方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴压性能非线性分析

在方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴心受压试验研究的基础上,选择合理的再生混凝土和钢材本构模型,结合现有结构非线性分析理论,采用Abaqus有限元软件建立该组合短柱的有限元模型,并对该短柱轴压性能进行全过程非线性分析。主要研究其破坏形态、应力分布及荷载-应变关系曲线,分析再生骨料取代率、方钢管宽厚比、型钢配钢率和再生混凝土强度对该短柱轴压性能的影响规律,并将其与试验结果进行对比,同时对短柱进行有限元参数分析。结果表明,有限元计算结果与试验结果吻合较好,该有限元模型能较好地模拟方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴压性能;组合柱轴向承载力随再生骨料取代率的增加而有所降低,而随方钢管宽厚比、型钢配钢率和再生混凝土强度的增加而增加。总体上看,该组合短柱承载力高,变形能力较好,研究结论可为方钢管型钢再生混凝土组合柱的工程应用提供一定参考。     

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。     

薄壁钢管再生混凝土轴压实验研究

通过对9个薄壁圆钢管再生混凝土短柱和9个薄壁方钢管再生混凝土短柱进行的轴压试验研究,比较了三种方法测定试件轴向变形的差异,分析了不同取代率和不同截面形式薄壁钢管再生混凝土的破坏变形特征,并运用不同设计规程对薄壁钢管再生混凝土的承载力强度进行了计算分析。得出薄壁钢管再生混凝土的变形破坏形式与普通薄壁钢管混凝土相似,及再生混凝土取代率对试件极限承载力和变形能力有一定影响的结论。另外根据计算比较,得到各规程在计算薄壁钢管再生混凝土极限承载力时的适用性。     

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。     

钢管砂轻混凝土轴压短柱力学性能研究

为了研究钢管砂轻混凝土短柱的轴压性能,以砂轻混凝土中河砂与陶砂的体积比例为变化参数,制作了3个圆钢管砂轻混凝土短柱试件和3个方钢管砂轻混凝土短柱试件,进行了静力单调轴压性能试验。观察了试件的受力过程和破坏形态,获取并分析了试件的应力-应变全过程曲线,基于统一强度理论、极限平衡理论和叠加理论分别计算了钢管砂轻混凝土短柱试件的轴压极限承载力。结果表明:钢管砂轻混凝土轴压短柱的外部钢管均向外屈曲,核心砂轻混凝土被压碎,方钢管砂轻混凝土短柱上部破坏程度较圆钢管砂轻混凝土短柱严重;钢管砂轻混凝土短柱的应力-应变曲线存在弹性、弹塑性和塑性三个受力阶段;建议采用基于叠加理论的AIJ-1997(CECS 159:2004或AIJ-1997)进行圆(方)钢管砂轻混凝土短柱轴压极限承载力的设计计算。     

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．     

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.     

震后建筑再生混凝土及其钢管短柱受压性能研究

为了研究震后建筑废弃物再生混凝土及其钢管柱的基本物理和力学性能,以设计强度为C30的废弃混凝土为再生粗骨料,分析了5种再生骨料取代率(0%、25%、50%、75%、100%)对再生混凝土材料的抗压强度和劈裂强度的影响,以及对钢管再生混凝土的失效模式、承载力、变形、应变关系的影响;给出了钢管再生混凝土柱力学性能随取代率变化的关键值,建立了再生混凝土的应力-应变关系。结果表明:随着再生骨料取代率的增加,再生混凝土的受压性能和抗拉强度逐渐降低,钢管试件的承载力水平逐渐降低,但其破坏失效模式和变形曲线与普通钢管混凝土无显著差别。根据钢管和再生混凝土的应力-应变关系计算了钢管再生混凝土柱的极限承载力,所得计算结果与试验结果符合较好,其误差约为10%,符合工程计算要求。     

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。     

长期持荷工况下钢管混凝土构件的抗撞击性能

为研究长期荷载作用对钢管混凝土构件抗撞击性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了长期荷载与侧向撞击荷载作用的耦合分析模型以及撞击后剩余受压承载力计算模型。对比了一次加载模式下和长期荷载作用下构件遭受撞击的动力响应,采用剩余受压承载力系数量化分析了两种加载模式下构件的剩余受压承载力。典型的有限元模型分析表明:相较于一次加载模式,考虑长期荷载作用时撞击力峰值和平台值下降,撞击时间延长,构件跨中挠度增大,但撞击力对构件做功基本保持不变;考虑长期荷载作用的撞击过程轴向荷载做功比一次加载模式增大,增加的功主要通过外钢管的塑性变形耗散,核心混凝土贡献较小;长期荷载作用下构件的剩余受压承载力系数均低于一次加载模式,撞击条件相同时,一次加载模式下撞击后可以继续承载的构件在考虑长期荷载作用时可能会丧失承载能力;提高含钢率和钢材屈服强度、降低长期荷载比可有效减小长期荷载对构件抗撞击性能的不利影响。     

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。     

新型格构式钢骨混凝土柱的轴压性能研究

提出了一种由格构式钢骨及钢筋混凝土所组成的新型LSRC(latticed-steel-reinforced-concrete,格构式钢骨约束混凝土)柱。通过对4个试件的轴压试验分析,对比CFTEC(con-crete-filled steel tube with encased concrete,外包混凝土的钢管混凝土)柱与LSRC柱的力学性能,探究了不同缀板间距对LSRC柱跨中应变的影响。此外,利用有限元软件对试件建立三维模型,阐述了LSRC柱在压力荷载下的破坏过程和各部件间的相互作用。结果表明:与CFTEC柱相比,由于LSRC柱中的钢筋笼能够有效延缓柱外包混凝土的破坏,其具有更高的承载能力和强重比。同时,LSRC柱对跨中角钢材料的抗压性能利用更为充分,但缀板间距的增大将会降低其跨中外包混凝土的约束作用。此外,利用有限元软件建立的模型能够准确模拟LSRC柱在弹塑性阶段的力学性能,柱中的钢筋笼及内侧角钢均具有良好的约束作用。基于试验和有限元结果,提出了LSRC柱的承载力计算公式,其预测值与有限元结果吻合良好。     

圆中空夹层钢管混凝土压扭构件试验研究

以轴压比和长细比为主要参数设计了7根圆中空夹层钢管混凝土试件,为了便于对比分析,同时设计了2根圆实心钢管混凝土试件,对其在压扭复合受力状态下的力学性能进行了试验研究。对试验现象和试验结果进行了描述与分析,结果表明:圆中空夹层钢管混凝土压扭构件的扭矩-转角全过程曲线未出现下降段,试件表现出一定的后期承载潜力,具有较好的塑性和延性性能;钢管对混凝土的约束效应在加载后期更为显著;轴压比、长细比和空心率对压扭试件的初始刚度影响不大,但轴压比和长细比对试件的抗扭承载力有一定影响。最后,采用压扭构件承载力相关方程对圆中空夹层钢管混凝土压扭构件的抗扭承载力进行了计算,计算结果与试验结果基本接近且总体偏于安全,可为工程设计提供参考。     

配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能,以混凝土强度、体积配箍率和配箍形式为变化参数设计6个试件进行轴心受压加载试验。试验结果表明,所有试件的破坏形态和荷载-轴向位移曲线相似,配螺旋箍筋的试件变形性能要优于配普通箍筋试件,配矩形螺旋箍筋的试件极限承载力随混凝土强度、体积配箍率的增加而提高。在试验基础上,采用基于叠加理论的计算方法对配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压承载力进行计算,给出了相关设计建议,研究结果可为配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱的工程应用提供科学依据。     

角钢约束混凝土中长柱轴压力学性能试验及承载力计算

为了研究角钢约束混凝土中长柱在轴压荷载作用下的力学性能,以长细比、缀板间距、混凝土强度等级为变化参数,完成了8个试件的静力加载试验。通过试验观察了试件的破坏形态,获取了其极限承载力、刚度、位移延性和耗能系数等力学性能指标;分析了各变化参数对力学性能指标的影响,利用统一强度理论、极限理论和叠加理论对试件的承载力进行计算。研究结果表明:长细比越小越容易发生柱端破坏,长细比加大后易发生柱中破坏;减小缀板间距,试件的极限承载力和变形能力均得到提高。随着混凝土强度等级的提高,试件的极限承载能力和初始弹性刚度得以提高,但位移延性和耗能能力有所降低。采用统一强度理论的计算值略大于试验值,采用极限分析理论和叠加理论的计算值均小于试验值。     

高温影响的钢管混凝土柱抗爆性能研究

火灾与爆炸通常相伴发生,对工程结构安全造成了严重威胁。为研究高温下钢管混凝土柱抗爆性能,采用ABAQUS有限元软件建立了ISO 834标准火灾作用下钢管混凝土柱抗爆模型。在验证有限元模型可靠性基础上,首先分析了标准火灾作用下钢管混凝土柱抗爆工作机理;其次重点研究了受火时间、材料强度、含钢率以及爆炸当量对构件在标准火灾下抗爆性能的影响。研究结果表明:火灾作用下两端固结的钢管混凝土柱受爆炸荷载时,柱两端首先发生剪切破坏,随后整体发生受弯破坏;随着受火时间增加,钢管耗能占比降低,混凝土塑性变形逐渐成为主要耗能机制;混凝土强度、爆炸当量与轴压比对钢管混凝土柱高温下抗爆性能影响明显,当混凝土立方体抗压强度从30 MPa增加到50 MPa,常温与受火90 min构件抗爆性能分别提高约21%与42%。