实、空心钢管混凝土抗扭承载力统一计算方法

目前关于钢管混凝土抗扭承载力的计算方法已有一些,但大多是针对实心钢管混凝土。通过建立钢管混凝土构件在纯扭作用下的有限元模型,并对钢管混凝土的受扭性能进行数值参数分析,着重探讨空心率对钢管混凝土横截面受力分布和承载力的影响,基于极限平衡方法推导钢管混凝土在纯扭下的承载力计算式,最终给出实心和空心完全统一的抗扭承载力计算式,并收集相关试验数据对得到的计算式进行试验验证,通过试验对比,说明计算式的有效性,同时计算式物理意义明确,形式完全统一,较好地反映了实心和空心钢管混凝土构件工作性能的连续性。     

轴向压缩下圆形和多边形钢管混凝土柱的统一公式

目前,不同截面钢管混凝土(CFST)柱的轴向承载力采用不同的公式计算。研究人员和设计师试图在柱的设计中找到一个适用于不同截面(包括实心、空心、圆形和多边形截面)的统一公式,这一直是他们面临的一个挑战,事实上也是十分重要的问题。为满足现代的设计要求,结构在材料的使用、结构构件的拓扑学方面不断优化,上述问题应运而生。作者之前研究了圆形空心和实心CFST柱轴向承载力的统一公式,该文将其拓展到正多边形截面空心和实心CFST柱,将圆形截面作为多边形边数为1的特殊情况。最后,给出用于计算圆形或多边形截面实心和空心钢管混凝土柱轴向承载力的统一公式。此外,对空心圆形和方形钢管混凝土柱进行了试验。这些试验结果对有限的公开发表的文献进行了补充,也验证了该分析公式。     

钢管混凝土构件承载力分析的纤维模型法关键参数研究

以圆形截面为例,采用纤维模型法对钢管混凝土构件承载力进行分析。为确定纤维模型法关键参数及其合理取值,首先建立了圆钢管混凝土轴压和纯弯构件承载力分析的纤维模型法计算式;然后分析离散单元数量、收敛容差、应变增量、挠度增量和初始偏心距等参数对计算结果的影响规律,并以此确定影响纤维模型法计算结果的关键参数及其合理取值;最后,通过与钢管混凝土构件承载力试验数据进行比较,验证所确定的纤维模型法关键参数取值的合理性。结果表明:钢管混凝土构件受力状态不同,纤维模型法的关键参数取值也有所不同,所确定的关键参数取值能够保证纤维模型法计算结果稳定收敛,且具有较高的计算精度和广泛的适用性。     

型钢-钢管混凝土压弯构件的恢复力特性

基于钢管混凝土滞回曲线计算方法,采用纤维模型法建立了型钢-钢管混凝土压弯构件滞回曲线的计算方法;计算中采用Mander模型的混凝土加卸载规则;钢材的滞回模型中考虑了包辛格效应。纤维模型计算结果与试验结果吻合较好。在纤维模型的基础上进行了参数分析,分析了轴压比和循环荷载对构件力学性能的影响.     

实心与空心钢管混凝土构件防火计算方法

目前关于钢管混凝土的耐火研究还主要集中在实心构件上,空心钢管混凝土的相关研究则不足。而实心钢管混凝土可以看作是空心钢管混凝土的特例,因此,很有必要将实心和空心钢管混凝土统一在一起进行研究。采用理论和有限元计算相结合的方法,对钢管混凝土构件在标准火灾下的承载力进行了研究。最终,给出了实、空心钢管混凝土构件在标准火灾下任意时刻的承载力计算公式和保护层厚度的计算方法。     

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。     

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。     

方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能研究

以轴压比和空心率为主要参数,进行了12个方中空夹层钢管混凝土试件和4个方实心钢管混凝土试件滞回性能的试验研究。试验表明:方中空夹层钢管混凝土和方实心钢管混凝土荷载-位移滞回曲线饱满,其延性明显优于空钢管试件;轴压比越大的试件,初始刚度越大,但刚度后期退化越快。比较了国内外较典型的几种设计规范(程)对试件抗弯刚度的计算,结果表明,AISC-LRFD(1999)、EC4(1994)、BS5400(1979)、DBJ 13-51(2003)的计算结果与实测的初始抗弯刚度较吻合,DBJ 13-51(2003)的计算结果与实测的使用阶段抗弯刚度最接近。在确定了钢材和混凝土的本构关系的基础上,采用数值方法对荷载-位移滞回曲线进行了计算,理论计算结果与试验结果较吻合。最后分析了轴压比、空心率、长细比、名义含钢率、材料强度等参数对荷载-位移骨架曲线的影响。     

基于Drucker-Prager模型的FRP约束混凝土力学性能分析

由于FRP布提供的约束效应,混凝土的抗压强度能够得到很大的提高。较之实验研究,有限元(FEM)分析具有花费低、易于参数分析和易于得到混凝土截面应力分布等优点。通过基于DruckerPrager模型的有限元方法研究了FRP约束混凝土的力学性能。本文改进了线性Drucker-Prager材料模型并通过不同种类的实验(FRP约束实心混凝土实验和FRP约束空心混凝土实验)验证了该材料模型的合理性。基于验证后的有限元模型,通过参数分析研究了不同混凝土截面的应力分布情况以及空心率和FRP约束刚度对FRP约束空心混凝土力学性能的影响。最后提出了针对FRP约束混凝土极限应力和极限应变的计算方法,预测结果和实验结果基本一致。     

高强冷弯矩形钢管混凝土柱抗震性能非线性有限元分析

基于试验结果,采用OpenSEES有限元软件模拟高强冷弯矩形钢管混凝土柱在低周往复荷载作用下抗震的受力全过程。分析试验构件的滞回性能,并基于纤维模型理论数值计算方法对高强矩形冷弯钢管混凝土的骨架曲线进行理论计算。探讨了截面长宽比、钢管的宽厚比、轴压比对高强冷弯矩形钢管混凝土柱的力学性能的影响。结果表明:采用Open SEES计算得到的滞回曲线、骨架曲线与试验实际滞回曲线、骨架曲线吻合较好;在一定范围内,高强冷弯矩形钢管混凝土柱的截面长宽比越小,其水平承载力和刚度越大;钢管宽厚比减小可有效提高高强冷弯矩形钢管混凝土柱的水平承载力和刚度;轴压比越小,高强冷弯矩形钢管混凝土柱水平承载力越高且延性越好。     

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.     

实空心钢管混凝土柱在汽车撞击下的性能研究

结构在遭受意外荷载作用下的抗倒塌能力是目前工程师比较关心的问题,而柱子作为重要的受力构件,其安全性将直接关系到整个结构的安全,汽车撞击是一种常见的意外作用,研究柱构件在汽车撞击作用下的耐撞性具有一定的实际意义。本文首先采用有限元方法对实心和空心钢管混凝土构件在侧向落锤冲击作用下的试验进行模拟及验证。在此基础上,针对实心和空心钢管混凝土柱在汽车撞击作用下的响应做了全程的仿真计算,并对冲击力的特点及构件的破坏情况进行了分析,得出了汽车撞击荷载及构件的耐撞性随着空心率变化的规律,并给出汽车冲击力的计算方法。     

基于ANSYS分析CFST拱肋空间极限承载状态的计算模型研究

结合已有的CFST(concrete-filled steel tuber)本构模型,对已做试验的两个CFST(单圆管)单肋拱空间极限承载状态进行了双重非线性有限元分析探讨。采用双单元法和单单元法对比研究了基于ANSYS分析下模型拱的统一理论模型、分离式理论模型和纤维单元模型.较好地模拟了模型拱的极限承栽状态,评定了几种核心混凝土本构模型的适应性,提出了ANSYS分析下精确模拟CFST拱极限承栽状态的基本原理、基本方法和本构关系的选取建议。计算结果与试验结果符合较好,验证了本文计算模型的合理性。研究成果可供进行圆CFST拱计算时参考。     

Behavior of biaxially-loaded rectangular concrete-filled steel tubular slender beam-columns with preload effects

In composite construction, rectangular hollow steel tubular slender beam-columns are subjected to preloads arising from construction loads and permanent loads of the upper floors before infilling of the wet concrete. The behavior of biaxially loaded thin-walled rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) slender beam-columns with preloads on the steel tubes has not been studied experimentally and numerically. In this paper, a fiber element model developed for CFST slender beam-columns with preload effects is briefly described and verified by existing experimental results of uniaxially loaded CFST columns with preload effects. The fiber element model is used to investigate the behavior of biaxially loaded rectangular CFST slender beam-columns accounting for the effects of preloads and local buckling. Parameters examined include local buckling, preload ratio, loading angle, depth-to-thickness ratio, column slenderness, loading eccentricity and steel yield strength. The results obtained indicate that the preloads on the steel tubes significantly reduce the stiffness and strength of CFST slender beam-columns with a maximum strength reduction of more than 15.8%. Based on the parametric studies, a design model is proposed for axially loaded rectangular CFST columns with preload effects. The fiber element and design models proposed allow for the structural designer to efficiently analyze and design CFST slender beam-columns subjected to preloads from the upper floors of a high-rise composite building during construction.     

Nonlinear analysis of circular concrete-filled steel tubular short columns under axial loading

The confinement effect provided by the steel tube in a circular concrete-filled steel tubular (CFST) short column remarkably increases the strength and ductility of the concrete core. The reliable prediction using nonlinear analysis methods for circular CFST columns relies on the use of accurate models for confined concrete. In this paper, accurate constitutive models for normal and high strength concrete confined by either normal or high strength circular steel tubes are proposed. A generic fiber element model that incorporates the proposed constitutive models of confined concrete is created for simulating the nonlinear inelastic behavior of circular CFST short columns under axial loading. The generic fiber element model developed is verified by comparisons of computational results with existing experimental data. Extensive parametric studies are conducted to examine the accuracy of various confining pressure models and the effects of the tube diameter-to-thickness ratio, concrete compressive strengths and steel yield strengths on the fundamental behavior of circular CFST columns. A new design formula accounting for concrete confinement effects is also proposed for circular CFST columns. It is demonstrated that the generic fiber element model and design formula adequately predict the ultimate strength and behavior of axially loaded circular CFST columns and can be used in the design of normal and high strength circular CFST columns.     

空心普通和再生钢管混凝土柱抗震性能研究Ⅱ:理论研究

基于前文对空心普通和再生钢管混凝土柱抗震性能的试验和有限元分析,对空心普通和再生钢管混凝土压弯构件的抗震性能进行了理论研究。首先,运用瑞利-利兹法和极限平衡理论等方法对压弯构件在单调荷载作用下的荷载-位移曲线进行了全过程分析。结合有限元参数分析结果,提出了空心普通和再生钢管混凝土压弯构件骨架曲线理论模型和位移延性系数简化计算公式,可为空心钢管混凝土结构工程实践和相关规程的修订提供理论参考。     

FRP钢管混凝土柱抗爆性能数值模拟

为研究FRP钢管混凝土柱(CFST)的抗爆性能,建立了比例距离为0.28 m·kg^-1/3时爆炸荷载下纤维增强复合材料(FRP)钢管混凝土柱的数值模型。运用LS-DYNA非线性有限元程序中的高能爆炸材料模型及状态方程来施加爆炸荷载,采取多物质流固耦合方法进行数值模拟,通过试验数据验证了该模型的合理性。通过数值模拟展示了FRP钢管混凝土柱的位移时程及钢管、混凝土、FRP的等效应力变化,分析了其变化规律与分布特征。此外,通过改变相应参数研究了FRP层数、钢管屈服强度及混凝土强度对FRP钢管混凝土柱的影响程度。结果表明:FRP的约束可以有效提高钢管混凝土的抗爆性能,其易损部位主要发生在柱中及柱两端; 增加FRP层数,提高钢管屈服强度和混凝土强度均可提高柱的抗爆性能; 建立的模型可以进一步推广到不同比例距离、不同截面形状的FRP钢管混凝土柱抗爆研究,同时为FRP钢管混凝土抗爆设计提供了一定依据。     

Nonlinear analysis of short concrete-filled steel tubular beam-columns under axial load and biaxial bending

This paper presents a nonlinear fiber element analysis method for determining the axial load-moment strength interaction diagrams for short concrete-filled steel tubular (CFST) beam-columns under axial load and biaxial bending. Nonlinear constitutive models for confined concrete and structural steel are considered in the fiber element analysis. Efficient secant algorithms are developed to iterate the depth and orientation of the neutral axis in a composite section to satisfy equilibrium conditions. The accuracy of the fiber element analysis program is verified by comparisons of fiber analysis results with experimental data and existing solutions. The fiber element analysis program developed is employed to study the effects of steel ratios, concrete compressive strengths and steel yield strengths on axial load-moment interaction diagrams and the C-ratio of CFST beam-columns. The proposed fiber element analysis technique is shown to be efficient and accurate and can be used directly in the design of CFST beam-columns and implemented in advanced analysis programs for the nonlinear analysis of composite columns and frames.     

钢管混凝土柱极限承载力的统一算法研究

介绍国内外各设计规程关于钢管混凝土柱极限承载力的计算方法并进行比较分析。钢管混凝土单肢柱、哑铃形柱、格构柱的受力性能具有共性,即长细比和偏心率对柱面内整体极限承载力的影响基本上是独立的。基于上述规律,在分析评价国内外各规程计算方法的基础上,对钢管混凝土柱极限承载力的统一算法开展研究。分别进行钢管混凝土单肢柱、哑铃形柱、格构柱的算例分析,研究结果表明,计算值与试验值吻合良好。最后提出适合工程应用的钢管混凝土柱极限承载力的统一算法,为钢管混凝土计算理论的进一步完善和规程修订提供参考。