Experimental study on dynamic response of box concrete-encased CFST columns under lateral impact

为研究箱形钢管混凝土叠合柱抗冲击性能,利用自主研发的落锤式试验机进行了箱形叠合柱冲击试验,研究了边界条件、冲击高度和轴压比对冲击力时程、跨中位移、应变时程以及破坏形态的影响。试验结果表明：箱形叠合柱在冲击荷载作用下发生弹塑性破坏;随冲击高度的增加,冲击力时程曲线由两段式发展为三段式,柱破坏形态表现为外层混凝土开裂且剥落明显,但内部钢管混凝土跨中冲击部位钢管无局部屈曲;两端固定时的抗冲击性能较两端简支时增强;而轴力对其动力响应影响不显著。     

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。     

钢管混凝土柱抗震性能比较

对往复荷载作用下钢管混凝土柱进行有限元模拟,并与试验结果做比较。结果表明,计算值和试验值吻合较好。在此基础上,分别模拟计算同等条件下钢管混凝土柱和钢筋混凝土柱,分析对比钢管混凝土柱和钢筋混凝土柱的承载力、延性、耗能和刚度退化等力学性能。研究表明:同等条件下,钢管混凝土柱的最大承载力为钢筋混凝土柱的1.55倍,延性系数为1.53倍。钢管混凝土柱耗能指标均大于钢筋混凝土柱,表明钢管混凝土柱比钢筋混凝土柱具有更好的抗震性能。     

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。     

侧向冲击作用下圆钢管-钢骨混凝土柱抗冲击性能研究

为研究钢管-钢骨混凝土柱的抗冲击性能,利用非线性有限元软件ABAQUS建立了圆钢管-钢骨混凝土柱数值模型。并与已有冲击试验进行对比验证,以保证建模方法的正确性。基于验证后的建模方法研究了侧向冲击作用下圆钢管-钢骨混凝土柱的抗冲击性能,重点分析了冲击质量、冲击速度、钢管壁厚、轴压比和长细比对圆钢管-钢骨混凝土柱抗冲击性能的影响,并对比分析了不同截面形式复合柱的抗冲击性能。结果表明：随着冲击质量和冲击速度的增大,冲击力峰值、冲击力平台值、跨中挠度及冲击力持续时间增长;合理增加钢管壁厚和内插钢骨可以明显改善柱的抗冲击性能;在用钢量和混凝土用量相同时,圆钢管混凝土柱抗冲击性能最优,圆钢管-钢骨混凝土柱次之,方钢管-钢骨混凝土柱较差。     

Compressive behavior of circular CFST columns externally reinforced using CFRp composites

Over the last several decades, various approaches to strengthening steel structures through the use of Carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites have been investigated; however, most of the studies have been focused on the steel tubes. This paper presents the feasibility analysis on the application of CFRP composite strips to strengthen the CFST column member under axial loading. CFRP strips having a width of 50 mm were used to confine the columns. The experimental parameters were the spacing between the CFRP strips (20 and 30 mm) and number of CFRP layers (one, two and three layers). All columns were tested under axial compression until failure. The experimental results revealed that bonding of CFRP composites effectively delayed the local buckling of the columns and also reduced the axial deformation by providing a confinement/restraining effect against the elastic deformation at both spacings. The confinement effect provided by CFRP composites was increased with the increase in the number of layers; however, the enhancement in buckling stress was not proportional. The load carrying capacity of the column increased with the application of CFRP strips, by up to 30% compared to the of un-strengthened column. From the test results it is suggested that the application of CFRP strips at a spacing of 20 mm or 30 mm is suitable for strengthening of a CFST circular column member; however, the application of strips at intervals of 30 mm recommended as an economical approach to strengthening compared to the 20 mm spacing. Finally, an analytical equation was proposed to predict the load carrying capacity of the CFRP strengthened CFST column, and the average difference between the calculated and experimental value was only ±5%.     

侧向冲击下钢管混凝土(CFST)构件的性能:试验和有限元模型

研究钢管混凝土(CFST)构件的冲击特性。通过一系列试验来获得侧向冲击下受冲击力影响的组合构件的失效模式和时程分析。试验参数包括CFST样本的轴向载荷等级、约束因素和冲击能。建立一个包含钢筋和混凝土材料应变率效应、钢管和核心混凝土间相互作用以及外部钢管对核心混凝土约束效应的有限元模型。试验数据被用于验证有限元模型的准确性且基本上与之吻合。同时使用有限元模型进行了CFS冲击性能的全过程分析。     

大直径钢管混凝土柱抗震性能试验研究及承载力计算

为研究径厚比对大直径钢管混凝土柱抗震性能的影响,进行了2个直径600mm圆钢管混凝土柱试件在恒定轴向压力和水平往复荷载作用下的加载试验,对比分析了不同径厚比(分别为37.5、50.0)试件的破坏形态、滞回特性、钢管应变发展规律以及核心配筋的受力情况。试验结果表明：大直径钢管混凝土柱在压弯荷载作用下,滞回曲线非常饱满,耗能性能优越,均表现出良好的变形能力。随着试件径厚比加大,最大位移角与等效阻尼比均略有减小。柱根部混凝土压溃、钢管鼓曲主要发生在支座底板与下部第一排栓钉之间,栓钉对管壁面外变形具有明显的约束作用;当径厚比较小时,钢管管壁对混凝土的约束作用较强,残余变形较小。核心纵向钢筋基本处于弹性状态,箍筋未屈服,对内部混凝土的约束作用较小,但钢筋与混凝土之间存在明显的滑移现象。大直径钢管混凝土压弯构件的受弯承载力试验值显著高于按照我国现行相关规范、规程公式得到的计算值,说明采用我国现行相关技术规范中的承载力计算公式进行大直径钢管混凝土柱设计,结果偏于安全。     

带环板的穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点有限元分析

本文通过对带环板的穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点的有限元分析结果与试验结果的对比,探讨了用有限元分析钢管混凝土柱节点的方法和可行性。     

五边形截面钢管混凝土巨型柱受压性能试验研究

为研究某超高层结构中五边形截面钢管混凝土巨型柱的受压性能,设计了6个1/5缩尺的柱模型试件,试件分为钢管内不分腔体仅配钢筋、钢管内分腔体不配钢筋、钢管内分腔体配置钢筋、钢管内分腔体配置钢筋且分腔隔板及竖向肋板在柱中部断开4种类型,对试件进行轴压和偏压试验。为研究试件刚度随加载循环次数的退化,采用单向重复荷载加载,对比研究了各试件的承载力、刚度及退化过程、破坏特征和平截面假定的适用性。试验表明：五边形截面钢管混凝土柱,钢管内不分腔体仅配钢筋的试件承载力较差;钢管内分腔体不配钢筋的试件与配钢筋的试件相比,虽承载力相差不大,但后期承载力下降较快;偏压试件与等截面轴压试件相比,承载力相对小,刚度退化速度较慢;腔体的分腔隔板及竖向肋板若在中部断开,造成刚度突变;腔体内设置竖向和水平肋板,对提高外壁钢板的稳定性有明显的作用;截面变形基本符合平截面假定。     

T形钢管混凝土柱-工字钢梁框架顶层边节点抗震性能试验研究

选择T形截面钢管混凝土异形柱-工字钢梁框架顶层边节点为研究对象,按1∶2的缩尺比例设计并制作3个“弱节点”模型和1个“强节点”模型,通过施加恒定轴压比的竖向荷载和低周往复水平荷载,对节点模型进行加载破坏试验,观察节点模型的受力过程和破坏形态,得到水平荷载-柱端位移滞回曲线和骨架曲线,分析节点荷载特征值、延性、耗能以及刚度退化等。试验结果和分析表明：弱节点试件破坏形态主要为节点核心区在剪压复合应力作用下的剪切破坏,随轴压比增大,试件受剪承载力提高,但其延性和耗能能力有所下降;强节点试件破坏形态为钢梁的局部屈曲破坏,节点区基本完好,滞回曲线饱满,延性系数为3.89;合理地设计钢管混凝土异形柱-钢梁框架边节点,可满足抗震延性要求,实现“强柱弱梁,节点更强”的抗震设计目标。     

Effects of debonding on circular CFST stub columns

Core concrete subjected to confinement effect from steel tube is the main advantage of concrete filled steel tubular (CFST) column under compression. However, this beneficial composite action could be weakened even destroyed by debonding, which is almost unavoidable as a common phenomenon in CFST structures and has not been considered satisfactorily by current design codes. In this paper, the influence of debonding on circular CFST stub columns was investigated experimentally and numerically. The main experimental parameters were the debonding arc-length ratio, the confinement factor and the load mode. Meanwhile, the finite element models were implemented using the ABAQUS finite element software, of which the validity and accuracy were verified by test results. Utilising the finite element model, the parametric analysis was carried out to study the influence of the following parameters on the ultimate load capacity of debonding specimens: debonding arc-length ratio, debonding thickness and confinement factor. Based on the results of parametric analysis, a simplified calculation formula was proposed to calculate the ultimate load capacity of circular CFST stub columns with debonding.     

不同加载方向下五边形截面钢管混凝土巨型柱抗震性能试验研究

为研究五边形钢管混凝土巨型柱不同加载方向的抗震性能,设计了6个1/7.5缩尺的巨型柱模型试件,试件截面构造包括单腔体腔内配置钢筋、4腔体腔内未配置钢筋和4腔体每腔体内配置钢筋。进行了两种不同加载方向的拟静力研究,一种沿截面对称轴方向加载,另一种沿垂直截面对称轴方向加载。分析了各试件的破坏特征、滞回特性、承载力、延性、刚度退化和耗能性能。结果表明：五边形截面钢管混凝土巨型柱三种截面构造中,4腔体每腔体内配置钢筋的试件抗震能力较强;不同加载方向五边形截面钢管混凝土巨型柱受力性能有明显差异,设计中应考虑两个方向抗震能力的均衡性;五边形截面钢管混凝土巨型柱,屈服位移角均值为1/75,最大弹塑性位移角均值达1/24,具有良好的延性。     

Water-pressure test and determination of welding-throat-depth for welded built-up square CFST column

Welding process and throat depth are essential to reduce construction costs of steel tubes. However, the resulting welds should be checked to ensure construction safety especially when wet concrete is to be pumped into the tubes. In the past, tests (Mock-up Test) using actual size specimens were conducted to verify the feasibility of welding throat depth (WTD) during the concrete casting stage on site. However more than often, this is inapplicable owing to the high testing costs, difficulties in disposing of test specimens with wet concrete, and lack of suitable places to conduct tests. Accordingly, this study suggested a water pressure test method and carried out 6 tests on welded built-up square concrete-filled steel tubular (CFST) columns to evaluate the WTD safety. Recommendations are made for the WTD selection.     

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。     

不同腔体构造圆钢管混凝土短柱抗震性能试验

为研究不同腔体构造对圆钢管混凝土短柱抗震性能的影响,进行了3个不同腔体构造的大截面尺寸圆钢管混凝土短柱试件的低周反复荷载试验。试件钢构件分别为圆钢管、圆钢管腔内焊接环向及竖向肋板并设置钢筋笼以及圆钢管内置圆钢管,其中后两者钢构件用钢量相等。各试件的轴力均相等。分析了各试件的承载力、刚度退化、滞回特性、延性、耗能及破坏特征。研究表明：竖向肋板的设置可以提高构件的受弯承载力;环向肋板可以显著约束钢管径向变形;内置圆钢管强化了核心区混凝土的约束,使得外钢管弹塑性变形能力增强;含钢率相等条件下,圆钢管内置圆钢管混凝土短柱与圆钢管腔内焊接环向及竖向肋板并设置钢筋笼混凝土短柱相比,虽然水平承载力略有下降,但是其延性系数和累积耗能能力有显著提高;3个不同腔体构造圆钢管混凝土短柱的等效黏滞阻尼系数分别为0.41、0.53、0.58,均具有较好的耗能性能。圆钢管混凝土柱在压、弯、剪复合受力状态下的承载力试验值高于按照我国规范和规程所得出的计算值,表明我国规范和规程在计算足尺试件承载力时,结果偏于安全。     

基于MIDAS/Gen型钢混凝土结构静力弹塑性分析

提出按照等代刚度的原则,介绍一种运用＂等效柱＂代替原结构中的矩形钢管混凝土柱,进行静力弹塑性分析的方法,并能在实际工程中得到应用,结果显示,该方法解决了对带有复杂截面的构件进行弹塑性分析的问题。     

焊接组合方钢管柱的结构性能

焊接方钢管由4块L型的薄钢板电弧焊而成。当被用于CFST柱的时候,在混凝土中心位置和钢管内设置加劲肋防止局部屈曲。由于钢管约束混凝土,提高了结构承载力。介绍了如何制作焊接组合方钢管柱,并计算焊接组合方钢管和CFST柱的结构承载力。制作了15个采用不同钢管形式(焊接组合方钢管和一般钢管)、不同宽厚比(B/t=50,58,67)和不同混凝土强度(Fck=10,40MPa)的足尺试件用于试验,以确定焊接组合方钢管柱的拼接效能和结构优越性。     

T形截面钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点地震损伤试验研究

为研究T形截面钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点在不同形式的水平荷载作用下的损伤演化规律,设计并制作了11个缩尺比为1/2的框架节点,设计参数为加载模式(低周往复加载、低周往复-单调混合加载、位移等幅循环加载、单调重复加载)、肢高肢厚比(2、3)和轴压比(0.2、0.3、0.4)。分析了节点的破坏形态、荷载-位移曲线和滞回耗能等特性。结果表明：T形截面钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点核心区主要发生剪切斜压破坏,滞回曲线饱满,无明显捏缩效应,破坏时的等效黏滞阻尼系数为0.317～0.396,耗能能力较好;节点耗能能力随轴压比的增大逐渐降低;随着累积耗能和变形的增加,节点的延性逐渐降低;进行位移等幅循环加载时,加载幅值越大,节点的累积损伤发展得越快,破坏时经历的循环次数越少;增加肢高肢厚比可以有效提高节点的承载力和极限变形能力,延缓节点核心区累积损伤的发展。基于试验结果,考虑塑性变形、加载路径和滞回耗能对节点地震损伤的影响,提出了改进的双参数损伤模型,给出了节点在各特征状态下的损伤指数。结果表明,改进模型计算结果与试验结果吻合较好,该模型能较准确地评估T形截面钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点的地震...     

十字形钢管混凝土柱框架中节点抗震性能试验研究

以十字形截面钢管混凝土异形柱-钢梁框架中柱节点为研究对象,按1∶2比例设计了4个弱节点和强节点模型,通过施加恒定轴压比的竖向荷载和低周反复水平荷载,对节点模型进行了加载破坏试验。试验结果表明:弱节点试件破坏形态为节点核心区剪切破坏,随轴压比增大,试件受剪承载力提高,但其延性性能降低;强节点试件破坏形态为梁端受弯破坏,破坏前经历了较大的塑性变形,延性系数达到了5.65。由此可见,合理地设计钢管混凝土异形柱-钢梁框架中节点,可保证其延性破坏,实现"强柱弱梁,节点更强"的设计原则,满足抗震性能要求。