近的安全性,建议对根据现行设计标准计算得到的薄壁方钢管再生混合短柱的轴压承载力乘以调整系数0.9。