基于统一强度理论的钢管混凝土柱承载力计算

从Von Mises屈服准则和双剪统一强度理论出发,对钢管和核心混凝土的受力性能进行分析．从核心区混凝土所受侧向压应力的角度出发,基于大量实验数据,得到核心区混凝土约束系数计算公式．从而完善了钢管混凝土柱的轴心受压承载力计算公式,使公式的精确性和适用性有所提高．所得计算结果与试验结果吻合良好,并与目前公式的计算结果进行对比,说明所提出公式的合理性．从尺寸大小和材料强度两个方面,对钢管混凝土柱承载力的影响因素进行探讨．     

蜂窝钢管约束混凝土靶的准静态球形空腔膨胀模型及其应用

基于空腔膨胀理论建立工程模型是研究侵彻问题的常用方法。针对射弹侵彻蜂窝钢管钢管约束混凝土靶问题，考虑被打击单元钢管及其外围混凝土的综合约束作用，粉碎区混凝土采用Hoek-Brown (H-B) 准则，建立了蜂窝钢管约束混凝土靶的准静态球形空腔膨胀模型和刚性弹侵彻深度预测公式，并分析了综合约束刚度对侵彻过程的影响。算例表明：蜂窝钢管约束混凝土靶不同于半无限混凝土靶，侵彻过程中的扩孔压力不为常数；综合约束刚度越大，扩孔压力越大；侵彻深度预测公式计算结果与文献侵彻试验吻合较好。     

基于双剪统一强度理论的复式钢管混凝土轴压承载力计算

考虑内、外钢管对混凝土的双重约束作用, 分析复式钢管混凝土的轴压应力状态, 采用双剪统一强度理论分析混凝土和钢管各自的极限轴压强度, 得出复式钢管混凝土轴压承载力公式; 通过推导钢管在极限状态的强度折减系数及钢管与混凝土之间的紧箍力值, 计算出的轴压承载力与试验数据进行对比, 吻合较好, 验证了双剪统一强度理论在复式钢管混凝土轴压承载力计算中的适用性; 并给出了内圆钢管的径厚比和直径与轴压承载力提高系数的关系, 为复式钢管混凝土的优化设计提供理论依据.     

等角八边形中空夹层钢管混凝土短柱承载力统一解

采用统一强度理论,对等角八边形中空夹层钢管混凝土短柱进行了研究;将柱分为两个部分:内钢管为一个部分,核心混凝土与外钢管为一个部分。将等角八边形中空夹层钢管混凝土短柱等效为圆中空夹层钢管混凝土短柱,考虑混凝土所受侧向约束应力。结合其受力机理,提出了等角八边形中空夹层钢管混凝土短柱的轴压承载力计算公式;在此基础上,考虑偏心距及柱长度对柱承载力的影响,建立了此类柱偏压承载力计算公式。用本文短柱轴压、柱偏压公式与文献数据分别进行了计算对比,轴压试验值与理论值最大误差不超过14%,偏压试验值与理论值最大误差不超过7%,理论结果与试验结果均吻合较好,验证了理论公式的正确性。在此基础上研究了部分参数对承载力的影响规律,结果表明:在一定范围内,轴压承载力随侧压系数的增大而增大;偏压承载力随偏心距的增大而降低。     

CFRP加固含腐蚀缺陷的受弯圆钢管屈服弯矩计算

对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固含均匀腐蚀缺陷的圆钢管受弯承载力进行了理论推导及试验研究。理论分析中,利用等效截面法推导了CFRP加固含腐蚀圆钢管在纯弯曲作用下屈服弯矩的计算公式。通过2组钢管试件(每组包含一个未经CFRP加固和一个经CFRP加固的钢管试件)的四点弯曲静力加载实验得到了其屈服弯矩。试验测试结果表明,经CFRP加固后,含腐蚀的圆钢管屈服弯矩值明显增大。试验测试中得到的钢管和CFRP沿轴向的应变发展过程验证了理论分析中所采取假设的正确性。通过将试件屈服弯矩的理论值与试验结果对比,两者之间的误差在2%以内,由此验证了所提理论公式的准确性。     

输电钢管塔环板节点极限承载力的理论研究

以圆环-母线梁模型为基础,运用虚功原理,研究了无环板和四分之一环板节点极限承载力的计算方法,并给出了节点极限承载力的建议公式.通过将其与试验结果、有限元计算结果、日本铁塔协会的送电用钢管铁塔制作基准的计算结果进行对比,证明本文所提出的建议公式得到的结果较日本铁塔协会的送电用钢管铁塔制作基准的计算结果有所提高,并能较好地与试验和有限元计算的结果吻合,与试验结果的误差约为3%.本文可为超高压输电钢管塔节点设计和节点极限承载力确定提供参考.     

蜂窝钢管混凝土抗侵彻性能实验研究

为了研究蜂窝钢管混凝土的抗侵彻性能，采用125 mm口径滑膛炮开展了蜂窝钢管混凝土靶侵彻实验共6发，获得了不同工况时靶板破坏形态及侵深数据，分析了蜂窝钢管混凝土的典型破坏形式，对比了不同弹靶尺寸因数时靶板破坏形式的区别以及着靶点和钢管壁厚对蜂窝钢管混凝土抗侵彻能力的影响。同时，对7组不同壁厚的六边形钢管混凝土和3组六边形无钢管混凝土柱进行了单轴压缩实验，研究了不同壁厚时六边形钢管对核心混凝土强度及延性的增强效应，拟合了核心混凝土强度增强因数同围箍因数的关系，并改进普通混凝土侵深的经验公式，得到了适用于蜂窝钢管混凝土的最大侵深计算公式。结果表明：钢管壁厚是影响侵深的重要因素，壁厚越大，侵深越小；着靶点位置对侵深的影响较复杂，具有离散性；着靶点位置对靶体表面破坏形式影响较大；钢管可以有效增加核心混凝土的强度和延性；改进后的侵深计算公式可以预测弹体对蜂窝钢管混凝土靶的最大侵深。     

纯压钢管拱稳定临界荷载计算的等效柱法

以均布荷载下的抛物线钢管拱为研究对象,在考虑双重非线性的有限元分析基础上,讨论了完善拱和有初始几何缺陷的拱的弹性失稳和弹塑性失稳的特性,提出纯压钢管拱稳定临界荷载计算的等效柱法.分析结果表明,矢跨比是计算拱临界荷载的重要影响因素,而现有等效柱法中没有考虑这一因素的影响,为此,提出等效柱的稳定系数中考虑矢跨比影响的计算方法.有初始几何缺陷的拱将发生极值点失稳,且极值点荷载要小于分支屈曲临界荷载,为此提出缺陷拱等效柱法考虑缺陷影响的计算方法.给出了钢管拱失稳临界荷载等效柱法计算的相应公式和实用表格.与双重非线性有限元计算结果对比表明,提出的等效柱法能方便且较精确地估算钢管拱的非线性临界荷载.     

方钢管型钢再生混凝土组合柱轴压性能试验研究

为研究方钢管型钢再生混凝土组合柱轴压性能,设置了长细比、再生骨料取代率、再生混凝土强度、型钢配钢率和方钢管宽厚比等参数,对13个试件进行单调静力加载试验,观察试件破坏过程及破坏形态,获取试件荷载-位移和荷载-应变曲线,分析设计参数对组合柱轴压受力性能的影响。结果表明:试件的破坏顺序均为型钢首先被压屈,随后再生混凝土被压碎,最后的破坏是因为钢管外表面发生鼓屈而丧失轴压承载力;提高长细比、钢管宽厚比和再生粗骨料取代率,组合柱轴压承载力的最大降幅分别为10.7%、24.8%和9.9%;相反,提高再生混凝土强度和型钢配钢率,组合柱的轴压承载力最大提高幅度分别为19.7%和14.3%;总体上看,试件均表现出较高的承载力和良好的变形能力。在此基础上,参考国内外相关规程,采用叠加原理,建立了方钢管型钢再生混凝土组合柱的轴压承载力公式,并验证了计算公式的有效性。     

钢管约束活性粉末混凝土短柱承载力计算研究

活性粉末混凝土(RPC)具有超高强度但脆性较大,钢管约束可显著提高RPC的延性。采用全截面加载、仅对核心混凝土加载两种方式,对20根外径133mm的圆钢管约束RPC短柱开展轴心受压性能试验。分析了试件的破坏过程和特征、荷载-位移曲线和轴压承载力;探讨了加载方式、钢管径厚比和RPC强度对轴压性能的影响规律。结果表明:套箍系数大于0.9时,试件发生鼓曲破坏,其余则为剪切破坏;钢管厚度为4.5mm、6mm时,荷载-位移曲线会出现明显的下降段,钢管厚度为8mm、10mm时,曲线则平稳或者继续上升;试件整体轴压承载力大于钢、混凝土两种材料承载力的简单叠加,两种加载方式下的提高幅度分别为12%、24%。在试验基础上分析了钢管约束RPC短柱的工作机制和受力模型,结合双剪统一强度理论建立了短柱在两种加载方式下的轴压承载力计算方法,公式计算与试验结果的误差小于10%,适用性较好。     

新型波纹缀板-方钢管混凝土组合柱轴压性能研究

提出一种新型波纹缀板-方钢管混凝土组合(CSTCB)柱,是在柱四角布置方钢管并沿高度方向焊接波纹缀板形成钢骨架,向腔体内灌注混凝土而成。为研究CSTCB柱的轴压性能,对两个不同缀板间距的试件进行了轴心受压试验,并采用ABAQUS软件进行了有限元模拟。在比较试件破坏形态的基础上分析了试件受力机理,探讨了钢管壁厚、混凝土强度、钢材屈服强度和缀板间距对CSTCB柱承载力的影响。研究表明:CSTCB柱具有较高的承载力和延性,波纹缀板与钢管形成的钢骨架对混凝土有较强的约束作用,破坏形态为方钢管屈服及混凝土压碎;有限元计算结果与试验较为吻合,且增大钢材强度、钢管壁厚以及混凝土强度均能有效提高试件的承载力,但试件的延性随着混凝土强度的增大而降低。基于相关规范公式,建议了CSTCB柱的轴压承载力计算公式。本文研究对新型组合柱的工程应用具有一定参考价值。     

横肋波纹钢板-钢管混凝土短柱轴压受力机理研究

横肋波纹钢板-钢管混凝土柱(CFHCST)是由四角方钢管与侧壁波纹钢板焊接形成的多腔体与混凝土组合而成。为研究其受力机理及轴力分配规律,本文采用ABAQUS建立了CFHCST的分析模型,并基于得到的试验数据验证了该模型的准确性。在此基础上,从构件的荷载-纵向应变曲线、各钢材组分的应力-应变曲线发展规律及混凝土的纵向应力分布等多方面进行了分析,同时评价了不同参数对其承载力、延性及承载力提高系数的影响。研究结果表明:波纹钢板几乎不承担轴向荷载,构件承载力的大小主要由核心混凝土和方钢管混凝土决定;构件截面的强约束区主要集中在核心混凝土的截面核心处以及方钢管角部;波纹钢板表面受力不均匀,波峰与波中处钢材均表现为双向受拉,且波峰对混凝土的约束效果最好。在结合现有规范以及有限元参数分析结果的基础上,建立了CFHCST承载力计算公式。公式计算结果偏于安全,可为工程设计提供参考。     

哑铃型钢管混凝土拱肋极限承载力研究

为了研究哑铃型钢管混凝土拱肋的力学性能,基于统一强度理论和等效梁柱法,考虑中间主应力和材料拉压比的影响,推导了其极限承载力的新公式。采用梁单元建立哑铃型钢管混凝土拱肋的有限元模型,对其受力全过程进行双重非线性分析。将理论分析结果和数值计算结果与相关文献的试验结果进行比较,吻合良好,验证了本文理论分析方法和有限元计算方法的正确性。采用有限元方法,对荷载工况、长细比、矢跨比、截面形式和腹腔混凝土等参数的影响特性进行分析,研究结果表明,荷载工况对哑铃型钢管混凝土拱肋的极限承载力影响显著,荷载越对称、均匀,拱肋的极限承载力越高,竖向变形越小;拱肋的极限承载力随长细比的增大而显著降低,随矢跨比的增大先提高后略有降低;截面形式对拱肋的强度和刚度均有较大影响,而腹腔混凝土对其强度和刚度几乎没有影响。     

高温下钢管自密实混凝土界面接触热阻试验研究

钢管混凝土结构的火灾性能研究通常要考虑钢管和混凝土的界面接触热阻问题,本文对钢管自密实混凝土柱的界面接触热阻进行了试验研究。制作了8个钢管自密实混凝土柱,依据Fourier定律和Newton冷却定律得到了钢管混凝土界面接触热阻的求解方法。利用有限元和多项式拟合外推得到界面温度,得出钢管混凝土接触热阻随着钢管界面温度的变化规律。试验结果表明,未受载的钢管自密实混凝土界面接触热阻平均值范围在0.002~0.01m2·K/W,与其他文献结果相比有一定可靠性。     

沥青路面反射裂缝问题的损伤力学守恒积分

基于损伤力学理论，建立了沥青路面反射裂缝问题的损伤力学守恒积分，证明了在反射裂缝形成过程中应变能密度的守恒性。在此基础上，导出了预估反射裂缝形成寿命的简便方法与公式。本文研究成果对于沥青路面设计与旧路补强设计具有一定理论指导意义。     

局部屈曲FRP增强薄壁钢管混凝土抗震性能

为了研究FRP(Fiber Reinforced Polymer)增强薄壁钢管混凝土的抗震机理,提出FRP约束钢管局部屈曲应力-应变关系并建立FRP约束钢管恢复力模型,在此基础上建立FRP增强薄壁钢管混凝土柱滞回模型,开展FRP增强薄壁钢管混凝土柱拟静力试验以验证滞回模型的合理性,同时考查FRP布置方式对柱体抗震性能的影响,利用滞回模型对FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能机理进行分析。研究表明,薄壁钢管局部屈曲所导致的强度退化是柱体抗震性能劣化的主要原因,基于纤维力学特性合理设计FRP的增强方式可有效提升柱体的抗震性能。CFRP宜采用环向约束方式抑制薄壁钢管的局部屈曲;GFRP宜采用纵向抗弯方式提高柱体大变形下的承载能力。FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能主要由钢管承担,在本文研究参数范围内,薄壁钢管耗能占比超过80%,混凝土耗能介于10%～20%,纵向FRP耗能小于8%,对薄壁钢管实施有效约束后,其耗能可提高40%以上。     

基于弹性变形理论的钢管混凝土短柱承载力计算理论研究

为解决工程中得到广泛应用的钢管混凝土结构承载力计算问题,在总结分析已有钢管混凝土短柱承载力计算理论的基础上,利用弹性变形理论,推导出了钢管混凝土短柱极限承载力计算公式,利用推导得出的计算公式,对混凝土的泊松比趋近于零、混凝土的弹性模量趋近于零、钢管和混凝土的弹性模量和泊松比都相等、钢管和混凝土的泊松比相等而其弹性模量不等、钢管混凝土短柱端面上混凝土凸出或凹进的影响等六种条件下,钢管混凝土结构的承载情况进行了分析.     

注浆微型钢管桩抗弯性能研究

为探讨注浆微型钢管桩的抗弯性能，对不同钢管管径、壁厚以及砂浆强度的12根试件，采用正交试验方案进行纯弯曲试验，基于试验结果提出极限抗弯承载力表达式，并采用有限元软件ANSYS建立模型进行验证。结果表明：注浆微型钢管桩的弯曲全过程可分为3个阶段，即，弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段；对注浆微型钢管极限荷载敏感性大小为，钢管管径>钢管壁厚>砂浆强度等级；不同规程计算的极限抗弯承载力与试验差异较大，本研究所提出的注浆微型钢管桩极限抗弯承载力表达式与试验结果吻合较好，钢管的抗弯承载力约占注浆微型钢管桩总抗弯承载力的78%,管内砂浆约占22%;有限元模拟结果显示，管内砂浆对微型钢管桩的抗弯性能有较大的提升，验证了所提出的注浆微型钢管桩抗弯承载力表达式的正确性。     

横肋波纹钢板-钢管混凝土短柱轴心受压性能研究

横肋波纹钢板-钢管混凝土柱是一种新型钢管混凝土组合柱。为研究其轴心受压性能,本文以径宽比(单肢方钢管截面宽度与组合柱截面宽度的比值)为参数,开展了3根横肋波纹钢板-钢管混凝土短柱和1根普通方钢管混凝土短柱的轴心受压试验。探究了径宽比对各试件破坏模态、荷载-纵向应变曲线、承载力提高系数、延性等的影响,并与普通方钢管混凝土柱作了对比。试验研究结果表明:横肋波纹钢板与方钢管具有良好的变形协调性;相比于普通方钢管混凝土柱,横肋波纹钢板-钢管混凝土组合柱具有良好的轴压性能;随着径宽比的增加,试件的承载力及延性逐渐增大,承载力提高系数逐渐减小。在Mander模型以及有限元参数分析的基础上,建立了横肋波纹钢板-钢管混凝土组合柱轴压承载力计算公式,计算结果表明:计算值偏于安全,可为工程设计提供参考。     

圆中空夹层钢管混凝土柱扭转实验研究

以名义含钢率、外钢管强度和空心率为主要变化参数,设计了6根圆中空夹层钢管混凝土和1根双层空钢管试件,对其进行了扭转试验研究。试验结果表明:在加载过程中,钢管和混凝土变形协调,共同工作;试件表现出很好的塑性性能;试件名义含钢率和外钢管强度越大,试件抗扭承载力也越大;空心率越大,试件抗扭承载力也越大;圆中空夹层钢管混凝土比双层空钢管抗扭承载力有明显的提高。同时用有限元方法对试件扭矩-转角全过程曲线进行计算,计算结果与试验结果吻合良好。