异形钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS建立等截面周长的三角形、扇形、D形、1/4圆形、1/2圆形5种异形截面钢管混凝土短柱轴压力学性能分析的有限元计算模型,对比圆形截面进行6组试验,有限元计算与试验所得的荷载-应变全过程曲线及短柱破坏形态吻合较好。在此基础上,对荷载-应变关系全过程中钢管与混凝土的相互作用进行分析,最后对截面形式、钢管壁厚(t)、钢管屈服强度(fy)、混凝土抗压强度(fcu)等几种影响异形钢管混凝土短柱承载力和变形的因素进行比较。结果表明:异形钢管混凝土短柱在1/2柱高处发生向外鼓曲破坏,截面形式、钢管壁厚、混凝土抗压强度等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

圆锥形钢管混凝土长柱力学性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS建立圆锥形钢管混凝土长柱力学性能分析的三维实体有限元计算模型,并与相应的试验结果进行对比。结果表明:有限元计算与试验所得的荷载-3H/4挠度曲线、承载力及破坏形态吻合较好。在此基础上,对圆锥形钢管混凝土长柱受力全过程中钢管与混凝土应力、应变分布情况进行分析,同时给出钢管与混凝土之间的相互作用规律,并对长细比、锥度、偏心距、材料强度及钢管壁厚等参数对圆锥形钢管混凝土长柱初始刚度、承载力及荷载-3H/4挠度曲线的影响进行比较。结果表明:圆锥形钢管混凝土长柱在3H/4处发生侧向挠曲破坏,长细比、锥度、偏心距、混凝土抗压强度及钢管壁厚等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

椭圆形钢管混凝土长柱轴压力学性能研究

利用有限元软件ABAQUS建立椭圆形钢管混凝土长柱轴压力学性能分析的三维实体有限元模型,并进行相应的试验,有限元计算与试验所得的荷载-柱中挠度全过程曲线及长柱破坏形态吻合较好。在此基础上对其受力全过程中钢管及混凝土应力、应变分布情况进行分析,同时给出钢管与混凝土之间的相互作用,并对长细比、材料强度、钢管壁厚及截面尺寸等参数对轴压时长柱极限承载力及荷载-柱中挠度曲线的影响进行比较。结果表明:椭圆形钢管混凝土长柱在1/2柱高处发生侧向挠曲破坏,长细比等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

椭圆形钢管混凝土长柱偏压力学性能研究

利用有限元分析软件ABAQUS建立了椭圆形钢管混凝土长柱偏压力学性能分析的有限元模型,并对12个椭圆形钢管混凝土长柱的偏压试验结果与有限元模拟结果进行对比。结果表明:有限元计算与试验所得的荷载-挠度全过程曲线、承载力及破坏形态吻合较好。在此基础上对其受力过程中钢管及混凝土应力、应变分布情况进行分析,同时给出钢管与混凝土之间的相互作用,并对长细比、偏心距、材料强度、钢管壁厚等参数对长柱偏压极限承载力及荷载-柱中挠度曲线的影响进行比较。结果表明:椭圆形钢管混凝土长柱在H/2处发生侧向挠曲破坏,长细比、混凝土抗压强度、钢管壁厚及偏心距等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

方锥形钢管混凝土长柱工作机理分析

利用有限元分析软件ABAQUS建立方锥形钢管混凝土长柱力学性能分析的三维实体有限元计算模型,并进行相应的试验研究。有限元计算与试验所得的荷载-3H/4挠度曲线、承载力及破坏形态吻合较好。在此基础上,分析方锥形钢管混凝土长柱中钢管和混凝土的应力、应变分布情况以及钢管与混凝土之间的组合作用,并比较长细比、偏心距、锥度等参数对方锥形钢管混凝土长柱极限承载力及荷载-3H/4挠度曲线的影响。结果表明:方锥形钢管混凝土长柱在3H/4处发生倾向挠曲破坏,长细比、锥度、偏心距、混凝土抗压强度及钢管壁厚等参数对其力学性能影响显著,钢管屈服强度对其力学性能影响不明显。     

内衬钢管方中空钢筋混凝土短柱轴压性能分析

为提高空心钢筋混凝土柱的承载能力和延性,文中提出一种内衬钢管的方中空钢筋混凝土短柱。采用有限元软件建立该类柱的非线性有限元模型,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元建模方法的合理准确性,基于此进一步考察钢管壁厚和直径、截面边长、钢管屈服强度和混凝土抗压强度对组合柱轴压刚度、承载力以及延性的影响,并对典型试件进行受力全过程分析。结果表明内衬钢管方中空钢筋混凝土短柱轴压承载力及刚度随混凝土抗压强度的提高而增大,延性随钢管壁厚及直径的增加而增大。     

椭圆形钢管混凝土构件纯弯力学性能分析

利用有限元软件ABAQUS建立椭圆形钢管混凝土构件纯弯力学性能分析的有限元计算模型,并通过6个椭圆形钢管混凝土构件纯弯试验验证有限元计算模型的准确性。在此基础上对其受力全过程中钢管及混凝土应力分布情况进行分析,同时给出钢管与核心混凝土之间的相互作用,并对剪跨比、钢管强度、混凝土强度、短轴长和长轴长等参数对纯弯时构件极限承载力及荷载-位移曲线的影响进行比较。结果表明:椭圆形钢管混凝土构件在跨中发生倾向弯曲破坏,钢管屈服强度、混凝土强度、长轴长、短轴长及钢管壁厚等参数对其力学性能影响显著,剪跨比对其力学性能影响不明显。     

圆锥形中空夹层钢管混凝土轴压短柱受力机理分析

为了研究圆锥形中空夹层钢管混凝土轴压短柱的受力机理,通过有限元软件ABAQUS建立了该类构件的力学模型,并与已有试验数据进行对比,验证了模型的合理性。分析了典型构件的受力全过程荷载-应变关系曲线、钢管与混凝土之间的相互作用力、破坏模态和荷载分配; 同时分析了空心率、锥度、钢管径厚比和混凝土强度等参数对相互作用力的影响。结果表明:典型构件荷载-应变关系曲线可分为弹性段、弹塑性段、下降段和稳定段4个阶段; 构件破坏是由外钢管向外鼓曲所导致的,破坏截面约在0.8H(H为构件高度)柱高处; 锥度和空心率的改变对构件破坏截面位置影响较大,随着锥度和空心率的增大,破坏截面位置逐渐向柱顶靠近; 影响外钢管与混凝土之间相互作用力的主要因素有空心率、锥度、外钢管径厚比、外钢管屈服强度和混凝土强度; 影响内钢管与混凝土之间相互作用力的主要因素有空心率、锥度和外钢管屈服强度; 内钢管径厚比与内钢管屈服强度对混凝土与内、外钢管之间的相互作用力影响较小,可不作为主要参数进行分析。     

变截面钢管混凝土短柱轴压性能研究

为研究圆形变截面钢管混凝土短柱的轴压性能,采用ABAQUS有限元软件建立不同设计参数的圆形变截面钢管混凝土轴心受压短柱的有限元模型,对其进行受压全过程分析,研究了其破坏形态;同时选取截面尺寸相同的试件的中间截面为研究对象,分析了不同变角度和含钢率对中间截面的钢管与混凝土间相互作用的影响。研究结果表明:圆形变截面钢管混凝土轴压短柱荷载-变形曲线与等截面钢管混凝土短柱类似;轴心受压的变截面钢管混凝土短柱在小截面端发生破坏;随着变角度与含钢率的增加,试件中间截面的钢管与混凝土间相互作用增大。因此,截面设计参数相同时,圆形变截面柱的截面轴压承载力要强于相同截面的等截面柱。在进行变截面柱的设计时,各截面的轴压承载力可偏于安全地按等截面柱的方法计算。     

内置型钢圆形截面不锈钢管混凝土短柱轴压性能研究

为研究内置型钢圆形截面不锈钢管混凝土短柱的轴压性能，进行了10根内置型钢的圆形截面不锈钢管混凝土短柱和2根圆形不锈钢管混凝土短柱的轴压试验，并建立其有限元模型，开展了受力机理分析和参数分析。试验和受力机理分析结果表明：设置型钢后圆形截面不锈钢管混凝土短柱的承载力和延性系数分别平均提高了24%和80.3%;峰值荷载作用时，型钢的最大约束应力超过不锈钢管。参数分析结果表明：该类组合柱的承载力随材料强度、钢管含钢率和型钢含钢率的增大而增大，最大提高幅度为36.1%～81.94%;峰值应变随钢材强度或钢管含钢率的增大而增大，最大提高幅度为28.33%～136.09%;轴压刚度随混凝土强度、钢管含钢率和型钢含钢率的增大而增大，最大提高幅度为27.89%～49.1%。提出该类组合柱的轴压承载力、峰值应变和组合刚度的简化模型，简化模型计算值与有限元计算结果及实测结果吻合较好。     

内填料石钢管混凝土短柱轴压性能研究及承载力计算

为合理重复利用废弃石材,将抗压强度高、脆性强的石材置于钢管混凝土柱(CFST)中部,利用钢管的约束充分发挥石材的抗压强度并延缓其压溃,形成内填料石钢管混凝土(SCFST)柱。为研究SCFST短柱的轴压受力机理,采用通用有限元软件ABAQUS建立SCFST短柱精细化3D有限元模型,并利用已经完成的18根SCFST短柱和6根传统钢管混凝短柱试件的破坏形态和荷载-变形关系试验结果对模型的可靠性进行验证。通过验证后的有限元模型,分析SCFST短柱各部件之间的相互作用及荷载分配规律。在此基础上,进一步开展系统的参数分析,研究内填料石尺寸、钢管壁厚、钢管屈服强度和混凝土强度等参数对SCFST柱轴压性能的影响规律。研究结果表明,不同部件间的相互作用随钢管壁增厚和混凝土强度提高而增大,受内填石料尺寸的影响较小。提出了适用于SCFST短柱的轴压承载力计算式,在研究参数范围内计算式具有较好的计算精度。     

Mechanical performances of concrete-filled steel tubular stub columns with round ends under axial loading

An experimental study of 22 concrete-filled round-ended steel tubular (CFRT) stub columns under axial compression is conducted compared with 4 circular concrete-filled steel tubular (CFT) stub columns. The influences of width–thickness ratio, concrete strength, steel yield strength and wall-thickness of steel tube on the ultimate bearing capacity of the CFRT columns are discussed. The 3D finite element (FE) model is also developed to analyze the behavior of the CFRT columns under axial compression. From the results, local buckling of the round-ended steel tube associated with shear failure of in-filled concrete could be observed. With the increasing width–thickness ratio, the corresponding load–strain curves have a shorter elastic–plastic stage. The parametric studies indicate that the concrete strength, tube thickness and width–thickness ratio of the steel tube also have a great effect on the ultimate bearing capacity. The numerical results also show that the confinement effect of the stub columns decreases with the increasing width–thickness ratio. A practical calculation formula for the bearing capacity of the CFRT stub columns is proposed, which is well in agreement with the experimental results.     

冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析

基于材料强度折减及钢管壁厚折减的方法,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压力学性能采用有限元法进行了研究。基于合理的有限元分析模型,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土柱的破坏模态、轴向荷载-位移关系、钢管与混凝土相互作用进行了分析,研究了含钢率、截面尺寸、钢管屈服强度、混凝土轴心抗压强度以及冻融循环-酸雨交替次数对试件轴压极限承载力的影响。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性; 冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后轴压圆钢管混凝土短柱的破坏模态与普通试件相似,轴向荷载-位移曲线变化趋势一致,试件均为塑性破坏; 圆钢管混凝土轴压短柱随冻融循环-酸雨锈蚀交替次数的增加,材料性能劣化严重,外钢管对核心混凝土约束作用减弱,试件极限承载力明显下降。     

Fire behaviour of high strength self-consolidating concrete filled steel tubular stub columns

This paper reports an investigation into the behaviour of high strength SCC (self-consolidating concrete) filled steel tubular stub columns exposed to standard fire. A series of tests were carried out to obtain the temperature distribution, axial deformation, limiting temperature of steel and fire endurance of the SCC filled steel tubular stub columns. In addition, a finite element analysis (FEA) model was proposed and used to simulate the fire behaviour of the columns. In the FEA modeling, a sensitivity study was conducted to determine the concrete fracture energy and the contact property of the steel and concrete interface. The verified FEA model was used to analyse the structural behaviour of the columns under fire exposure, such as strain, stress, the load sharing between the steel tube and concrete and local buckling of the steel tube, to gain an insight into the failure mechanism of the columns.     

钢管混凝土复合短柱轴压性能试验研究

钢管混凝土复合柱由钢管混凝土柱肢和钢筋混凝土联接板组成。以柱肢钢管壁厚和联接板厚度为试验参数,对7个复合短柱试件进行轴压性能试验研究,同时进行了与复合柱试件组成相对应的4个钢管混凝土柱构件和3个钢筋混凝土板构件的轴压试验。研究复合短柱在轴压荷载作用下的破坏模式和荷载 位移曲线,对比分析试件与对应构件的荷载 应变曲线,研究柱肢钢管壁厚和联接板厚度对复合短柱轴压承载力的影响。试验结果表明：轴压复合短柱受力全过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性发展阶段;轴压复合短柱的破坏特征为钢筋混凝土联接板混凝土压碎,此时钢管混凝土柱肢的受力状态与对应的钢管混凝土构件的受力状态不同,钢管混凝土柱肢并没有充分发挥其自身的承载能力;在复合短柱的轴压承载力计算中应引入柱肢承载力折减系数,该系数与柱肢套箍系数相关;通过对现有的钢管混凝土轴压短柱的试验数据进行回归分析,拟合得到柱肢承载力折减系数的经验计算公式;按照建议方法计算得到的复合短柱的轴压承载力与试验结果吻合良好。