内置型钢圆形截面不锈钢管混凝土短柱轴压性能研究

为研究内置型钢圆形截面不锈钢管混凝土短柱的轴压性能，进行了10根内置型钢的圆形截面不锈钢管混凝土短柱和2根圆形不锈钢管混凝土短柱的轴压试验，并建立其有限元模型，开展了受力机理分析和参数分析。试验和受力机理分析结果表明：设置型钢后圆形截面不锈钢管混凝土短柱的承载力和延性系数分别平均提高了24%和80.3%;峰值荷载作用时，型钢的最大约束应力超过不锈钢管。参数分析结果表明：该类组合柱的承载力随材料强度、钢管含钢率和型钢含钢率的增大而增大，最大提高幅度为36.1%～81.94%;峰值应变随钢材强度或钢管含钢率的增大而增大，最大提高幅度为28.33%～136.09%;轴压刚度随混凝土强度、钢管含钢率和型钢含钢率的增大而增大，最大提高幅度为27.89%～49.1%。提出该类组合柱的轴压承载力、峰值应变和组合刚度的简化模型，简化模型计算值与有限元计算结果及实测结果吻合较好。     

圆形和方形钢管混凝土轴压性能对比研究

对轴压力作用下的圆形和方形截面钢管混凝土进行非线性有限元分析,并与试验结果作比较,模拟结果与试验结果吻合较好。进而对比研究了相同用钢量和混凝土截面条件下的圆形和方形截面形钢管混凝土的轴压性能,最后做了参数分析。结果表明:相同条件下的圆、方钢管混凝土,在轴压力作用下圆钢管与核心混凝土的接触压应力分布均匀,方钢管与核心混凝土接触压应力的分布离散性大,圆钢管对核心混凝土约束更强,使得圆钢管混凝土轴压性能优于方钢管混凝土,并且圆、方钢管混凝土力学性能差异会随着核心混凝土强度的提高而增强,随着钢材强度、含钢率的提高而减弱。     

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。     

哑铃形钢管混凝土压弯相关曲线分析

为研究哑铃形钢管混凝土压弯力学性能,基于4根圆形和4根哑铃形钢管混凝土构件的压弯试验,开展了有限元研究和参数分析。应用有限元软件ABAQUS建立了哑铃形和圆形钢管混凝土有限元模型,分析了两种截面钢管混凝土压弯构件破坏形态,验证了模型的正确性。通过对模型进行参数分析,探究混凝土强度、钢管强度、轴压比和长细比等参数对两种截面形式钢管混凝土压弯承载力和压弯相关曲线的影响规律。结果表明：两种截面形式构件的压弯承载力均随着轴压比的增大呈现先增大后减小的趋势,圆形截面和哑铃形截面构件的临界轴压比分别为0.2和0.4;混凝土与钢材强度等级的提升会使构件压弯承载力增大;而长细比的增大,则会降低构件的压弯承载力。在参数分析的基础上,推导出适合哑铃形钢管混凝土的压弯承载力建议公式,并验证了公式的准确性。     

Seismic behavior of L-shaped concrete-filled steel tubular columns with reinforcement stiffeners

制作了1根对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱试件和2根非加劲L形截面钢管混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,考察对拉钢筋和轴压比对其抗震性能的影响规律。结合OpenSees有限元分析,研究其破坏模式和滞回性能,分析对拉钢筋的作用以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明：对拉钢筋能有效限制钢板的局部屈曲以及阴角处钢管和混凝土的脱离,保证钢管和混凝土共同工作;轴压比从0.3增加到0.6时,非加劲L形截面钢管混凝土柱的耗能能力及延性均降低;相同轴压比下,相比非加劲L形截面钢管混凝土柱,对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱的破坏程度明显减轻,耗能能力及延性明显提高;有限元分析结果基本能反映试件在低周往复水平荷载作用下的抗震性能。     

变截面钢管混凝土短柱轴压性能研究

为研究圆形变截面钢管混凝土短柱的轴压性能,采用ABAQUS有限元软件建立不同设计参数的圆形变截面钢管混凝土轴心受压短柱的有限元模型,对其进行受压全过程分析,研究了其破坏形态;同时选取截面尺寸相同的试件的中间截面为研究对象,分析了不同变角度和含钢率对中间截面的钢管与混凝土间相互作用的影响。研究结果表明:圆形变截面钢管混凝土轴压短柱荷载-变形曲线与等截面钢管混凝土短柱类似;轴心受压的变截面钢管混凝土短柱在小截面端发生破坏;随着变角度与含钢率的增加,试件中间截面的钢管与混凝土间相互作用增大。因此,截面设计参数相同时,圆形变截面柱的截面轴压承载力要强于相同截面的等截面柱。在进行变截面柱的设计时,各截面的轴压承载力可偏于安全地按等截面柱的方法计算。     

花瓣形钢管混凝土柱轴压受力机理和承载力研究

花瓣形钢管混凝土柱具有造型美观的优点,为具体研究其受力机理和承载力,定义了其截面组成,提出了截面偏移比和截面对称系数以反映花瓣形截面性质,提出在花瓣柱中设置十字形加劲肋以增强其组合效应。基于某工程中墩柱和有限元模型,研究了花瓣形钢管混凝土短柱在轴压荷载作用下的受力机理,分析了加劲肋厚度、混凝土强度、钢材强度、加劲肋开孔直径和间距等参数对轴压性能的影响,研究了加劲肋厚度与钢管壁厚的匹配关系。根据理论分析和大量有限元参数分析结果,建议了加劲肋厚度与钢管壁厚之比和钢管名义径厚比的取值范围,提出了花瓣形钢管混凝土短柱的轴压承载力计算式。     

火灾后钢管混凝土叠合短柱轴压性能分析

为明晰火灾后圆形截面钢管混凝土叠合短柱的轴压力学性能,基于试验验证的三维有限元模型,分析受火时间、含管率、纵筋配筋率、混凝土强度、钢管强度和钢管外混凝土厚度变化时,抗压强度和轴向刚度的变化规律。研究结果表明,火灾后圆形截面钢管混凝土叠合短柱的轴压强度和轴向刚度均下降,轴向刚度的降幅更大。受火时间和钢管外混凝土厚度对轴压强度和轴向刚度降幅影响相对较大,含管率和纵筋配筋率有一定的影响,混凝土强度和钢管强度的影响较小。     

对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱抗震性能研究

制作了1根对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱试件和2根非加劲L形截面钢管混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,考察对拉钢筋和轴压比对其抗震性能的影响规律。结合Open Sees有限元分析,研究其破坏模式和滞回性能,分析对拉钢筋的作用以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明:对拉钢筋能有效限制钢板的局部屈曲以及阴角处钢管和混凝土的脱离,保证钢管和混凝土共同工作;轴压比从0.3增加到0.6时,非加劲L形截面钢管混凝土柱的耗能能力及延性均降低;相同轴压比下,相比非加劲L形截面钢管混凝土柱,对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱的破坏程度明显减轻,耗能能力及延性明显提高;有限元分析结果基本能反映试件在低周往复水平荷载作用下的抗震性能。     

带T形钢的内置钢管混凝土组合柱轴压性能研究

为研究带T形钢的内置钢管混凝土组合柱(简称组合柱)的轴压性能，以T形钢翼缘宽度、翼缘厚度、腹板高度和体积配箍率、截面形式为试验参数，按照缩尺比例1∶3设计并制作了9个带T形钢的内置圆钢管混凝土组合柱、1个带T形钢的内置方钢管混凝土组合柱和1个十字形钢混凝土组合柱并对其进行轴压试验，研究组合柱的破坏形态、荷载-位移曲线、应变发展规律，并分析组合柱的受力机理和各参数对其轴压性能的影响；采用ABAQUS软件建立有限元模型，对比峰值荷载、峰值荷载时有限元与试验得到的组合柱的混凝土损伤和钢材破坏形态，在验证模型正确的基础上，进一步研究组合柱材料属性(混凝土强度、钢材强度)和几何参数(T形钢翼缘(腹板)尺寸、钢管径厚比)对其轴压性能的影响。研究结果表明：峰值荷载后，在箍筋和T形钢板的共同约束作用下，钢管外围混凝土性能得到改善，组合柱延性较好；钢管外围混凝土强度等级从C40提高至C80,峰值荷载提高25%～28%,而提高钢管内混凝土强度等级对提升峰值荷载效果不显著，建议钢管内混凝土强度不宜大于钢管外混凝土强度；钢管径厚比宜在10～18内取值，可显著改善该类组合柱的延性。     

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.     

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。     

钢管煤矸石混凝土轴压短柱极限承载力计算方法研究

为促进煤矸石在钢管混凝土结构中的应用,选取辽宁地区的煤矸石作为粗骨料,开展6根钢管混凝土和12根钢管煤矸石混凝土短柱轴压试验。根据构件破坏形式与荷载-应变曲线讨论材料强度、钢管约束和取代率对构件轴压承载力的影响规律,进行了设计参数与承载力的相关性分析,在此基础上,讨论规范GB 50936—2014和规程T/CECS 625—2019中的轴压短柱极限承载力计算方法对钢管煤矸石混凝土的适用性,给出圆钢管煤矸石混凝土短柱极限承载力计算公式的建议修正系数。结果表明:轴向压缩试验下构件呈现出局部鼓曲与剪切破坏形态; 与钢管普通混凝土短柱相比,钢管对核心煤矸石混凝土具有更好的横向约束效应; 相同取代率下提高套箍系数与含钢率将显著提升构件承载力,构件的轴压承载力随煤矸石取代率提升而降低,但最大降低幅度未超过11%:煤矸石粗骨料对承载力的相关系数为-0.33且不具有显著性; 现有的规范GB50936—2014和规程T/CECS 625—2019中相关计算方法适用于钢管煤矸石混凝土短柱,引入修正系数后承载力计算的平均相对误差在3%以内。     

内填料石钢管混凝土短柱轴压性能研究及承载力计算

为合理重复利用废弃石材,将抗压强度高、脆性强的石材置于钢管混凝土柱(CFST)中部,利用钢管的约束充分发挥石材的抗压强度并延缓其压溃,形成内填料石钢管混凝土(SCFST)柱。为研究SCFST短柱的轴压受力机理,采用通用有限元软件ABAQUS建立SCFST短柱精细化3D有限元模型,并利用已经完成的18根SCFST短柱和6根传统钢管混凝短柱试件的破坏形态和荷载-变形关系试验结果对模型的可靠性进行验证。通过验证后的有限元模型,分析SCFST短柱各部件之间的相互作用及荷载分配规律。在此基础上,进一步开展系统的参数分析,研究内填料石尺寸、钢管壁厚、钢管屈服强度和混凝土强度等参数对SCFST柱轴压性能的影响规律。研究结果表明,不同部件间的相互作用随钢管壁增厚和混凝土强度提高而增大,受内填石料尺寸的影响较小。提出了适用于SCFST短柱的轴压承载力计算式,在研究参数范围内计算式具有较好的计算精度。     

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。     

轴心受压双钢管混凝土短柱正截面受压承载力理论分析及试验研究

研究了由同心设置的内、外圆钢管构成的轴心受压双钢管混凝土短柱正截面受压承载力,分析了单钢管混凝土柱与双钢管混凝土柱的受力机理,并根据纤维模型法原理,采用适用于钢管混凝土受力特性的钢材与混凝土材料本构关系,给出了轴心受压双钢管混凝土短柱的荷载-位移全过程数值分析和正截面承载力计算公式。进行了5个双钢管混凝土短柱的轴心受压试验,验证理论分析的正确性。理论分析与试验研究表明:轴心受压双钢管混凝土短柱与单钢管混凝土柱的受力全过程都可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。双钢管混凝土短柱的破坏形态为腰鼓形,其外层混凝土的工作性能与单钢管中的混凝土大致相同,但内钢管中的内层混凝土受到的约束效应较大,且不是内、外钢管对它的约束效应的叠加,因此对内层混凝土约束效应的确定是计算承载力的关键。通过与相同含钢率的轴心受压单钢管混凝土短柱受力过程的对比得出:双钢管混凝土柱的承载力明显高于单钢管混凝土柱,且具有非常好的延性和整体     

High strength circular concrete-filled steel tubular slender beam-columns, Part II: Fundamental behavior

There is relatively little experimental and numerical research on the fundamental behavior of high strength circular concrete-filled steel tubular (CFST) slender beam-columns. In a companion paper, a new numerical model for predicting the nonlinear inelastic behavior of high strength circular CFST slender beam-columns under axial load and bending was presented. The numerical model developed accounts for confinement effects on the strength and ductility of the concrete core and on circular steel tubes as well as initial geometric imperfections of beam-columns. This paper presents the verification of the numerical model and extensive parametric studies on the fundamental behavior of high strength circular CFST slender beam-columns. The ultimate strengths and axial load-deflection responses of circular CFST slender beam-columns under eccentric loading predicted by the numerical model are verified by corresponding experimental results. The computer program implementing the numerical model is used to investigate the fundamental behavior of high strength circular CFST slender beam-columns in terms of load-deflection responses, ultimate strengths, axial load-moment interaction diagrams, and strength increase due to concrete confinement. Parameters examined include column slenderness ratio, eccentricity ratio, concrete compressive strengths, steel yield strengths, steel ratio and concrete confinement. It is demonstrated that the numerical model developed is an efficient computer simulation and design tool for high strength circular CFST slender beam-columns. Benchmark numerical results presented in this paper are valuable in the development of composite design codes for high strength circular CFST slender beam-columns.     

带肋方钢管混凝土轴压短柱试验研究及有限元分析

以方钢管宽厚比和加劲肋高厚比为主要变化参数,进行了14个带肋方钢管混凝土轴压短柱试验研究;同时采用有限元软件ABAQUS对带肋方钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形关系进行了计算,计算结果与试验结果吻合良好。同时从应力-应变关系、核心混凝土和钢管的纵向应力分布及其相互作用等方面对比分析了无肋、单肋和双肋方钢管混凝土轴压短柱的受力性能。分析结果表明：设置加劲肋不仅提高了核心混凝土的纵向应力,而且明显减小了钢管管壁的拉应力区范围,改善了管壁的稳定性;带肋试件的约束作用主要集中在钢管角部和加劲肋处,随着每边加劲肋数量的增加,角部约束力明显增大。图13表1参11     

拉筋接触方式对高轴压比钢管混凝土柱抗震性能影响试验研究

高轴压比下的钢管混凝土柱抗震性能较差,端部拉筋能够有效提高钢管混凝土柱的抗震能力,但拉筋与钢管壁焊接施工困难,不利于工程应用。为了研究拉筋笼与钢管壁间接触方式对钢管混凝土柱整体抗震性能的影响,通过对2个圆形和4个方形截面高轴压比端部带拉筋的钢管混凝土柱进行水平低周往复荷载作用下的试验研究,分析不同接触方式对其破坏形态、滞回耗能能力、骨架曲线、弹性刚度、承载力、延性系数、刚度退化和残余变形率的影响规律。结果表明：拉筋笼与钢管内壁焊接能够加强拉筋和钢管对混凝土的约束作用,从而增加构件的整体刚度。同时,塑性铰处钢管鼓曲幅值与局部屈曲长度明显降低,因此获得了更高的弹性刚度、承载力和滞回耗能能力;外径尺寸和其他设计参数相同时,常用拉筋笼约束方式下方钢管混凝土柱比圆钢管混凝土柱具有更大的抗弯刚度、承载力和塑性耗能能力,且破坏时始终表现为塑性压铰,而带拉筋圆钢管混凝土柱在破坏后往往由塑性压铰转变为拉铰。     

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。