Experiment and FEA of impact resistance of CFST columns with circular cross-section

为研究钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的受力性能,通过对圆钢管混凝土柱进行横向落锤冲击试验,获得柱在冲击荷载作用下的破坏形态、整体变形和应变分布规律,分析了冲击力和试件跨中挠度时程曲线的特征;并通过有限元分析,研究了钢材和混凝土强度等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响。研究结果表明：在试验参数范围内,随着冲击能量的增加,试件冲击力峰值、跨中挠度峰值、冲击持续时间增加;含钢率较大试件的冲击力峰值和冲击力平台值较大,跨中挠度峰值较小、冲击持续时间较短;钢材屈服强度对试件抗冲击性能的影响较大,而混凝土抗压强度对试件抗冲击性能的影响则相对较小。     

水平冲击荷载作用下钢管混凝土柱动力响应试验与数值模拟

为研究钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的动力性能,进行了2根圆形钢管混凝土柱的水平冲击试验,实测了冲击过程中冲击力、冲击点位移时程曲线及冲击力-位移曲线等冲击响应。建立了ABAQUS非线性有限元模型,对破坏模态及冲击力、冲击点位移时程曲线等动态响应进行模拟,模拟结果与试验结果吻合良好,进而用有限元模拟结果揭示了钢管混凝土柱在冲击荷载下的破坏机理,即整体失效过程分为冲击区局部响应、柱顶支座响应、稳定响应和卸载响应4个阶段。结果表明:在冲击荷载作用下,钢管混凝土柱发生弯剪型破坏;所得结论为深入认识钢管混凝土柱的抗冲击行为和破坏形态提供了试验与理论基础,可为今后研究制定合理的抗冲击设计方法提供依据。     

Research on seismic behavior and restoring force model of circular steel tubular columns after impacts

为研究冲击荷载作用后圆钢管柱的抗震性能，对12个受冲击荷载作用后的圆钢管柱和3个未受冲击荷载作用的对比柱进行了拟静力试验，研究了冲击高度和轴压比等因素对圆钢管柱破坏模式、滞回性能、延性、刚度退化和耗能能力的影响。基于拟静力试验结果，建立了考虑冲击高度和轴压比参数影响的圆钢管柱恢复力模型。结果表明：冲击高度和轴压比对圆钢管柱的滞回性能均有显著影响，随着冲击高度的增加，滞回曲线由饱满对称的梭形逐渐变为狭窄不对称的梭形，圆钢管柱水平承载力和变形能力逐渐下降，延性和耗能能力显著下降；随着轴压比的增长，滞回曲线的饱满程度显著降低，圆钢管柱承载力和极限位移减小，延性和耗能能力显著降低；受冲击荷载作用后的圆钢管柱恢复力模型计算结果与试验数据吻合良好，可用于工程结构的抗震弹塑性分析。     

冲击荷载作用后圆钢管柱抗震性能与恢复力模型研究

为研究冲击荷载作用后圆钢管柱的抗震性能,对12个受冲击荷载作用后的圆钢管柱和3个未受冲击荷载作用的对比柱进行了拟静力试验,研究了冲击高度和轴压比等因素对圆钢管柱破坏模式、滞回性能、延性、刚度退化和耗能能力的影响。基于拟静力试验结果,建立了考虑冲击高度和轴压比参数影响的圆钢管柱恢复力模型。结果表明：冲击高度和轴压比对圆钢管柱的滞回性能均有显著影响,随着冲击高度的增加,滞回曲线由饱满对称的梭形逐渐变为狭窄不对称的梭形,圆钢管柱水平承载力和变形能力逐渐下降,延性和耗能能力显著下降;随着轴压比的增长,滞回曲线的饱满程度显著降低,圆钢管柱承载力和极限位移减小,延性和耗能能力显著降低;受冲击荷载作用后的圆钢管柱恢复力模型计算结果与试验数据吻合良好,可用于工程结构的抗震弹塑性分析。     

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。     

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。     

矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板H形截面组合短柱轴压性能试验研究

为研究矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板H形截面组合短柱(STHCC)的轴压性能,进行了16根STHCC短柱的轴压静力试验。主要研究参数包括约束效应系数、混凝土立方体抗压强度、翼缘钢管腹板厚度和柱长细比。通过轴压试验得到STHCC短柱试件的试验现象和破坏形态、荷载-位移曲线、钢管翼缘和蜂窝钢腹板的荷载-应变曲线,分析了四参数对STHCC短柱轴压承载力的影响规律及受力机理。结果表明：钢管的外表面会产生吕德尔滑移线,所有试件钢管混凝土翼缘均呈剪切型破坏;试件荷载-位移曲线大致可分为弹性、弹塑性、荷载下降和残余变形等四段。随着约束效应系数和蜂窝钢腹板厚度的增加,试件的轴压承载力逐渐提高;随着长细比的增大,试件的轴压承载力却逐渐下降。最后,通过引入组合效应修正系数和综合影响变量,建立了与试验结果吻合较好的STHCC短柱轴压承载力计算式,并给出了该类轴压短柱的设计建议。     

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。     

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。     

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。     

钢管高强混凝土组合柱的受剪性能及承载力计算

为了研究钢管混凝土组合柱的受剪机理及承载力,以剪跨比、箍筋形式、体积配箍率、轴压比和钢管尺寸为变化参数,设计了12个钢管高强混凝土组合柱进行受剪性能试验,分析组合柱的破坏过程及形态、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线、变形以及承载力等受力性能的变化规律.研究表明:组合柱破坏形态受剪跨比和箍筋形式的影响显著,除剪跨比1.5的...     

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。     

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。     

Experimental research on concrete-filled square steel tubular slender columns with inner I-shaped CFRP under axial compression

对7个内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土长柱进行了轴压性能试验研究,得到了荷载-跨中挠度曲线和荷载-应变曲线,并分析了其受力过程及破坏特征。试验结果表明：内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱的破坏模式为弯曲失稳破坏。随着长细比的增大,试件的承载力降低。试件的荷载-挠度曲线可分为弹性段、弹塑性段以及下降段。采用ABAQUS有限元分析软件对内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱受力性能进行有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。在此基础上,分析了长细比、混凝土强度、钢材强度、含钢率和有无CFRP对组合柱受力性能的影响。分析结果表明,长细比对柱的受力性能影响较大,随着长细比的增加柱的承载力明显下降;提高混凝土强度可以提高柱的承载力,但延性有所降低;提高钢材强度和增大含钢率均可以提高柱的承载力;设置工字形CFRP型材可以提高柱的承载力和变形能力。     

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。     

高轴压比下钢管高强混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

通过在约束边缘构件位置和截面中部设置多根钢管,形成了一组不同钢管布置形式的钢管高强混凝土组合剪力墙。通过对8片剪跨比为2.08的剪力墙试件在高轴压比（0.40~0.62）下的低周往复加载试验,研究其破坏形态、承载力、变形能力、滞回性能等。试验结果表明：试件的破坏形态为压弯作用下的受弯破坏,墙体根部混凝土压溃范围为整个试件宽度和300~400mm高度,钢管与混凝土之间没有出现明显的黏结滑移;在峰值荷载前,试件的截面应变分布基本符合平截面假定;与钢筋混凝土剪力墙相比,设置钢管后在轴向压力最大增加19%的情况下,受弯承载力提高了21%~43%,试件的屈服位移角达到1/300,峰值荷载时位移角不低于1/100,极限位移角达到1/75,个别试件接近1/40,变形能力提高了约30%,试件的滞回性能明显改善,表明所设计的钢管高强混凝土剪力墙具有良好的抗震性能和抗倒塌能力。     

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。     

Experimental study on seismic behavior of concrete filled steel tube columns under pure torsion and compression–torsion cyclic load

Based on the quasi-static test on eight CFST columns subjected to pure torsion and compression–torsion cyclic load, the torsion behavior of CFST columns with various section types, steel ratios and axial load levels was studied. The test results showed that the hysteretic curves of CFST columns under pure torsion and low compression–torsion cyclic load are very plump, which indicate that CFST columns have good seismic capacity. The unloading stiffness of CFST columns was equal to the initial elastic stiffness. The torsion capacity of CFST columns could be improved by the low compressive load, and the ductility was also good. But the torsion capacity of CFST columns would be reduced by the high compressive load. When CFST columns subjected to pure torsion, spiral diagonal compressive struts will be created in the in-filled concrete, and the axial components of the diagonal compressive force of the in-filled concrete was equal to the axial tensile force of the steel tube in order to satisfy the axial load equilibrium condition on the section, so the axial strain will be produced in the steel tube. The shear strain has good linear relationship with the rotation angle of the section when CFST columns subjected to pure torsion and compression–torsion combined action. Based on the test results and literatures available, the torsion mechanism of CFST columns was preliminarily analyzed.     

高轴压比下复式钢管混凝土柱 钢梁连接节点抗震性能试验

为了研究高轴压比下复式钢管混凝土柱 钢梁连接节点的抗震性能,按照现行规范设计了3个强柱弱梁型复式钢管混凝土外环板节点试件,进行了低周往复加载试验,研究其在高轴压比下的破坏形态、承载能力、变形能力以及耗能能力等。结果表明:增加水平环板的宽度可以有效提高节点的延性;锚固腹板加肋可以增加梁柱连接节点的初始刚度,增强节点的整体性,从而提高节点的承载能力和耗能能力;节点试件的破坏表现为钢梁翼缘首先发生屈服,随着水平荷载加大,试件同时出现梁端塑性铰和柱端塑性铰的破坏形态,锚固腹板加肋和水平环板加宽的试件在加载后期出现明显的柱端压弯破坏,各节点核心区应力较小,基本处于弹性阶段,因此高轴压比下复式钢管混凝土柱 钢梁连接节点可实现强节点要求,但不能满足“强柱弱梁”的抗震设防要求。