基于平均温度计算实心和空心钢管混凝土柱抗火性能的标准方法

给出计算不同截面轴心受压实心和空心钢管混凝土(CFST)柱抗火性能的新方法,包括圆形和多边形截面。新方法的特点是,基于柱截面的平均温度进行抗火性计算。研究火灾下CFST柱的承载力时,选取室温下CFST柱的承载力作为对照。对与钢材和混凝土平均温度相关的等效强度和等效弹性模量进行了研究,并给出计算的标准方法。将CFST抗火性计算分为以下两个步骤:1)基于平均温度计算高温下钢材和混凝土的等效强度和弹性模量;2)将高温下材料等效强度和弹性模量代入室温公式进行抗火性计算。基于标准方法、欧洲规范EC4和作者的前期工作给出计算CFST柱抗火性的两组公式。将建议公式计算结果与一些圆形或方形截面实心和空心CFST柱的试验结果进行对比,验证了建议公式的有效性。     

实心和空心钢管混凝土的统一纤维模型

采用纤维模型是进行结构整体分析的一种有效手段,目前已有部分学者给出了实心钢管混凝土的纤维模型计算方法,但是缺乏关于空心钢管混凝土的纤维模型计算方法。为了给钢管混凝土的整体分析提供数值分析手段,在统一强度承载力公式的基础上,给出了实心和空心、圆形和多边形完全统一的基于材料的钢管混凝土纤维模型,并给出了考虑截面形状和空心率影响的约束混凝土的滞回本构及参数取值方法。通过对不同截面形式的钢管混凝土长短柱轴压试验、侧推试验以及滞回试验的比较和分析,证明了基于材料的纤维模型和相关参数取值的适用性。     

空心钢管混凝土轴心受压构件的工作性能和承载力

介绍了离心法生产的各种截面空心钢管混凝土构件轴心受压时的工作性能。工作性能是随着套箍系数和空心率的变化而变化,呈系列化和连续性.符合统一理论的推断.用有限元法确定各种截面构件的组合抗压强度标准值和设计值,按具有e0=L/1000初始偏心的受压构件用有限元法确定圆钢管混凝土构件轴心受压的临界应力,对于多边形和方形截面构件,根据等效圆截面的欧拉临界应力的比较,导得多边形和方形截面构件的轴压稳定系数,以及空心多边形和方形截面构件的轴压稳定系数。进行了圆形,方形和多边形轴压短柱的试验,试验结果与计算结果吻合很好。同时导出轴心受压时统一的强度和稳定承载力设计公式,该公式对各种实心和空心,圆形和多边形截面都适用,使用方便,可供设计采用。     

实空心钢管混凝土轴压承载力的统一理论和公式

目前关于钢管混凝土轴压承载力的计算理论和方法很多,其中分别有针对实心或空心截面、圆形或方形及多边形的。按"统一理论"的思想,不论截面是实心或空心,圆形或多边形,它们的性质应该是统一且连续的,那么计算公式也应该是完全统一且连续的,而现有的计算方法多针对其中部分截面形式或有不连续的情况。基于此推论,本文在基于厚壁圆筒理论建立的圆形实空心钢管混凝土承载力统一计算公式的基础上,将其进一步扩展到多边形截面上,最终得到可以同时适用于实心和空心,圆形和多边形的轴压承载力统一计算公式。     

轴压下空心和实心钢管混凝土柱的统一公式

基于弹性理论,提出了统一的公式来评价圆截面钢管混凝土(CCFST)柱的综合抗压强度。通过轴压下弹性复合柱结构的分析求解推导出公式,并用经过试验验证的一系列相关系数对该公式进行修正。基于佩里.罗伯逊公式,推导出轴压下的CCFST长柱的稳定性因子。将新的稳定承载力公式应用于空心和实心CCFST柱,得到了试验结果的验证。新公式的一个重要特点是它对空心和实心CCFST柱进行了统一,该公式与CCFST柱抗压强度或稳定承载力及一系列设计参数有关。     

钢管混凝土构件轴压承载力设计公式的可靠度分析

《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014)~([1])是基于CECS 254:2012、CECS 28:2012和CECS 159:2004等行业技术规程制定的,包含了实心、空心、圆形及多边形截面钢管混凝土构件的承载力设计公式。在收集大量的试验数据的基础上,给出了规范中圆形及方形钢管混凝土构件轴压承载力设计公式以及CECS159:2004中方形钢管混凝土构件轴压承载力设计公式的计算模式不确定性的统计参数。并利用一次二阶矩法对这些公式进行了可靠度分析。分析了钢材种类、混凝土强度等级、活荷载类别、荷载比对构件可靠度的影响。结果表明,这些设计公式满足"统一标准"中对二级房屋建筑结构的可靠指标的要求。     

空心钢管混凝土长柱轴压性能的试验研究

进行了11根圆形和正方形截面的空心钢管混凝土轴心受压长柱试验,研究了空心率、长细比和截面形式对空心钢管混凝土长柱承载力性能的影响,并对空心钢管混凝土轴压长柱的破坏形态进行了分析。分析结果表明,空心钢管混凝土长柱的破坏形态接近于空钢管长柱。同时在前人所做的轴压长柱试验数据基础上,进行了《薄壁离心钢管混凝土结构技术规程》(DL/T 5030-1996)与给出的空心钢管混凝土轴压长柱承载力计算公式的对比,表明给出的公式与试验结果吻合较好,说明使用该公式计算轴压长柱承载力是可行的。     

钢管超高强钢纤维混凝土柱抗爆性能试验研究

对钢管超高强钢纤维混凝土柱在爆炸荷载作用下的动力响应进行了试验研究,试验测得了三个不同装药量的反射压力时程曲线,对比分析了空心及实心方形截面和圆形截面钢管超高强钢纤维混凝土柱的动力响应差异,讨论了不同折合距离的影响。试验结果表明:在相同内、外径(边长)条件下,方形截面钢管超高强钢纤维混凝土柱抗爆性能优于圆形截面的。若设计得当,空心方形截面钢管超高强钢纤维混凝土柱抗爆性能优于实心方形截面的。     

钢管混凝土结构研究新进展——《空心钢管混凝土结构设计技术规程》简介

铜管混凝土结构具有性能优越和节省钢材等优点，已在高层建筑、工业厂房和一些构架中得到广泛的推广应用。除实心钢管混凝土构件外，出现了空心钢管混凝土构件。在截面形式上，除圆形和方形外，又出现了八边形和多边形。为了适应工程需要，作者主编了CECS《空心钢管混凝土结构设计技术规程》。规程的特点是要求适用于各种截面形式的构件设计，因而采用了《钢管混凝土结构统一理论》中的统一设计公式。这也为未来把各种钢管混凝土结构制定到一本规范奠定了基础。     

《空心钢管混凝土结构技术规程》CECS 254∶2009简介

本文简要介绍了空心钢管混凝土结构设计规程的编制背景、空心钢管混凝土的特点和现有国内已有的设计规程。目前工程中采用的空心钢管混凝土构件的截面形式,已由圆形发展到多边形、正方形和矩形。因而现有《薄壁离心钢管混凝土结构技术规程》(DL/T 5030-1996)已不能满足要求,需制订新规程。介绍了《空心钢管混凝土结构技术规程》(CECS 254∶2009)的主要内容。采用了"钢管混凝土统一理论"提出的统一设计公式,以满足新规程需设计各种对称截面的要求。简要介绍了空心钢管混凝土构件轴压、抗拉、抗剪、抗扭、抗弯和复杂应力状态下的计算,以及常用的节点设计与构件的加工制作。最后,附一些设计算例,供参考。     

Analysis of axially loaded concrete filled circular hollow double steel tubular columns exposed to fire

A series of new unified design formulas for calculating the temperature field and fire resistance under axial compressive loading of a circular solid or hollow concrete filled double steel tubular (CFDST) short and slender columns exposed to fire are presented in this paper. The results of the experiments are firstly derived from exploring the fundamental behavior of the CFSDT slender columns under the ISO 834 standard fire and temperature distributions. Failure modes and axial deformation versus time curves are also obtained and discussed. It was realized that a solid or slender CFDST column has different temperature fields, stronger limiting temperature and better fire resistance, as compared to columns filled with plain concrete. Also, the load ratio and steel ratio have no evident difference between the results of the solid and hollow CFDST columns. A three-dimensional finite element analysis (FEA) model is developed to calculate the temperature field of CFDST columns. After calibration of the FE model, the influences of important parameters on the temperature field of the composite columns are investigated and a unified formula for calculating average temperatures of the columns’ cross-section is obtained. Combining the average temperature with the “Unified theory” under axial compression, a simplified design method is put forward, which provides a unified formulation for both the plain CFST and CFDST columns relating to the axial bearing capacity at room and elevated temperature. The proposed formulas are calibrated through comparisons with fire tests on the columns, and it was found that the method produces safe results on average.     

方形和圆形钢管混凝土性能的连续和设计的统一

采用空间有限元方法 ,导出了方形钢管混凝土轴心受压时的截面应力分布和纵向平均应力与应变的全过程曲线 ,与实验曲线吻合很好。得到组合设计指标和承载力设计公式 ,与圆钢管混凝土的设计方法得到了统一     

方钢管钢筋混凝土轴压短柱高温后受力性能试验研究

通过6根未受火和12根明火试验后的方钢管钢筋混凝土轴压短柱静力试验,研究了升温时间和配筋率对受火后方钢管钢筋混凝土短柱剩余承载力、刚度和延性的影响;对于升温时间30min和60min轴压短柱,分别测量了升温过程中关键位置的温度分布情况。试验结果表明：与常温轴压短柱相比,升温30min且配筋率分别为1.45%及3.26%的轴压短柱,其剩余承载力、轴压刚度和延性分别降低13.4%及5.4%、20.8%及24.3%和31.9%及44.0%;对于升温60min轴压短柱,其剩余承载力、轴压刚度和延性分别降低23.3%及12.8%、37.5%及39.1%和52.5%及61.5%。在试验基础上,结合GB 50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》给出了火灾后方钢管钢筋混凝土轴压短柱剩余承载力计算式,其计算结果与试验结果吻合较好。     

内置型钢钢管混凝土轴压构件设计方法研究及 可靠度分析

为使内置型钢钢管混凝土构件在实际工程应用中有矩可循、有法可依,采用ABAQUS有限元软件建立了内置型钢钢管混凝土构件轴压模型,通过与已有试验结果对比验证了数值模拟的可靠性。基于内置型钢钢管混凝土力学性能及工作机理,分析了混凝土强度、钢管强度、内置型钢强度、钢管含钢率以及内置型钢含钢率等参数对构件承载力的影响; 以提出的计算方法为基础,分析了不同荷载效应比ψ对该类构件可靠度的影响。考虑实际工程参数,分别提出了内置型钢钢管混凝土轴压短柱强度承载力计算公式与内置型钢钢管混凝土长柱的稳定承载力计算公式,建议了内置型钢钢管混凝土轴压构件的设计方法。以稳定系数φ为参数,提出了内置型钢钢管混凝土轴压构件极限承载力与稳定承载力的统一计算方法。研究结果表明:基于提出的计算方法得到的内置型钢钢管混凝土轴压构件承载力可靠度指标基本符合统一标准规范要求。     

Numerical analysis of slender elliptical concrete filled columns under axial compression

This paper presents a non-linear finite element model (FEM) used to predict the behaviour of slender concrete filled steel tubular (CFST) columns with elliptical hollow sections subjected to axial compression. The accuracy of the FEM was validated by comparing the numerical prediction against experimental observation of eighteen elliptical CFST columns which carefully chosen to represent typical sectional sizes and member slenderness. The adaptability to apply the current design rules provided in Eurocode 4 for circular and rectangular CFST columns to elliptical CFST columns were discussed. A parametric study is carried out with various section sizes, lengths and concrete strength in order to cover a wider range of member cross-sections and slenderness which is currently used in practices to examine the important structural behaviour and design parameters, such as column imperfection, non-dimension slenderness and buckling reduction factor, etc. It is concluded that the design rules given in Eurocode 4 for circular and rectangular CFST columns may be adopted to calculate the axial buckling load of elliptical CFST columns although using the imperfection of length/300 specified in the Eurocode 4 might be over-conservative for elliptical CFST columns with lower non-dimensional slenderness.     

冻融循环后圆钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

对冻融循环作用后圆钢管混凝土短柱的受力性能进行试验研究,以钢管壁厚、冻融循环作用次数以及混凝土强度等级为设计参数。试验中分析了冻融循环作用后圆钢管混凝土短柱的轴压破坏现象、荷载-位移曲线以及应力-应变曲线等。试验结果表明：经冻融循环作用后的圆钢管混凝土短柱的轴压破坏形态与相应未经冻融循环作用短柱类似;减小圆钢管混凝土短柱的径厚比可提高其在冻融环境下的轴压承载力;提高混凝土强度等级能增加圆钢管混凝土短柱的初始刚度;冻融循环对圆钢管混凝土短柱的轴压承载力影响较小;预测圆钢管混凝土可适用于遭受冻融作用的地区。根据试验结果,提出了圆钢管混凝土经冻融循环后的轴压承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

Behaviour of multi‐cell composite T-shaped concrete-filled steel tubular columns under axial compression

To improve the behaviour of conventional T-shaped concrete-filled steel tubular (CFST) columns, multi-cell composite T-shaped concrete-filled steel tubular (MT-CFST) columns are proposed in this paper. Experimental study of 25MT-CFST columns, including 13 short specimens with various cross sections and material properties and 12 slender specimens with different slenderness ratios, subjected to axial loads was conducted. The failure modes, axial load–strain curves for short specimens and axial load–lateral deflection curves for slender specimens were investigated. The test results were compared with design approaches for conventional CFST columns presented in Eurocode 4, AISC specification, Australian standard AS51006, Chinese code CECS159, and Hong Kong steel code, and it was found that all the design codes underestimate the bearing capacity of both short and slender MT-CFST columns to some extent.     

钢管高强再生混凝土柱轴压性能试验研究

为研究钢管高强再生混凝土柱与钢管高强普通混凝土柱轴心受压性能的差异,进行了圆形和方形两种截面形状、高强普通和再生两种混凝土、方钢管内配置与不配置钢筋两种构造的5个钢管混凝土足尺试件轴压性能对比试验。通过试验,分析了混凝土种类、截面形状和配置钢筋对试件承载力、耗能及延性的影响。试验结果表明：钢管再生混凝土柱的损伤发展过程和破坏形态与钢管普通混凝土柱相似;在截面积、含钢率、材料强度相同的条件下,圆形截面试件较方形截面试件具有更高的承载能力和较好的变形能力;混凝土种类对方形截面试件轴心受力性能影响不大;方钢管内配置钢筋可加强对核心混凝土的约束作用,提高试件的承载力和变形性能。根据国内外相关规程对试件的轴压承载力进行了计算,引入尺寸效应影响系数,提出了方钢管混凝土柱承载力计算式,计算结果与试验结果符合较好。