钢管混凝土高墩非线性稳定承载能力可靠度分析

为解决结构分析准确性与消耗机时的矛盾,使非线性可靠度分析方法具有工程应用价值,基于响应面与非线性有限元相结合的方法,运用一致缺陷模态法考虑结构的初始几何缺陷,建立了钢管混凝土结构非线性承载能力可靠度分析模型。利用该模型分析钢管混凝土超高墩的非线性承载能力可靠度指标与敏感性系数。通过参数分析方法,系统研究了长细比,偏心距,径厚比,几何非线性与初始几何缺陷对可靠度指标的影响。可以通过对上述因素的有效控制影响钢管混凝土高墩的可靠性。在此基础上,给出了能够有效提高钢管混凝土高墩承载能力可靠度工程措施建议。     

轴压下细长椭圆钢管混凝土柱的数值模拟

采用非线性有限元模型(FEM)研究轴压下细长椭圆钢管混凝土柱(CFST)的性能。将代表构件典型截面尺寸和长细比的18根椭圆钢管混凝土柱的试验结果与有限元分析结果进行对比,验证了有限元方法的准确性。对现行欧洲规范4中圆形和矩形钢管混凝土柱的设计准则是否适合推广到椭圆钢管混凝土柱进行了讨论。为涵盖目前用于描述重要结构性能和设计参数的不同截面尺寸和长细比,如柱缺陷、长细比和屈曲折减系数等,对各种截面尺寸、长度和混凝土强度进行了参数研究。尽管使用欧洲规范4中缺陷为l/300的规定对长细比较小的椭圆钢管混凝土柱过于保守,欧洲规范4给出的圆形和矩形钢管混凝土柱的设计准则仍可用于计算椭圆形钢管混凝土柱的轴向屈曲。     

矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱非线性屈曲性能研究

为研究矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱(STHCC)的整体稳定性能,以套箍系数、试件长度、名义长细比、混凝土强度等级及截面尺寸为控制参数,设计了30根不同参数的STHCC试件。基于简化的钢材本构模型及考虑套箍效应的混凝土非线性本构模型,利用ABAQUS有限元软件建立19根钢管混凝土柱(CFST)的有限元模型,引入初始缺陷(特征值屈曲一阶模态的1/1 000),开展试件的非线性屈曲分析,将有限元数值解与试验数据进行对比,两者吻合较好,验证了有限元建模方法的合理性。基于此开展30根STHCC试件非线性屈曲分析,提取相应的荷载-位移曲线,考察屈曲荷载随套箍系数、试件长度、名义长细比、混凝土强度等级及截面尺寸的变化规律。结果表明:套箍系数及试件长度对轴压长柱的稳定承载力影响更加明显。最后,依据有限元数值解建立考虑初始缺陷情况下STHCC组合长柱的稳定承载力计算表达式,提出该类轴压长柱的设计方法与设计建议。     

钢管混凝土拱肋平面内荷载-位移分析

研究了几何非线性、材料非线性、双重非线性和有初始几何缺陷的钢管混凝土拱肋的荷载 -位移全过程分析方法 ,并通过大型通用软件ANSYS计算一个具体算例说明。计算分析表明 :材料非线性对钢管混凝土拱桥的影响比几何非线性大得多 ,而考虑初始几何缺陷对拱桥后屈曲路径产生不同影响     

初始缺陷对矩形钢管混凝土柱壁板屈曲后强度的影响

为了研究焊接残余应力和几何初始缺陷对矩形钢管混凝土柱壁板屈曲后强度的影响,采用有限元软件ABAQUS进行参数分析,参数包括壁板的屈服强度、宽厚比、几何初始缺陷取值大小、是否施加几何初始缺陷和焊接残余应力,并考虑两者耦合作用,给出考虑焊接残余应力和几何初始缺陷后的矩形钢管混凝土柱壁板有效宽度计算公式,并与试验数据进行比较。结果表明:建立的有限元模型能较好地模拟壁板的局部屈曲和屈曲后行为,焊接残余应力和几何初始缺陷都会降低壁板屈曲后强度,且焊接残余应力的影响较大; 不同强度等级的钢材都需要考虑焊接残余应力和几何初始缺陷的影响,对于屈服强度大于460 MPa的高强钢材,当宽厚比大于65时,可以忽略几何初始缺陷的影响; 给出的有效宽度计算公式可以较为准确且偏保守地预测矩形钢管混凝土柱壁板屈曲后强度。     

圆端形椭圆钢管混凝土长柱偏压受力性能研究

为了获悉圆端形椭圆钢管混凝土偏压长柱的理论计算模型和受力性能,考虑了圆端形椭圆截面特征,提出了圆端形椭圆钢管混凝土本构关系等效方法;基于有限元法建立了圆端形椭圆钢管混凝土长柱在偏压作用下的理论分析模型。对钢材强度、混凝土强度、偏心距、径厚比、长短轴比和长细比等诸多参数进行了系统分析,评价了各参数对圆端形椭圆钢管混凝土长柱偏压承载力的影响,揭示了其破坏模式。研究结果表明:圆端形椭圆钢管混凝土偏压长柱的承载力随着混凝土强度和钢材强度的增大而增大;随着偏心率、径厚比、长短轴比和长细比的增大而减小。最后,基于统一理论提出了圆端形椭圆钢管混凝土长柱偏压作用下的承载力设计方法。研究结果将为建立圆端形椭圆钢管混凝土结构的设计和应用提供参考。     

钢管高强混凝土长柱性能和承载能力的研究

钢管高强混凝土可以有效地克服高强混凝土本身的脆性,它除了具有普通钢管混凝土的优点外,强度还得到大幅度提高。本文介绍了10个不同长细比的钢管高强混凝土轴压长柱的试验研究工作。研究表明,套箍指标较高的钢管高强混凝土长柱的性能与普通钢管混凝土相似。普通钢管混凝土长柱的承载能力考虑长细比影响的折减系数计算公式也适用于钢管高强混凝土长柱。     

变截面薄壁空心高墩稳定性分析

用ANSYS对变截面空心薄壁高墩在考虑几何非线性及存在初始缺陷时进行稳定性分析,把线弹性和考虑几何非线性稳定性计算结果进行对比,发现涉及几何非线性时比在线弹性情况下对长细比大的墩稳定性影响较为明显,说明几何非线性影响不容忽视;若进一步考虑存在初始缺陷,则缺陷存在于墩中底部时对稳定性影响比在其偏上部大些。     

椭圆钢管混凝土长柱偏压受力性能研究

为研究椭圆钢管混凝土(ECFST)长柱的偏压性能,利用ABAQUS建立了偏压作用下椭圆钢管混凝土长柱的数值分析模型,考虑了钢管与核心混凝土的复杂接触问题、材料非线性问题和椭圆截面特征的影响,并利用试验结果验证了数值分析模型的准确性。对钢材强度、混凝土强度、偏心距、径厚比、长短轴比和截面面积等参数进行了分析,评价了各参数对偏压作用下椭圆钢管混凝土长柱轴压承载力的影响,揭示了其破坏模式和受力机理。研究结果表明,偏压作用下椭圆钢管混凝土长柱的破坏模式根据偏心距大小可以分为大偏压破坏和小偏压破坏,根据加载路径的不同可以分为长轴偏压破坏和短轴偏压破坏。椭圆钢管混凝土偏压长柱的轴压承载力随着混凝土强度、钢材强度和截面面积的增大而增大,随着偏心距、径厚比、长短轴比和长细比的增大而减小。研究结果将为建立椭圆钢管混凝土构件的设计方法提供参考。     

长期荷载作用下带脱空缺陷钢管混凝土柱的受力性能研究

为研究长期荷载作用对带脱空缺陷钢管混凝土柱受力性能的影响,以脱空类型、脱空率和长期荷载比为主要参数,对长期荷载作用下带脱空缺陷钢管混凝土短柱的变形特性和承载力进行了试验研究。试验结果表明：在长期荷载作用下,与普通无脱空缺陷钢管混凝土柱类似,脱空缺陷钢管混凝土柱徐变系数终值的上限值为0.9;长期荷载比大的脱空缺陷钢管混凝土柱较长期荷载比小的脱空缺陷钢管混凝土柱的承载力略大。采用有限元分析软件ABAQUS,对考虑长期荷载作用影响时脱空构件的受力性能进行分析,有限元计算结果和试验结果吻合良好。利用验证过的有限元模型,系统地分析了长细比、含钢率、钢管屈服强度、混凝土强度、长期荷载比、脱空率和荷载偏心率等参数对长期荷载作用下带脱空缺陷钢管混凝土柱的承载力影响规律。结果表明,混凝土脱空缺陷对考虑长期荷载作用的承载力影响系数的不利影响小于1.5%;现有的考虑长期荷载影响的普通钢管混凝土柱的设计方法可用于预测带脱空缺陷钢管混凝土柱的承载力。     

长细比对方钢管混凝土柱受力性能的影响

以基本试件(BASE)为基础设计3个不同长细比的ZG试件并进行非线性有限元分析,采用在钢管和混凝土之间加入粘接单元的方法。分析得知:柱长细比是方钢管混凝土柱设计的主要影响因素。柱长细比越大,柱承载力越低,因此长细比可适当减小。此外,在方钢管的底部和底角部存在应力集中现象,应力集中区域大约在柱高1/3范围内。对方钢管的底部应加大刚度,柱底角部应加强施焊。混凝土压碎破坏多发生在柱底部,因此在管内混凝土的施工过程中,要保证混凝土柱底浇筑密实。     

几何缺陷对双向偏压作用下矩形钢管混凝土柱受力性能影响分析

矩形钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁具有便捷的连接方式和节点构造,被广泛用作现代建筑中的结构柱,其常常处于双向压弯状态。考虑组合柱中的相互作用和截面扭转变形的影响,建立了精细化的矩形钢管混凝土柱双向偏心受压作用下力学性能分析的有限元模型,计算结果与已有双向偏压矩形钢管混凝土柱试验结果吻合较好。文章重点分析了初始几何缺陷对构件受力性能的影响。分析结果表明,初始几何缺陷会减小构件沿强轴变形的刚度,增强沿弱轴变形的刚度;几何缺陷控制在构件长度的1/1000以内时,其对极限承载力的影响可忽略。     

钢管混凝土框架结构力学性能非线性有限元分析

在考虑材料非线性和几何非线性的基础上进行了钢管混凝土柱-钢梁平面框架结构力学性能的非线性有限元分析,核心混凝土采用考虑钢管约束效应的应力-应变关系,钢材采用二次塑流模型或线性强化模型,通过在有限元公式中引入几何刚度矩阵,并在荷载步中更新坐标描述二阶效应来反映框架结构的几何非线性效应。基于近似修正的拉格朗日表述来反映框架结构变形前后位形之间的关系,利用虚功原理建立相应的增量平衡方程,并采用位移增量法求解非线性有限元方程,理论计算结果得到试验结果的验证。分析表明,基于非线性纤维梁-柱单元理论的分析方法可以反映钢管混凝土框架在受力过程中构件屈服和塑性分别沿截面和杆长两个方向扩展的分布塑性特征,并考虑初始缺陷、残余应力等,因此可较好地反映钢管混凝土框架的力学性能。在此基础上对影响钢管混凝土框架力学性能的主要因素进行了参数分析,分析的具体结果可供有关研究或工程应用参考。     

钢管混凝土拱桥的动力稳定极限承载力研究

从结构极限承载力的角度研究钢管混凝土拱桥在地震作用下的动力稳定性能。基于大型通用有限元程序ANSYS的应用平台,使用其APDL语言,采用B-R运动准则结合动态增量法(IDA)提出用特征响应寻求钢管混凝土拱桥动力稳定极限承载力的研究方法,分析地震动输入方向、结构几何非线性、材料非线性及其结构初始缺陷模式和大小对动力稳定极限承载力的影响,结果表明横向输入对拱桥稳定最为不利,材料非线性的影响比几何非线性影响大,几何初始缺陷会降低拱桥的动力稳定极限承载力,其中以反对称最为不利。最后,通过对一钢管混凝土模型拱桥的振动台试验的分析比较,表明该方法的正确性和工程适用性,可为系统研究钢管混凝土拱桥的动力稳定性能提供理论分析基础。     

钢管钢纤维混凝土圆柱的试验研究

进行了钢管钢纤维混凝土圆柱的性能研究。制作了16根钢管混凝土柱,并进行了双向压弯试验。主要参数有:横截面尺寸、柱长、混凝土抗压强度、荷载偏心。考虑材料非线性和几何非线性,提出计算钢管混凝土柱的极限承载力和荷载-位移曲线的理论方法,将普通钢管混凝土柱和钢管钢纤维混凝土柱的极限承载力和荷载-位移曲线的试验数据与理论分析进行对比。结果表明,钢纤维对钢管混凝土的性能有很大影响。     

竖向荷载和水平荷载共同作用下钢管拱平面内稳定承载力设计研究

采用二阶弹塑性有限单元法对竖向荷载和水平荷载共同作用下的圆形截面两铰抛物线钢管拱的平面内稳定承载力进行研究。考虑材料非线性、残余应力、初始几何缺陷、矢跨比和长细比等因素对钢管拱平面内力稳定承载力的影响。结果表明：残余应力对其竖向承载力影响很小;初始几何缺陷会显著降低中等长细比钢管拱的承载力;矢跨比和长细比是影响钢管拱承载力的重要因素,但拱的竖向承载力并不随矢跨比和长细比的均匀变化而变化。研究竖向荷载和水平荷载共同作用下两铰抛物线钢管拱达到平面内极限状态时的N-M相关关系,并拟合两铰压弯抛物线钢拱承载力N-M相关关系统一表达式。提出了竖向荷载为全跨均布和半跨均布荷载,同时考虑水平方向荷载作用的两铰抛物线钢拱平面内整体稳定承载力设计建议,可供相关设计问题参考应用。     

非一体型钢管混凝土柱轴压承载力的有限元分析

为了研究钢管与混凝土之间相互作用对钢管与混凝土间无黏结非一体型钢管混凝土柱轴压承载性能的影响,以未考虑与钢管相互作用的素混凝土和考虑与钢管相互作用的混凝土为对象,钢管径厚比为25~67,建立了7个非一体型钢管混凝土柱有限元分析模型,进行三维有限元分析,并与以往试验结果比对。结果表明:对于非一体型钢管混凝土柱模型,考虑钢管与混凝土相互作用时的初始刚度、最大轴力值与试验结果基本一致;不考虑时的初始刚度、最大轴力值小于试验结果;随着钢管厚度增大,钢管径厚比减小,其相互作用增大明显。当钢管径厚比小于25时,若考虑相互作用的破坏形式,建议混凝土按三轴膨胀破坏设计。     

矩形钢管混凝土柱轴压性能研究

本文借助Abaqus有限元分析软件,考虑材料非线性和构件几何非线性等因素,设置钢与混凝土两种材料间的界面接触属性,建立矩形钢管混凝土短柱在轴心荷载作用下的非线性有限元计算模型,并将数值模拟结果与试验数据和现有规程计算结果进行对比,验证了数值模型的可靠性;对比分析现有规程计算结果的精确度,并讨论现有矩形钢管混凝土柱的两种轴压力分配系数公式的可靠度,研究结果对矩形钢管混凝土柱在工程应用的设计阶段具有重要的参考意义。     

波形钢板钢管混凝土柱试验研究

进行了以长细比和偏心率为参数的共22根波形钢板钢管混凝土柱的试验。对试件的荷载-挠度曲线、极限承载力、柱肢钢管和波形钢板的应变等进行了分析。试验结果表明,波形钢板钢管混凝土柱的受力性能与钢管混凝土格构柱相近,随着长细比与偏心率的增大,波形钢板钢管混凝土柱的极限承载力显著降低,而长细比和偏心率对其极限承载力的影响基本上是相互独立的,可采用双系数乘积公式计算。波形钢板钢管混凝土柱应考虑剪切变形对极限承载力及挠曲变形的影响,但由于波形钢板抗剪刚度要大于钢管混凝土格构柱的缀管,因而其剪切变形所引起的附加挠度对极限承载力的降低影响较钢管混凝土格构柱小。在实腹式截面杆件稳定荷载计算的基础上,提出了考虑剪切变形影响的波形钢板钢管混凝土柱稳定系数的计算方法。     

钢管超高强混凝土长柱及偏压柱的性能与极限承载能力的研究

本文报导了钢管超高强混凝土长柱和偏压柱的试验研究工作。长柱试验研究结果表明,钢管超高强混凝土长柱的承载能力和极限纵向变形率随长细比Ｌｅ／ Ｄ的增大而下降,在所研究的 Ｌｅ／ Ｄ范围内,所有的钢管超高强混凝土长柱都有一定的延性,但延性随Ｌｅ／Ｄ的增大而降低。普通钢管混凝土长柱的承载能力考虑长细比影响的折减系数计算公式也适用于钢管超高强混凝土长柱。偏压柱试验研究结果表明,在偏心率为０．２２～０．６５范围内,加载后所有偏压柱试件横向无明显的外形变化。在相同的长细比下,随着偏心率的增加,试件的承载能力降低,极限纵向变形率降低,但总体来说,偏压短柱的纵向变形率比轴压短柱的极限应变要大一些。在相同的偏心率下,长细比越大,试件的承载能力和纵向变形率也越低。钢管超高强混凝土耐偏压能力等于或优于普通钢管混凝土偏压柱。经过适当修正的普通钢管混凝土偏心率折减系数可以用于钢管超高强混凝土偏压柱承载能力计算。