火灾下圆钢管混凝土柱非线性有限元分析

首先提出合理的火灾下钢管混凝土拉、压材料数值热-力耦合本构模型及相应的计算方法;然后基于连续介质力学,推导火灾下U.L.列式虚功增量方程,采用非线性梁单元理论,给出火灾下钢管混凝土柱非线性有限元方程组的求解方法,编制非线性有限元程序NACFSTLF;最后对已有火灾下钢管混凝土柱的试验资料进行双重非线性有限元分析并考察钢管混凝土柱初始缺陷对其抗火性能的影响。分析结果表明:火灾下钢管混凝土柱的轴向变形-火灾时间曲线的计算结果基本上反映钢管混凝土柱的变形特性,而计算的耐火极限基本上是试验结果的上限;同时随着火灾下柱初始缺陷的增大,相同火灾时间下柱的跨中侧向挠度变形逐渐增大,耐火极限逐渐降低,而对柱的轴向变形影响相对较小。     

内管设PBL肋型圆套圆中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点滞回性能分析

针对内管设PBL肋型圆套圆中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能研究,本文设计了5根节点试件,进行了低周往复荷载试验.以肋长、空心率、轴压比为主要变化参数,研究此类节点的破坏形态、破坏机制、滞回曲线、骨架曲线以及刚度退化、强度退化、延性、耗能能力等性能.试验结果表明:内管设置PBL肋的节点表现出良好抗震性能,但随着肋...     

混凝土柱-波纹钢板混凝土组合梁节点抗震性能研究

基于课题组研发的外包波纹钢板混凝土组合梁,提出了一种新型混凝土柱-波纹钢板混凝土组合梁连接节点形式,并进行了该类节点试件的低周往复荷载加载试验,对该类节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性与耗能、变形组成成分与变化规律进行了研究.结果表明:试件最终在梁端理想塑性铰区发生弯曲破坏,实现了塑性铰外移,滞回性能较好,具有良...     

外包波纹钢-混凝土组合梁与波纹钢-钢管混凝土柱节点抗震性能研究

基于课题组研发的外包波纹钢-混凝土组合梁与波纹钢-钢管混凝土柱,本文提出一种组合结构的节点形式,并进行了该类节点试件的低周往复荷栽试验.对节点的破坏模态、滞回曲线、骨架曲线、耗能、延性、节点核心区应变进行了分析,对该类节点变形组分及变化规律进行了研究,结果表明:试件最终为梁端塑性角区弯曲破坏,延性系数为2.45,等效黏...     

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%。     

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。     

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.     

组合式十字形钢管混凝土柱偏压力学性能试验研究

设计了一种由槽钢和方形钢管拼焊形成的组合式十字形钢管混凝土柱,将其灵活地布置在框架结构的中节点,可使柱肢与填充墙等厚,有效地提高建筑使用面积。共制作了6根组合式十字形钢管混凝土柱试件,考虑了偏心距和长细比两种变化参数。通过对其进行偏心受压试验研究,考察了试件的破坏形态和荷载-挠度曲线,并分析了其在不同偏心距和长细比下的荷载-应变曲线发展规律。结果表明:组合式十字形钢管混凝土柱中钢管和槽钢对混凝土的约束作用强,表现为较高的延性系数;偏心距或长细比越大,试件的极限承载力及弹性刚度越小,且偏心距越大延性越好,长细比对延性影响不显著;在受拉侧纵向应变基本上符合平截面假定,在受压侧纵向应变不符合平截面假定。     

水平荷载下型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架受力性能非线性数值分析

在型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架拟静力试验的基础上,采用Abaqus软件建立该组合框架有限元模型并进行非线性数值分析,获取组合框架的变形图、应力云图及荷载-位移骨架曲线,分析组合框架的受力破坏特征,验证了有限元模型的合理性,并对组合框架进行了参数分析。结果表明,数值模拟计算值和试验值对比误差较小,数值计算模型能够较好地模拟该组合框架的受力性能;组合框架符合强柱弱梁的破坏机制;另外,提高型钢强度或再生混凝土强度对组合框架承载力和刚度有利,但对其变形能力不利;框架承载力和刚度随着梁柱线刚度的增加而提高;增大轴压比对于组合框架的抗震性能和延性不利。研究结论可为该类绿色组合框架的工程应用提供参考。     

钢管高强混凝土叠合柱弯矩—曲率关系的合成模型

本文采用现有高强混凝土及钢管混凝土本构关系,运用合成法编制了计算程序,对钢管高强混凝土叠合柱的截面弯矩－曲率关系进行了全过程分析,并讨论了主要参数对上述关系的影响;经大量回归分析,建立了钢管高强混凝土叠合柱截机弯矩－曲率关系的三折线模型,从而为叠合柱结构的抗震分析奠定了基础。     

钢管混凝土纯压拱失稳临界荷载计算的等效柱法

在双重非线性有限元分析的基础上,进行了钢管混凝土纯压拱失稳临界荷载的简化计算方法——等效柱法的研究,提出了等效柱法中考虑矢跨比影响的稳定系数K₁ 以及考虑初始几何缺陷影响的折减系数K₂及其与现有规范相对应的计算公式。与有限元计算结果的对比表明,采用考虑矢跨比因素的稳定系数的等效柱法能较精确地估算钢管混凝土纯压拱的非线性失稳临界荷载,且计算精度受含钢率和钢材种类变化的影响较小。     

钢管混凝土K型相贯节点试验研究与数值模拟

从钢管混凝土格构式风电塔架原型中取出节点模型,对5个K型焊接相贯节点进行了试验研究和理论分析,研究了不同几何参数条件下节点的破坏过程和特征、荷载-变形关系和承载能力等。建立了有限元模型,分析了各研究参数对节点破坏形态和极限承载力的影响规律,得到了节点失效机制的判别参数与准则。试验结果表明:圆钢管混凝土K型相贯节点在丧失承载力前弦杆的宏观变形特征不明显,腹杆失效是主要破坏形态;与空心圆钢管相贯节点相比,刚度大大增加,相贯线周围应力集中程度也降低。有限元分析结果表明:圆钢管混凝土K型相贯节点的控制破坏形态包括腹杆失效和弦杆冲剪破坏,控制破坏类型的关键指标是腹杆与弦杆的壁厚比τ和夹角θ。为避免钢管混凝土格构式风电塔架出现节点失效,须限制参数τ、θ的取值。本文建议τ≤1,θ≤45°。     

侧向冲击载荷下钢管混凝土结构的动力响应及参数分析

采用刚塑性结构模态分析法和数值模拟方法,对侧向冲击载荷作用下的圆截面钢管混凝土结构进行了塑性动力分析。将钢管混凝土等效为刚塑性地基梁模型,给出了钢管混凝土构件跨中侧向变形的模态解析解,得到了冲击载荷作用下影响结构最终侧向变形的无量纲参数。利用ABAQUS/Explicit软件建立了钢管混凝土结构在侧向冲击作用下的动态响应数值模型并进行了计算分析,将理论预测值和数值模拟结果与试验结果进行了交叉对比。结合量纲分析和数值模型对影响构件最终变形的几何、物理参数及初始冲量进行了分析。结果表明：理论预测值和数值模拟结果与试验结果吻合较好,结构的塑性变形与理论假定的塑性铰分布一致。构件几何参数中,长径比和径厚比对其侧向最终变形有较大影响;冲击头相对宽度可改变构件的变形模态;相比于几何参数,钢管和混凝土芯层的物理参数对构件跨中挠度的影响较小;结构的侧向变形与初始冲量成二次幂相关。最后给出了理论分析参数的适用范围。刚塑性响应模态解可较好地预测钢管混凝土结构在侧向冲击载荷作用下的塑性变形行为。

     

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。     

钢管混凝土圆弧桁架拱平面内徐变稳定分析

核心混凝土的徐变会增加钢管混凝土拱肋的屈曲前变形,降低结构的稳定承载力,因此只有计入屈曲前变形的影响,才能准确得到钢管混凝土拱的徐变稳定承载力。基于圆弧形浅拱的非线性屈曲理论,采用虚功原理,建立了考虑徐变和剪切变形双重效应的管混凝土圆弧桁架拱的平面内非线性平衡方程,求得两铰和无铰桁架拱发生反对称分岔屈曲和对称跳跃屈曲的徐变稳定临界荷载。探讨了钢管混凝土桁架拱核心混凝土徐变随修正长细比、圆心角和加载龄期对该类结构弹性稳定承载力的影响,为钢管混凝土桁架拱长期设计提供理论依据。     

有初应力钢筋混凝土压弯扭构件非线性有限元分析

钢管初应力是钢管混凝土在大跨度桥梁,高层超高层建筑应用中广大工程技术人员关心的问题,本文在钢材随动强化模型和混凝土边界模型的基础上编制了计算有初应力的钢管钢混凝压弯扭构件全过程曲线的非线性有元程序。     

钢－混凝土组合梁非线性有限元分析

提出了部分剪力连接钢-混凝土组合梁非线性有限元分析的简化模型，该模型同时考虑了钢、混凝土材料的非线性本构关系和剪力连接件的滑移非线性对组合梁刚度和强度的影响，推导了考虑滑移的剪力连接件单元刚度矩阵。利用该模型计算了连续组合梁的极限荷载、挠度、应力以及滑移，与已有的理论计算结果和实验结果吻合，证明本方法分析钢-混凝土组合梁非线性的可靠性和实用性。     

方钢管混凝土短柱轴心受压承载力的神经网络模拟

由于方钢管混凝土的侧向约束机构复杂,对方钢管混凝土柱强度承载力的计算至今仍没有一种统一的方法。本文拟采用神经网络方法对轴心受压方钢管混凝土短柱的承载力进行模拟。以混凝土抗压强度、钢管的屈服强度、套箍指标、截面尺寸和宽厚比等五个参数为网络输入,以构件的极限承载力为网络输出,构建多层前馈神经网络来描述它们之间的非线性关系。利用55组试验数据对网络进行训练和测试,并将其预测值与三种承载力计算模型的预测值进行比较。对比结果表明本文建立的神经网络模型对55组试验数据给出了最好的模拟精度,可作为预测方钢管混凝土柱承载能力的一种新方法。