高温后钢管再生混凝土轴压性能试验及承载力计算

为了揭示高温后钢管再生混凝土的轴压性能,以再生粗骨料取代率、历经最高温度、高温时长和混凝土强度为变化参数,设计了44个钢管再生混凝土试件进行高温后的静力加载试验。观察了高温前后试件的物理及力学性能变化,得到了受力破坏过程及形态,获取了受力全过程的荷载-变形曲线及峰值荷载、峰值位移、初始刚度、延性系数、能量耗散等特征点参数,并分析了各变化参数对试件轴压性能的影响,最后探讨了高温后钢管再生混凝土轴压极限承载力的计算方法。研究结果表明:随着历经温度的升高,钢管再生混凝土试件外观颜色由浅褐色转变为灰白色,其质量烧失率逐渐增大,试件的承载力和刚度逐渐降低;再生粗骨料取代率和高温时长的变化对高温后钢管再生混凝土轴压短柱力学性能影响不大;混凝土强度等级越高的试件,其遭受高温后的承载力和刚度也越大。     

火灾与撞击联合作用下钢管混凝土柱力学性能研究

为研究火灾高温与撞击联合作用下钢管混凝土柱的力学性能,基于ABAQUS建立了高温作用下考虑轴力影响的钢管混凝土柱侧向撞击有限元模型。首先,对高温与撞击联合作用下考虑轴力影响的钢管混凝土柱的破坏模式与受力全过程进行了分析,探讨了高温下钢管混凝土柱的抗撞性能与工作机理;其次,重点研究了受火时间、材料强度、含钢率以及撞击能量对抗撞性能的影响,并给出了相关设计建议。研究结果表明:高温与撞击联合作用下,钢管混凝土柱主要发生受弯破坏;受火15 min后,构件抗撞性能明显降低。轴压力对构件抗撞性能产生不利影响,轴压比从0增加到0.2,受火60 min构件抗撞性能下降了7.8%;混凝土强度对高温下钢管混凝土柱抗撞性能有显著影响,受火90 min后,混凝土强度由30 MPa增加到50 MPa,构件抗撞性能提高约85%;外钢管强度与含钢率对高温下抗撞性能影响不大。     

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。     

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。     

火灾后T形型钢混凝土柱偏心受压力学性能试验研究

对7根T形型钢混凝土柱进行了火灾后的力学性能试验研究。火灾试验按照ISO834标准升温过程进行控制,1根未受火试件作为对比。T形型钢混凝土柱采用空腹式配钢形式,横向腹杆间距为200mm,试件通过偏心受压试验,考虑加载角和偏心距的影响。通过试验得到异形柱极限承载力、截面应变分布、荷载-挠度曲线以及截面特性。试验结果表明:(1)受火1h后,T形型钢混凝土柱仍然具有比较高的竖向承载力;(2)桁架式配钢方式以及合理的腹杆、箍筋布置保证了型钢与混凝土之间能够较好的协同工作,平截面假定对火灾后的T形型钢混凝土柱仍然适用;(3)荷载角和偏心距对试件的延性和变形能力影响显著。     

绕丝加固预损钢筋混凝土柱的抗震性能试验研究

对4根钢筋混凝土柱进行了模拟地震的预损伤、预损伤后绕丝加固和加固后的低周往复荷载破坏试验,研究了绕丝加固地震损伤钢筋混凝土柱的抗震性能。根据试验数据分析了试件的承载力、延性性能、刚度退化及耗能能力。试验结果表明:经过绕丝加固修复后的预损伤试件,其延性性能和极限位移得到了明显提高;钢筋混凝土柱的预损伤程度对预损伤后的加固效果有重要影响。在轻度损伤程度情况下,绕丝加固柱恢复并超过受损前的抗震性能;预损伤越大的柱经绕丝加固后其延性、耗能能力、刚度和承载力越小。     

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%。     

实腹式型钢混凝土T形柱恢复力模型试验研究

为研究实腹式型钢混凝土T形柱的力学性能,完成了5个试件的低周反复加载试验,获得了滞回曲线和骨架曲线,分析了轴压比和配钢率对承载力和变形性能的影响。结果表明:实腹式型钢混凝土T形柱滞回曲线饱满对称,延性好;轴压比增大,承载力变化较小,延性降低;配钢率增大,承载力和延性均提高。基于试验及理论分析,提出了实腹式型钢混凝土T形柱骨架曲线的屈服点、峰值点和破坏点特征值计算方法,进而建立了三折线恢复力模型,研究结果可为该类型结构的弹塑性地震反应分析提供依据。     

碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的试验研究

通过对8根矩形截面钢筋混凝土梁的静力加载试验,研究了抗弯和抗剪两种加固方式对钢筋混凝土梁的破坏形态和力学性能的影响,对比分析了碳纤维加固率、试验梁的状态、混凝土强度对加固效果的影响。结果表明：经碳纤维抗弯哥口抗剪加固后加圉梁相应的力学性能指标值明显提高;混凝土裂缝扩展得到了有效延缓,加固效果明显;抗弯加固后可显著提高混凝土梁的承载力和延性,但提高程度并不与加固率成正比;预裂粱抗弯加固后承载力和延性得到提高,但与其相同加固参数的梁相比,其承载力和延性有所降低;抗剪加固时混凝土强度越高,加固后混凝土梁的承载力和变形能力提高幅度越大,其中混凝土梁的变形能力受混凝土强度的影响较大。最后,对加固梁的极限承载力进行了理论分析与计算,建立了实用的理论计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

基于代理模型和等效刚度模型的加筋柱壳混合优化设计

针对轴压作用下的加筋柱壳后屈曲性能优化计算较大的问题,本文提出了一种基于代理模型和等效刚度模型的混合优化策略,即运用基于等效刚度的平铺模型进行有限元后屈曲分析以代替试验设计中大量的精细加筋模型分析,并通过控制等效模型的单元尺寸来调整其分析精度,而等效刚度模型计算时长仅约为精细加筋模型的1/3。对构建的代理模型采用多岛遗传算法进行极限承载力等约束下的轻量化设计,调用精细模型有限元后屈曲分析对代理模型进行更新,从而保证代理模型的拟合精度并得到优化解。工程算例结果表明,本文提出的混合优化方法,使加筋柱壳结构在满足承载力情况下减重效果明显。     

轴心受压H型截面钢柱火灾行为的试验研究

本文对4根H型截面钢柱进行了火灾行为的试验研究。全部火灾试验采用自行研制的火灾试验炉,试验结果表明炉子性能稳定,使用方便。试验采用足尺试验形式,柱长3300mm。钢柱轴心受压,其中两个限制轴向变形,另两个不限制轴向变形。柱两端采用单向刀口支座,允许钢柱绕强轴转动。钢柱试验中考虑荷载大小和是否限制轴向变形两个因素。通过试验,得出了钢柱在火灾下的侧向变形和轴向变形随温度变化情况。试验证明:钢柱受火时,轴向变形明显的分为膨胀阶段和压缩阶段。压缩阶段很短,一旦进入压缩阶段,钢柱很快破坏。钢柱受到的外加荷载越大,其极限温度越低。限制轴向变形的钢柱极限温度降低。试验研究为今后钢结构火灾行为研究提供了依据。     

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。     

方钢管混凝土柱延性的实验研究

针对结构抗震设计对延性的要求,对不同轴压比、长细比和混凝土标号的7根方钢管混凝土柱试件进行了低周反复加载实验,得到了框架柱的荷载位移曲线、骨架曲线以及各阶段的荷载位移值,据此分析了各种因素对方钢管混凝土柱延性的影响.实验结果表明:剪力滞引发了方钢管混凝土柱的塑性铰,塑性铰的扩展是柱端承载力下降的根本原因,增大轴压比将引起塑性铰更早出现,进而降低框架柱的延性和水平抗剪能力；增大长细比可以延缓塑性铰出现,提高柱的延性和耗能能力,但是水平抗剪能力下降；提高混凝土强度等级可以降低大轴压比、大长细比带来的不利因素.实验结果与有限元计算数据吻合良好.     

轴向约束梁柱在火灾引起温度沿截面不均匀分布条件下的大变形分析

火灾升温引起钢材强度和刚度降低,对温度沿截面分布不均匀的构件还将产生热弯曲,火灾下结构分析同时涉及几何非线性和材料非线性,无法求得解析解,只能通过数值方法求解.本文基于轴线可伸长梁理论,用勒让德多项式作为基函数逼近梁柱轴向和横向变形,根据平衡方程误差平方和最小的条件确定多项式系数的方法,分析了轴向约束钢柱在火灾引起的沿截面线性分布温度场下的受力和变形性能.考虑了温度梯度、轴向约束刚度比、荷载比、构件长度等参数的影响和升温条件下钢材的弹塑性性能的影响,该方法结果与解析结果和有限元分析结果吻合.研究表明,随着荷载比的增大构件的临界温度迅速降低,轴向约束刚度、温度梯度和构件长度仅影响构件的变形,对构件的临界温度影响较小.     

锈蚀钢筋混凝土偏心受压构件实验及其承载力计算方法研究

大量锈蚀钢筋混凝土偏压构件的实验研究表明,随着纵向受力主筋锈蚀率的增大,偏心受压构件的承载力及其刚度均有不同程度的降低。并且由于钢筋锈蚀,钢筋混凝土偏心受压构件延性也随之降低,脆性性质明显,从而可能使得钢筋混凝土偏压构件的破坏形态发生变化。在对预制钢筋混凝土柱进行快速锈蚀实验85研究的基础上,对锈蚀偏心受压构件的结构性能退化机理和破坏特征进行了分析;在现行计算理论和实验85结果分析的基础上,通过拟合出的锈蚀钢筋与混凝土间的应变不协调系数,对未锈蚀构件的相对界限受压区高度进行修正,得到了锈蚀偏心受压构件相对界限受压区高度的修正公式;考虑锈蚀钢筋截面的削弱、钢筋屈服强度的降低以及钢筋和混凝土之间粘结性能退化的影响,提出锈蚀偏心受压构件正截面承载力计算方法,为今后混凝土结构耐久性评估和可靠性鉴定提供了科学依据。     

碳纤维约束高强混凝土圆柱压弯构件非线性全过程分析

为分析塑性铰区碳纤维约束高强混凝土圆柱的抗震性能,编制了可得到荷载-位移曲线软化段的非线性全过程分析程序,保护层和箍筋约束混凝土采用Mander本构模型,碳纤维约束混凝土采用ACI 440.2R-08给出的本构关系,将程序计算结果与试验结果进行比较,两者吻合较好;利用该程序分析了轴压比、混凝土强度、碳纤维包裹长度及层数、纵筋配筋率等参数对碳纤维约束混凝土圆柱荷载-位移关系的影响规律,结果表明:当轴压比超过0.55后,柱构件的水平承载力开始降低,柱的破坏形式由延性的受拉破坏向脆性的受压破坏转变;剪跨比大于3的圆柱,碳纤维在塑性铰区包裹长度大干1.2倍柱直径时,即可达到与全柱包裹基本一致的效果;对混凝土强度为50 MPa～80 MPa的高强混凝土圆柱,以包裹3～4层碳纤维为宜;随着纵筋配筋率的增加,柱的水平极限承载力及延性均有所提高.