CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱试验研究

通过对10根CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱和用于对比的5根圆钢管混凝土轴压短柱承载力的试验研究,初步探讨CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱的受力性能以及CFRP对圆钢管混凝土轴压短柱承载力的提高效果。分析了钢管约束指标和CFRP筒约束指标等对CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱承载力的影响。研究结果表明:在本次试验的参数范围内,外包CFRP可以有效提高圆钢管混凝土轴压短柱的承载力;CFRP对圆钢管混凝土轴压短柱承载力的提高率近似随着CFRP筒约束指标的增加而线性增加;在其它条件相同的情况下,钢管约束指标越大,承载力提高率越小;承载力提高率随着约束指标比的增加而增加;如果粘结良好,在破坏前,CFRP筒和钢管可以保持协同工作。     

型钢-方钢管混凝土轴压短柱非线性分析

采用ABAQUS有限元软件对型钢-方钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形曲线进行了有限元分析,探讨了型钢-方钢管混凝土轴压短柱、等截面普通方钢管混凝土轴压短柱、等截面且等体积含钢率的型钢-圆钢管混凝土轴压短柱的内力变化情况。分析结果表明:三种短柱中型钢-圆钢管混凝土轴压短柱的极限承载力最大且延性最好;与等截面普通方钢管混凝土轴压短柱相比,型钢-方钢管混凝土轴压短柱中核心混凝土纵向应力有所增长,钢管屈服后纵向应力降低速率、环向应力增加速率减缓,钢管对核心混凝土的约束作用减小;与等截面且等体积含钢率的型钢-圆钢管混凝土轴压短柱相比,型钢-方钢管混凝土轴压短柱角部端点的约束效果最明显,钢管中点的约束效果最弱,型钢-圆钢管对核心混凝土的整体约束最强,型钢屈服后纵向应力略低于其屈服强度,且型钢的翼缘部分抗压强度比腹板部分的抗压强度高;等型钢含量情况下,随着翼缘长度b与腹板高度h比值的增大,轴压短柱的极限承载力越来越低,当b/h=0,即十字形钢骨-方钢管混凝土轴压短柱承载力最高;等体积含钢率下,普通方钢管混凝土柱轴压短柱承载力最低,随着型钢截面面积As与方钢管截面面积At的比值的增大,轴压短柱的极限承载力先增后降,当As/At≈0.8时,承载力达到最大值。     

圆CFRP-钢复合管约束高强混凝土短柱轴压试验研究

为研究圆CFRP-钢复合管约束高强混凝土短柱轴压受力性能,进行了6个CFRP-钢复合管约束高强混凝土（CFRP-steel composite tubed high-strength concrete,C-STC）柱和2个CFRP约束高强混凝土（CFRP-confined high-strength concrete,CC）柱、1个钢管约束高强混凝土（steel tubed high-strength concrete,STC）柱对比试件的轴压试验研究,得到了试件轴向荷载-位移曲线和CFRP及钢管的应变。结果表明：C-STC柱在轴压荷载作用下发生剪切破坏;约束模式对其前期刚度影响较小,相同CFRP层数的C-STC柱和CC柱的荷载-位移曲线第二线性段斜率近似相等;随着CFRP层数增多,短柱承载力和变形能力均能得到提高;钢管应力分析表明,STC柱钢管在峰值荷载附近屈服,C-STC柱钢管约在荷载-位移曲线第二线性段起点处屈服,钢材强度得到充分发挥。结合试验结果对已有文献中约束混凝土强度计算模型进行验证,并给出了建议的C-STC柱承载力计算式。     

CFRP-方钢管混凝土轴压短柱承载力分析

采用统一强度理论对CFRP-方钢管混凝土轴压短柱进行受力分析,并引入等效应力系数、混凝土强度折减系数和等效约束折减系数,将CFRP-方钢管混凝土转化为CFRP-圆钢管混凝土,进而建立了CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式。将所得理论公式的计算结果与文献资料数据进行对比,验证了该公式的正确性,并进行了影响因素分析。结果表明:随材料拉压比、统一强度理论参数和CFRP厚度的增加,CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力不断增大,但CFRP的约束效率却随其厚度的增加在减小;所得结论可为CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的设计、施工及推广提供一定的理论依据。     

CFRP-薄壁圆钢管混凝土轴压短柱试验研究

进行了以CFRP为套箍指标主导的大钢管径厚比CFRP-薄壁圆钢管混凝土轴压短柱的轴压试验,观察了其破坏形态与变形特征,测得了CFRP和钢管的荷载-应变关系曲线。分析了CFRP-薄壁圆钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形曲线,探讨了套箍指标对试件受力性能和延性的影响,阐述了区别于普通CFRP-圆钢管混凝土轴压短柱的破坏过程。结果表明:CFRP-薄壁圆钢管混凝土轴压短柱的破坏形态为CFRP断裂引发钢管径向鼓曲破坏;在塑性上升阶段,CFRP能延缓钢管的屈服速率,同时CFRP被赋予一定的塑性,构件在这一阶段具备一定的加劲特征,而钢管混凝土试件呈现软化特征;CFRP套箍指标对构件的极限承载力和延性影响较大,钢管套箍指标的影响相对较弱。     

碳纤维增强复材部分包裹圆钢管混凝土短柱的轴压性能

为了揭示碳纤维布(CFRP)部分包裹圆钢管混凝土短柱的轴压性能,对7根CFRP包裹圆钢管混凝土短柱和1根圆钢管混凝土短柱进行了轴压试验。通过ABAQUS软件建立了轴压作用下CFRP包裹圆钢管混凝土短柱的数值分析模型,考虑了界面之间复杂接触关系和材料特性,开展了轴压作用下CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱力学性能的参数分析,研究了主要参数对CFRP包裹钢管混凝土短柱轴压承载力和初始轴向刚度的影响,揭示了其典型破坏模式。研究结果表明:轴压作用下CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱的破坏模式主要包括CFRP断裂、钢管局部屈曲和核心混凝土局部压溃; CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱的轴压承载力随着材料强度、包裹层数和柱截面面积的增加而增大;其初始轴向刚度随着混凝土强度和柱截面面积的增大而逐渐增大。     

钢管约束型钢高强混凝土压弯构件的抗震性能研究

进行两个圆钢管约束型钢混凝土和两个方钢管约束型钢混凝土压弯构件的滞回性能试验研究,并进行两个普通型钢混凝土对比试件的试验研究。试件的混凝土为C70高强混凝土,试验中的主要参数为轴压比(n0=0.3和0.5)。试验结果表明,型钢混凝土和钢管约束型钢混凝土压弯构件易发生黏结破坏,因此工程实践中应在型钢翼缘设置抗剪连接件以防止黏结破坏的发生。相同用钢量条件下,圆钢管约束型钢高强混凝土柱的抗弯承载力、延性、极限层间变形能力和耗能性能明显高于型钢混凝土柱。随轴压比的提高,圆钢管约束型钢高强混凝土压弯构件的抗弯承载力提高,但轴压比对构件的层间变形能力无明显影响。相同用钢量条件下,方钢管约束型钢高强混凝土柱的抗弯承载力与型钢混凝土柱基本相同,但方钢管约束型钢高强混凝土柱的延性、极限层间变形能力和耗能性能明显高于型钢混凝土柱。随轴压比的提高,方钢管约束型钢高强混凝土压弯构件的抗弯承载力提高,但轴压比对构件的层间变形能力无明显影响。根据试验结果和理论分析结果建议了钢管约束型钢混凝土柱的截面抗弯承载力计算方法,提出设计建议,可为工程实践提供参考。     

CFRP-钢管混凝土核心轴压短柱的承载力研究

在统一强度理论和基本假定的基础上,考虑CFRP-钢复合管对核心区混凝土的侧向约束和外围钢筋混凝土套筒对极限承载力的贡献,推导CFRP-钢管混凝土核心轴压短柱的极限承载力公式。通过与文献中试验结果进行比较,验证理论公式的正确性,并进一步分析总套箍指标、钢管的套箍指标和CFRP筒的套箍指标对承载力的影响,为CFRP-钢管混凝土核心轴压短柱的极限承载力分析提供了一定的理论依据。     

圆钢管约束型钢混凝土短柱轴压承载力分析

在统一强度理论的基础上,对圆钢管约束型钢混凝土短柱的轴心受力性能进行理论分析;采用厚壁圆筒统一强度理论计算钢管对核心型钢混凝土的约束应力,推导出圆钢管约束型钢混凝土短柱的轴压承载力公式;并对影响因素进行分析。将公式的计算结果与文献试验结果进行比较,结果吻合较好,说明统一强度理论对于圆钢管约束型钢混凝土轴压短柱的理论计算有很好的适用性,可为圆钢管约束型钢混凝土柱的分析计算提供一定的理论依据。     

CFRP加固承载状态下圆钢管混凝土轴压短柱屈服承载力分析

为研究CFRP加固承载状态下圆钢管混凝土轴压短柱的屈服承载力,首先推导CFRP加固非承载状态下圆钢管混凝土短柱的屈服承载力,进而对CFRP加固承载状态下圆钢管混凝土轴压短柱屈服承载力的计算式进行了推导。建立了非承载状态下圆钢管混凝土的有限元模型,通过已有试验结果,验证了有限元建模方法的有效性。采用该方法对不同参数的CFRP加固承载状态下圆钢管混凝土短柱建立有限元模型,有限元模拟的屈服承载力与理论计算结果吻合良好,证明了理论公式的准确性。基于所建立的有限元模型和提出的理论公式,分析不同承载率、不同钢管厚度和不同CFRP加固层数等因素对轴压短柱屈服承载力的影响。结果表明:初始承载率影响CFRP的约束效果,屈服承载力随着初始承载率的提高而降低,而CFRP层数的增加则放大了这种效应;增加CFRP加固层数可以有效提高承载状态下构件的屈服承载力,CFRP加固承载状态下圆薄壁钢管混凝土轴压短柱性能更优。     

复合约束方钢管混凝土短柱轴压性能有限元分析

为延缓轴压作用下方钢管的局部屈曲,提高方钢管对核心混凝土的约束能力,提出了一种内置方形箍筋的复合约束方钢管混凝土柱。采用有限元软件ABAQUS对该柱进行模拟,研究其在轴向压力作用下的破坏模式、承载能力、延性、箍筋应力分布和复合约束特性,并分析了混凝土强度、方钢管壁厚对其轴压力学性能的影响。研究结果表明：提高混凝土强度、增加方钢管厚度和增设方形钢筋笼均能显著提高短柱的承载能力;方形箍筋在弹性阶段约束作用较小,其主要在弹塑性阶段和流塑性阶段发挥约束作用,设置方形箍筋可以有效提高短柱承载能力和延性,且其对延性的提高更为显著;方钢管对混凝土的约束作用整体表现为“角部大”的特点,方形箍筋可以有效增强对方钢管边长中部区域混凝土的约束作用,进而使混凝土在各方向受到的约束作用趋于均匀。     

高温喷水冷却后混凝土柱性能对比分析

为对比分析高温喷水冷却后3种约束再生混凝土柱（即螺旋筋再生混凝土柱、方钢管再生混凝土柱和圆钢管再生混凝土柱）的力学性能退化规律,以截面类型、历经温度和再生粗骨料取代率为变化参数,共设计了36个试件,进行高温喷水冷却后的轴心受压加载试验,观察了试件破坏全过程,并对比分析高温喷水冷却后这3种约束再生混凝土柱的极限承载力、初始轴压刚度和延性的差异。结果表明：随历经最高温度的增大,各种约束再生混凝土柱的极限承载力、初始轴压刚度和延性均出现了不同程度的退化,其中圆钢管再生混凝土柱退化幅度最小且较为稳定,方钢管再生混凝土柱的延性随温度升高出现了正增长;随再生粗骨料取代率的增加,方钢管和圆钢管试件的极限承载力、初始轴压刚度和延性呈现先减小后增大的变化趋势,其波动范围为-15.3%~2.3%,而螺旋筋约束混凝土柱试件受取代率影响则相对较小,其变化范围为0~12.9%。     

CFRP-钢管RPC短柱的轴压试验研究

对12根核芯为100～160MPa强度等级的活性粉末混凝土(RPC),外部约束为壁厚2、4mm的钢管和2层碳纤维增强复合材料(CFRP)的CFRP-钢管RPC(CRST)短柱进行试验研究.结果表明:与普通混凝土相比,RPC的抗压强度更高,其在无外部约束状态下的脆性更加明显,达到极限承载力时对应的应变较大;CRST短柱主要发生剪切破坏和端部压缩外鼓破坏,其载荷-位移曲线可划分为线弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段和平台阶段;考虑CFRP和钢管对核芯RPC的双重约束,提出了用影响系数IF表示CFRP和钢管对极限承载力的提高程度,并通过线性回归拟合得到了IF的表达式;同时假设CRST短柱在到达极限承载力时钢管已屈服,采用极限平衡分析的方法对CRST短柱的极限承载力进行了简化计算,得到了与试验结果吻合良好的拟合公式.     

圆钢管钢筋再生混凝土短柱轴压承载力

针对再生混凝土相对普通混凝土延性较差、承载力较低的特点,利用钢管和钢筋笼对再生混凝土的约束作用,将钢筋再生混凝土灌入圆钢管中形成圆钢管钢筋再生混凝土短柱进行研究。基于极限分析法、套箍理论以及双剪统一强度理论,考虑钢管和钢筋笼的双重约束效应,提出了一套包含钢管径厚比、约束效应系数、含钢率以及再生粗骨料取代率等影响因素的圆钢管钢筋再生混凝土短柱轴压承载力计算方法。在理论推导的基础上,考虑短柱的非线性、钢管与再生混凝土的滑移影响,采用ABAQUS有限元软件对圆钢管钢筋再生混凝土短柱进行建模分析; 将理论公式值、有限元仿真结果以及相关文献试验数据进行对比,验证公式的有效性与适用性。结果表明:加了钢筋笼的圆钢管钢筋再生混凝土比圆钢管再生混凝土短柱轴压承载力提高10%左右,研究结论可以为实际工程的应用提供理论基础。     

方形高强钢管混凝土叠合柱轴压极限承载力分析

对于新提出的方形高强钢管混凝土叠合柱的极限承载力,基于统一强度理论,考虑中间主应力和材料拉压比的影响,引入有效约束系数和非有效约束系数并考虑箍筋对钢管外混凝土约束作用的不同,把钢管外箍筋约束混凝土划分为有效约束区和非有效约束区,将方形截面等效为圆形截面以考虑钢管核心混凝土受到的钢管和外围钢筋混凝土的双重约束效应,提出了方形高强钢管混凝土叠合柱的一种新的轴压极限承载力计算方法。将所得理论计算结果与文献试验结果进行对比,吻合良好,证明了公式的正确性。对各参数的影响规律分析表明,方形高强钢管混凝土叠合柱的承载力随着侧压系数、中间主应力影响系数、材料拉压比和纵向配筋率的增大而增大,随着钢管径厚比的增大而减小。     

CFRP布对不同截面混凝土柱加固性能分析

为了探究碳纤维增强复合材料(CFRP)布对不同截面混凝土柱的加固性能,以条带用量、条带净间距、条带净宽等参数为控制变量,设计并制作了3组钢筋混凝土柱,第1组试件为方形截面柱,第2组试件为T形截面柱,第3组试件是在第2组试件的基础上,在翼缘与腹板转角处利用角钢对CFRP布进行锚固。通过对3组钢筋混凝土试件进行轴心受压试验,得到了试件极限荷载、轴向变形以及破坏形态等试验数据。采用有限元软件ABAQUS建立了一批CFRP布约束状态下的混凝土短柱,并对其力学性能进行了分析。根据试验数据及有限元分析结果,提出了CFRP条带约束状态下方形截面钢筋混凝土柱和角钢锚固CFRP条带约束状态下T形截面钢筋混凝土柱极限承载力的计算公式。结果表明:随着CFRP条带用量的增加,加固混凝土柱的承载力增大; 当CFRP条带的用量相同时,极限承载力随条带净间距的减小而增大; 使用角钢在T形截面柱的翼缘与腹板转角位置对CFRP条带锚固,可以更好地发挥出CFRP条带的抗拉强度,使混凝土柱的极限承载力有所提升。     

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.