中空夹层钢管混凝土试件抗冲击试验研究及有限元分析

为研究中空夹层钢管混凝土试件的抗冲击性能,利用DHR-9401式落锤试验机对6根中空夹层钢管混凝土和2根双层空钢管试件进行抗冲击试验研究。通过冲击力传感器、高速摄影仪和动态应变仪记录不同冲击能量下中空夹层钢管混凝土的冲击力、跨中挠度和特定点的应变,并对比中空夹层钢管混凝土直管、锥管、双层空直管和双层空锥管试件的抗冲击性能。最后基于非线性有限元软件ABAQUS对试验进行模拟。研究结果表明:中空夹层钢管混凝土试件的抗冲击性能明显优于双层空钢管试件的抗冲击性能;中空夹层钢管混凝土直管试件的抗冲击性能优于锥管试件;随着冲击能量的增加,试件的变形随之增大;模拟结果与试验结果吻合较好。     

侧向冲击下实心夹层钢管混凝土柱力学性能研究

利用有限元软件ABAQUS建立中空夹层钢管混凝土柱抗冲击有限元模型,考虑钢材和混凝土应变率效应,并分析轴力和冲击共同作用下其抗冲击性能。研究表明,该有限元模型结果与现有试验结果拟合较好。依据此模型建立方法研究了落锤侧向冲击实心夹层钢管混凝土柱的力学性能,并探讨了钢材屈服强度、混凝土强度等级、钢材应变率效应以及混凝土应变率效应对实心夹层钢管混凝柱抗冲击性能影响。分析结果表明:钢材屈服强度、钢材和混凝土应变率效应都会影响实心夹层钢管混凝土柱的抗冲击力学性能。而混凝土强度等级对于实心夹层钢管混凝土柱的抗冲击力学性能的影响并不明显。     

中空夹层混凝土内管屈曲分析

为确定大直径中空夹层混凝土柱中内钢管在混凝土作用下的稳定性能,对5000mm长的圆钢管开展了有限元线性屈曲分析,在此基础上,采用高级弧长法对圆钢管进行了非线性失稳分析,建模和求解过程中考虑了几何和材料双重非线性的影响,得到了内钢管结构变形最大点的全过程荷载-位移曲线以及单元和节点的应力分布图.给出中空夹层混凝土柱中内圆...     

Mechanical behavior of concrete filled double skin steel tubular columns under cyclic pure torsion

为研究中空夹层钢管混凝土柱在扭矩作用下的滞回性能,以截面形式和空心率为主要参数,开展了4个中空夹层钢管混凝土柱试件在扭矩作用下的拟静力试验,得到了中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下的破坏模式和扭矩-转角关系曲线。试验结果表明：中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下的扭矩-转角滞回曲线较为饱满,没有出现“捏拢”现象,卸载刚度与初始弹性刚度接近,具有较好的耗能能力。往复扭矩作用下,圆形截面中空夹层钢管混凝土柱的扭转性能较方形截面中空夹层钢管混凝土柱更优。在截面外轮廓形状和尺寸相同的条件下,空心率对中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下扭转性能的影响不大。     

往复纯扭作用下中空夹层钢管混凝土柱受力性能研究

为研究中空夹层钢管混凝土柱在扭矩作用下的滞回性能,以截面形式和空心率为主要参数,开展了4个中空夹层钢管混凝土柱试件在扭矩作用下的拟静力试验,得到了中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下的破坏模式和扭矩-转角关系曲线。试验结果表明:中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下的扭矩-转角滞回曲线较为饱满,没有出现"捏拢"现象,卸载刚度与初始弹性刚度接近,具有较好的耗能能力。往复扭矩作用下,圆形截面中空夹层钢管混凝土柱的扭转性能较方形截面中空夹层钢管混凝土柱更优。在截面外轮廓形状和尺寸相同的条件下,空心率对中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下扭转性能的影响不大。     

局部加载下中空夹层钢管混凝土的试验研究

对局部受压下的中空夹层钢管混凝土进行试验研究。分别对含内外两层钢管的14个圆形构件和15个方形试件进行试验,试验参数包含:空心率、顶端板厚度、局压面积比。结果表明:局部受压下中空夹层钢管混凝土呈现延性。各试验参数对局部受压中空夹层钢管混凝土短柱的性能和破坏模型有很大影响。最后,提出分析局部受压下中空夹层钢管混凝土承载力的简化计算模型。     

圆锥形中空夹层钢管混凝土偏压构件受力性能研究

将圆锥形中空夹层钢管混凝土用于风电塔筒或输电塔架时,为满足在塔筒内设置设备等需求而将该类构件空心部分加大。为研究该类构件的偏压受力性能,进行了12个大空心率下的圆锥形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件的试验研究,主要试验参数为荷载偏心率和长细比。利用ABAQUS软件建立有限元分析模型,对圆锥形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件的典型破坏模态和荷载-变形关系曲线进行模拟,所得计算结果与试验结果基本吻合。通过典型算例分析了受力过程中钢管和混凝土各自所承担的荷载和纵向应力分布情况,同时分析了内、外钢管与混凝土之间相互作用力的变化情况。结果表明：偏心率和长细比对圆锥形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件承载力及刚度有显著影响;该类构件力学行为与等截面圆中空夹层钢管混凝土偏心受压构件类似,锥度的存在使破坏位置从等截面柱的中部上移到锥形柱的3/4柱高处(柱顶处),因此在设计大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土偏压(压弯)构件时应考虑柱头处加强。同时,对该类构件压弯承载力计算方法给出了建议。     

方中空夹层钢管混凝土柱的承载力及影响因素分析

采用双剪统一强度理论,对轴心受压下的方中空夹层钢管混凝土短柱的受力性能进行了理论分析.引入考虑厚边比影响的等效约束折减系数和混凝土强度折减系数,将方中空夹层钢管混凝土等效为圆中空夹层钢管混凝土,在厚壁圆筒统一强度理论的基础上,结合钢管混凝土统一理论,推导出方中空夹层钢管混凝土柱的极限承载力,并对影响因素进行了分析.与有关文献的试验结果进行比较,结论基本一致,证明统一强度理论对方中空夹层钢管混凝土的理论分析有很好的适用性.该结果为方中空夹层钢管混凝土承载力的分析计算提供了一定的理论依据.     

外圆内方中空夹层钢管混凝土柱轴压性能分析

文中以外钢管的径厚比及内钢管的宽度与外钢管的直径之比(简称宽径比)作为设计变量,分析外圆内方中空夹层钢管混凝土柱在轴向荷载作用下的力学性能。试验结果表明,构件的破坏形态可分为两种,即与核心区混凝土剪切破坏有关的局部屈曲和双钢管的局部屈曲。构件的轴向承载能力取决于上述两种破坏形态。与其他因素相比,宽径比对破坏形态的影响程度较大。此外,本文还分析了内外钢管在平面应力状态下的双轴弹塑性受力性能,并提出计算外圆内方中空夹层钢管混凝土柱的轴向承载力的方法。     

矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件的试验研究

对6根矩形中空夹层钢管混凝土和1根矩形实心钢管混凝土短柱试件进行轴压试验,研究了内外钢管的长宽比对短柱的力学性能的影响。试验结果表明:比较内管相同的试件,外管截面尺寸较大者其轴压承载力略高;比较外管相同的试件,由于混凝土的减少和内管的局部屈曲,轴压承载力随内管的增大略有下降,本次试验中的实心钢管混凝土短柱的轴压承载力略高于中空夹层钢管混凝土短柱。同时用ABAQUS有限元软件对试件轴压全过程进行了模拟,计算结果与试验结果吻合良好。     

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。     

中空夹层薄壁钢管混凝土柱偏心受压性能研究

为考察偏心距和长细比对采用带纵向加劲肋的薄壁外管中空夹层钢管混凝土柱受力性能的影响,进行5个方套圆中空夹层薄壁钢管混凝土长柱的偏压试验。试验结果表明:构件的极限荷载随着偏心距和长细比的增大而下降;该类构件的延性低于传统中空夹层钢管混凝土柱。针对试验模型,对中空夹层薄壁钢管混凝土偏压柱进行了有限元模拟,有限元计算结果和试验结果吻合较好。基于有限元模型开展了机理分析和参数分析,结果表明:外部薄壁钢管的约束主要集中在横截面角部很小的范围,核心混凝土承担了大部分荷载;混凝土强度、钢材屈服强度、径厚比、径宽比、长细比直接影响轴力-弯矩相关曲线的形状。基于研究成果,提出了中空夹层薄壁钢管混凝土柱偏心受压时承载力的简化计算式,供工程实际参考。     

圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件抗震性能

选取合理的材料本构模型和混凝土损伤指标,通过ABAQUS软件建立圆锥形中空夹层钢管混凝土构件数值模型,并采用现有试验数据进行模型验证。在此基础上建立典型算例,分析典型算例的抗震性能指标,同时描述构件的破坏模态。对轴压比、空心率和长细比这3个对圆锥形中空夹层钢管混凝土抗震性能指标影响较为显著的参数进行分析,探究3个参数对滞回曲线极限承载力、延性系数和耗能能力的影响规律。比较圆锥形中空夹层钢管混凝土与不同截面尺寸的等截面圆中空夹层钢管混凝土抗震性能的差别,探究圆锥形中空夹层钢管混凝土与何种截面尺寸的圆中空夹层钢管混凝土可以实现抗震性能上的等效。结果表明:在一定范围内,轴压比和长细比的增大使得构件的耗能性能变差,空心率的增大使得构件的耗能性能变好,但需明确各参数的限值; 截面面积减小使得构件的承载力降低、耗能性能变差; 圆锥形中空夹层钢管混凝土的抗震性能与距其底部1/4高度处截面大小的圆中空夹层钢管混凝土等效。     

Mechanical behaviors of T-shaped concrete-filled steel tubular columns under axial impact

为研究T形截面钢管混凝土短柱在轴向冲击荷载作用下的承载力,以及钢管内混凝土应力分布特点,将PVDF压电薄膜制作成一种可植入式压电应力传感器埋置在钢管内混凝土中,对T形截面钢管混凝土短柱进行轴向落锤冲击试验。通过PVDF电压应力传感器监测数据的转换获得钢管内混凝土应力变化规律,同时获得不同冲击高度下T形截面钢管混凝土短柱的冲击力时程曲线和抗冲击承载力。试验结果表明：T形截面钢管混凝土短柱具有较好的抗冲击性能,壁厚大的钢管混凝土柱其冲击力峰值较大,竖向变形较小、冲击持续时间较短,增加钢管壁厚可提高对混凝土的约束作用,增强钢管混凝土柱的抗冲击承载能力。     

轴向冲击荷载下T形截面钢管混凝土柱受力性能研究

为研究T形截面钢管混凝土短柱在轴向冲击荷载作用下的承载力,以及钢管内混凝土应力分布特点,将PVDF压电薄膜制作成一种可植入式压电应力传感器埋置在钢管内混凝土中,对T形截面钢管混凝土短柱进行轴向落锤冲击试验。通过PVDF电压应力传感器监测数据的转换获得钢管内混凝土应力变化规律,同时获得不同冲击高度下T形截面钢管混凝土短柱的冲击力时程曲线和抗冲击承载力。试验结果表明:T形截面钢管混凝土短柱具有较好的抗冲击性能,壁厚大的钢管混凝土柱其冲击力峰值较大,竖向变形较小、冲击持续时间较短,增加钢管壁厚可提高对混凝土的约束作用,增强钢管混凝土柱的抗冲击承载能力。     

钢管混凝土在两次侧向冲击下的动力响应分析

利用落锤冲击试验研究了钢管混凝土组合结构在两次侧向冲击作用下的抗冲击性能,分析了该组合结构在侧向冲击下的变形机理,并获取了钢管混凝土试件在每次冲击过程中的冲击力时程曲线以及每次冲击后的跨中整体弯曲变形和凹陷变形数据。试验结果表明:钢管及其壁厚对钢管混凝土结构的抗冲击能力和整体弯曲变形的大小有显著影响;混凝土有效限制了结构的凹陷变形。通过无量纲量吸能系数,能够量化衡量钢管混凝土结构在每次冲击作用下的吸能能力。相比于的空钢管,钢-混凝土组合作用使得钢管混凝土结构在两次冲击荷载作用下显示了良好的抗冲击性能,即具有更小的整体弯曲和凹陷变形,以及很高的吸能能力。     

圆锥形中空夹层钢管混凝土压扭构件力学性能分析

为了研究圆锥形中空夹层钢管混凝土在压扭复合受力下的力学性能,通过有限元软件ABAQUS建立了圆中空夹层钢管混凝土压扭构件的数值模拟模型,并与已有的试验结果进行对比,验证了模型的正确性。用同样建模方法对圆锥形中空夹层钢管混凝土压扭构件进行了数值分析,分析了该类构件在压扭复合作用下的扭矩-转角全过程关系曲线、各部件的承载力分配等,讨论了轴压比、空心率、锥度、混凝土强度及钢管强度对构件受力性能的影响规律。结果表明:构件的扭矩-转角全过程曲线可以分为弹性、弹塑性、塑性强化三个阶段;加载过程中轴压比、混凝土强度、内钢管强度和空心率的变化对其极限扭矩的影响较小,锥度和外钢管强度的变化对该类构件抗扭承载力影响较大。本文所建议的抗扭承载力计算方法与数值模拟结果吻合良好。     

八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能的研究

在总结圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土柱受力性能与工程应用优缺点的基础上,提出采用八边形中空夹层钢管混凝土结构的合理性。对八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能进行试验分析,得到构件各组成部分的荷载-应变关系曲线和极限承载力值,由试验现象与试验结果发现八边形截面中空夹层钢管混凝土柱的承载能力比方形截面柱承载能力高,比圆形截面柱承载能力稍低,且与八边形直边与斜边之比相关。为拓展此类构件应用的几何尺寸范围,在确定材料合理的应力-应变关系模型后,采用有限元方法进一步分析此类构件的力学性能,由此得到的荷载-应变关系曲线以及构件承载力与试验结果能较好地吻合。通过对影响构件承载能力各主要参数的分析,利用试验与数值模拟结果,提出轴压条件下八边形中空夹层钢管混凝土短柱极限承载力的计算公式,供工程设计人员参考。     

标准火灾作用下钢管混凝土短柱落锤动态冲击试验研究

采用落锤冲击实验机进行ISO-834标准火灾作用下钢管混凝土短柱抗冲击性能试验研究,考察受火时间、冲击速度、冲击能量和含钢率对其抗冲击性能的影响。试验量测钢管表面温度、冲击力与压缩变形时程曲线。试验结果表明,受火时间、冲击速度、冲击能量和含钢率均对高温下钢管混凝土的动态力学性能有影响;受火时间对冲击极限承载力和残余变形的影响最为显著,其余参数对冲击承载力影响不大,而试件的残余变形随着受火时间和冲击能量的增大而增大,随着含钢率的增大而减小。常温和火灾下钢管混凝土在冲击荷载作用下产生显著的压缩变形,遭受不同程度的破坏,但仍能够保持很好的截面完整性,说明钢管混凝土在火灾(高温)下具有良好的抗冲击能力,适用于有火灾(高温)抗冲击、抗倒塌设计需求的结构。     

八边形中空夹层钢管混凝土偏心受压柱的试验研究

以长细比和偏心率为变化参数,对4个八边形中空夹层钢管混凝土偏心受压构件进行试验研究。通过对试验现象和试验结果的详细分析,总结出此类构件的一些力学特点,并与相同条件下的圆中空夹层钢管混凝土、方中空夹层钢管混凝土进行比较,发现其承载能力比方形截面柱高,比圆形截面柱稍低。其承载力影响因素主要有构件的轴压性能、抗弯性以及偏心率。在分析试验结果和利用数值分析的基础上,提出压弯构件承载力验算公式,与试验结果吻合良好。