方钢管高强混凝土短柱有限元分析

文章基于冷弯型方钢管高强混凝土短柱试件的轴心受压试验,采用ABAQUS通用有限元分析软件对试件的轴压工况进行数值计算。采用合理的材料本构方程、建模与网格划分方法,使有限元计算结果与试验结果吻合较好。分析了在荷载-应变典型曲线特征点时轴压短柱试件的核心混凝土横截面轴向应力分布和试件在各阶段的受力性能。得到如下结论:钢管的冷弯区域决定了核心混凝土横截面轴向应变的分布;轴压短柱达到极限承载力时,核心混凝土由于方钢管的约束作用,其抗压强度得到明显提高;文章采用的有限元模型在分析冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱时是可行的。     

冷弯薄壁方钢管混凝土短柱轴压承载力的计算

运用有限元程序ANSYS分析了冷弯薄壁方钢管混凝土短柱轴压承载力的计算方法。分析结果表明,计算冷弯薄壁方钢管混凝土受压承载力时,需要考虑方钢管对混凝土的约束作用,但此时方钢管对混凝土的约束作用没有圆形钢管对混凝土的约束作用强;冷弯薄壁方钢管混凝土短柱的极限承载力可以直接套用普通方钢管混凝土轴心受压计算公式进行计算,并且当套箍系数控制在1．2以上,且混凝土强度不小于C25时,计算结果与有限元模拟结果吻合得更好。     

配筋钢管混凝土柱抗压性能

对配筋钢管混凝土柱的轴心受压性能进行了试验研究和理论分析;研究了配筋钢管混凝土短柱的受力性能、变形能力和破坏形态,给出了变形和极限承载能力的试验结果;分析了加配钢筋的作用及其对钢管混凝土柱变形和极限承载力的影响。最后探讨了配筋钢管混凝土短柱轴心受压承载力的计算方法,给出了简化计算公式。结果表明,钢管混凝土短柱加配钢筋以后,改变了其破坏形态,提高了其极限承载能力和变形性能。     

型钢-方钢管自密实高强混凝土轴压短柱受力性能的试验研究

提出了一种重载柱设计的模式,即型钢-方钢管自密实高强混凝土柱。该组合柱是在方钢管中填充自密实高强混凝土和型钢而形成。通过13根型钢-方钢管自密实高强混凝土短柱的轴心受压试验,研究了该组合柱的受力性能。试验结果表明自密实试件与经过振捣的试件的受力性能几乎没有差别;型钢的存在有效地延缓或抑制了高强混凝土中剪切裂缝的产生从而提高了构件的延性;混凝土强度、方钢管的宽厚比和型钢的用量对构件的强度和延性有着显著影响。最后给出了型钢-方钢管自密实高强混凝土轴心受压短柱强度承载力的计算公式,计算结果与试验结果吻合良好。     

穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱轴压试验研究

为研究穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱的轴压性能,完成了穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱与仅设约束拉杆、仅设加劲肋、普通方钢管混凝土短柱对比试件的轴心受压试验;观察了试件的受力全过程和破环特征,分析了试件的荷载-位移曲线、荷载-应变曲线、轴压承载力、延性、含钢率等性能指标.结果 表明:穿孔肋拉杆的设置使钢管壁对核心混凝土的约束作用更趋均匀,改变了钢管的局部屈曲变形状态,显著提高了方钢管混凝土柱的轴压承载力和延性;当柱截面含钢率相同时,与仅设加劲肋的钢管混凝土柱相比,穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱的轴压承载力提高了7％,延性提高了30％;与仅设约束拉杆的方钢管混凝土柱相比,穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土柱的轴压极限承载力提高了10％,延性提高了19％.     

骨料取代率对方钢管再生混凝土短柱力学性能的影响

采用ANSYS软件建立方钢管再生混凝土轴心受压短柱有限元分析模型,考查骨料取代率对钢管再生混凝土柱荷载-应变曲线和局部屈曲性能的影响。结果表明,钢管再生混凝土柱轴压承载力随着骨料取代率的增加而降低,骨料取代率变化对钢管再生混凝土柱的延性和局部屈曲性能影响不大。     

轴心受压钢骨-方钢管高强混凝土组合短柱承载力

为研究钢骨-方钢管高强混凝土组合短柱轴心受压力学性能,基于合理选取钢材和混凝土本构关系以及正确定义单元类型、模型接触、加载边界条件和加载方式,采用大型通用有限元软件ABAQUS建立钢骨-方钢管高强混凝土组合短柱轴心受压有限元模型,通过后处理得到组合短柱的荷载纵向应变关系曲线,并与试验的荷载纵向应变曲线进行对比分析。分析了典型试件受力全过程以及最终破坏形态,同时比对了不同类别组合短柱轴心受压承载力简化计算公式,最后给出最优简化计算公式。     

无端板方钢管再生混凝土短柱轴向局部受压性能试验研究

以局压面积比α为主要研究参数,对无端板方钢管再生混凝土短柱进行轴向局部加载试验。试验观察其受力过程和破坏形态,得到荷载-位移曲线,分析应变分布与发展情况,并研究局压面积比对其受力性能的影响。结果表明:无端板方钢管再生混凝土短柱与普通方钢管混凝土短柱的轴向局部受压受力过程和破坏模式基本相同;当局压面积比不大于16时,随着α的增加,试件局压弹性模量有降低的趋势,极限承载力降低明显,加载后期下降段越平缓,剩余承载力越大。最后,基于普通圆钢管混凝土短柱局压承载力计算原理给出无端板方钢管再生混凝土短柱轴向局压极限承载力计算公式,计算值与试验值吻合较好。研究结果可为工程应用提供参考。     

钢管高强轻集料混凝土短柱轴压性能的试验研究

通过24根钢管高强轻集料混凝土短柱的轴心受压试验,研究了钢管高强轻集料混凝土短柱在轴心压力下的轴力-纵向应变关系、宏观变形特征、破坏机理和破坏模式。试验结果表明:在钢管的约束下高强轻集料混凝土的弹性模量、强度和塑性性能得到了不同程度的改善,且构件的刚度有所提高;紧箍系数是影响钢管高强轻集料混凝土短柱力学性能的主要因素,紧箍系数越高,构件极限承载力提高越明显,延性越好;钢管高强轻集料混凝土短柱轴压极限承载力与同规格钢管普通混凝土基本相当。     

钢管加固钢筋混凝土短柱的偏压性能试验和计算方法研究

为获悉钢管加固钢筋混凝土柱(RCSST)的偏压性能与受力机理,对10根RCSST短柱开展了偏压性能试验,研究了短边偏心率、长边偏心率和芯柱混凝土面积占比等参数对其偏压性能的影响,得到了典型的试验现象、破坏模式、极限承载力、位移延性系数和强度提高系数的变化规律,通过荷载-位移曲线和荷载-应变曲线的发展规律揭示了RCSST短柱在偏心受压作用下的受力机理,提出了RCSST短柱的偏压承载力计算方法。研究结果表明:RCSST短柱偏压试件的主要破坏模式包括后置钢管局部屈曲、钢管焊缝处发生部分撕裂、内部高强灌浆料压溃和纵筋屈曲;其偏压极限承载力随着偏心率和芯柱混凝土面积占比的减小而增大;其延性随着偏心率和芯柱混凝土面积占比的增大有明显改善。     

Behavior of concrete-filled rectangular weathering steel tubular stub columns under axially compressive loading

为了研究耐候钢管混凝土轴压短柱的受力性能,开展了矩形截面形式共4根耐候钢管混凝土轴压短柱试验研究,采用有限元法对试验轴压短柱性能进行了建模分析。结合试验和有限元法,分析比较耐候钢管混凝土轴压短柱与普通钢管混凝土轴压短柱受力性能的差异。研究结果表明：耐候钢材拉伸性能试验表明耐候钢材与碳素钢的力学性能相似,文中采用的钢材本构关系对耐候钢适用;设置约束拉筋使得构件承载力、延性以及钢管对混凝土的约束作用均有提高;耐候钢管混凝土短柱试验研究、有限元分析结果均表明耐候钢管混凝土短柱轴压性能与普通钢管混凝土无显著差异。     

Experiment study of stirrup-confined concrete-filled square double-skin steel tubular stub columns under axial loading

通过带拉筋方中空夹层钢管混凝土轴压短柱受力性能试验,研究了拉筋配箍率对试件承载力、刚度、延性及横向变形系数的影响。采用混凝土三轴受力状态本构模型和钢材本构模型,应用ABAQUS有限元分析软件建立并验证了带拉筋方中空夹层钢管混凝土轴压短柱三维实体有限元模型,有限元计算结果与试验结果吻合良好;在此基础上,分析了拉筋对内外方钢管和混凝土约束作用机理。研究结果表明:拉筋能有效缓解了方钢管的局部屈曲,对短柱承载力、刚度、延性的提高效果明显;拉筋加强了内钢管对混凝土的约束作用,使得内钢管受力更加合理,并且拉筋配箍率越大,约束作用越明显。     

不同圆心角圆端形钢管混凝土短柱轴压性能

为研究圆心角60°和120°圆端形钢管混凝土短柱轴压力学性能,对4个圆端形钢管混凝土短柱进行轴压试验,探究不同圆心角和宽厚比对其极限承载力的影响。基于试验结果,应用有限元软件ABAQUS进行三维实体建模,对圆端形钢管混凝土短柱进行参数分析,研究了钢材强度、混凝土强度、宽厚比、高宽比、尺寸效应等对极限承载力的影响。基于参数分析,建立圆心角为60°和120°圆端形钢管混凝土短柱极限承载力实用计算公式。结果表明:破坏形态均为局部屈曲破坏,且平直段区域均出现局部屈曲现象; 随圆心角增大,构件极限承载力增大; 随宽厚比增大,极限承载力呈现下降趋势; 当圆弧段圆心角从60°增大至120°时,强度指标降低,表明整体约束效应减弱; 圆端形钢管混凝土轴压短柱的整体约束效应随圆心角增大而减小; 随着钢材强度、混凝土强度的增大和构件宽厚比的减小,极限承载力逐渐增大; 不同圆心角的尺寸效应对其极限承载力与初始刚度的影响类似,随着构件尺寸增大,极限承载力与初始刚度均呈现增大的趋势。     

Finite element analysis on axial loading behavior of stub columns of square concrete-filled steel tube with diagonal ribs

为改善方钢管对核心混凝土的约束效应和薄壁钢管混凝土柱的受力性能,提出了带斜拉肋方钢管混凝土柱,其中斜拉肋通长并焊接于钢管两邻边的三分点处。基于有限元软件ABAQUS,对带斜拉肋的方钢管混凝土短柱的轴压受力性能进行了精细化模拟,分析了斜拉肋的设置与否、钢管宽厚比、混凝土强度、斜拉肋厚度、钢材强度、斜拉肋与钢管之间焊缝间隔长度及斜拉肋孔径、间距对轴压力学性能的影响。结果表明：设置斜拉肋可使方钢管混凝土短柱的轴压承载力平均提高14.9%左右,并使方钢管对核心混凝土的约束效果增加,即组合作用系数从1.031平均增加到1.103,尤其可以明显改善大宽厚比方钢管混凝土柱的轴压承载力及组合作用;采用较薄厚度的斜拉肋,可使短柱的组合作用更好,并能充分发挥材料的性能。     

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。     

圆钢管高强混凝土轴压短柱受剪承载力分析

为了深入研究钢管高强混凝土轴压短柱破坏模式与破坏机理,提出适合钢管高强混凝土轴压短柱极限承载力计算方法,针对圆钢管高强混凝土轴压短柱大都发生剪切破坏这一典型现象,引入莫尔-库仑强度理论,从理论上分析其发生剪切破坏的原因和受力机理,并从剪切破坏的角度提出了钢管高强混凝土轴压短柱承载力计算方法。利用基于圆钢管高强混凝土轴压短柱试验研究和有限元分析回归得到的处于复杂应力场中的钢管纵向应力σv-纵向应变ε关系曲线和钢管横向应力σh-纵向应变ε关系曲线的数学表达式,得到了钢管高强混凝土轴压短柱承载力包络线的简化计算方法,简化计算曲线与试验曲线吻合良好,可用于分析钢管高强混凝土轴压短柱的受剪承载力。     

带约束拉杆方形钢管混凝土轴压短柱的承载力计算

在现有一般方形钢管混凝土轴压短柱承载力的主要计算方法的基础上,利用前期对在带约束拉杆方形钢管混凝土的本构关系的研究基础上推导出的带约束拉杆方形钢管混凝土轴压短柱的承载力计算公式,结合实际工程应用的需要进行简化。分别应用该公式、EC4(1996)规范及我国军用标准GJB(2000)的相关公式对带约束拉杆和不带约束拉杆的方形钢管混凝土轴压短柱试件极限承载力进行计算。计算值与试验值对比表明:对一般方形钢管混凝土轴压短柱试件,三者计算结果比较接近,均能较好反映试件的真实承载力;对设置了约束拉杆的试件,该公式由于考虑了拉杆的约束作用,给出的计算结果更为合理,EC4(1996)及GJB(2000)给出结果的均值与试验值接近,但离散性偏大。     

高强圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

为了研究高强钢管混凝土短柱的承载性能,进行了13个高强圆钢管混凝土短柱轴压试验,从破坏模式、荷载-位移关系、承载力、残余承载力和延性方面对内填普通强度混凝土和超高性能混凝土的短柱受力性能进行了对比分析,研究了钢管强度、混凝土强度以及径厚比对两种钢管混凝土短柱的轴压性能影响。试验结果表明：钢管混凝土短柱的破坏模式与等效径厚比相关,分为腰鼓型破坏和剪切型破坏两种;在相同钢管强度及径厚比条件下,内填普通强度混凝土的短柱较内填高性能混凝土的短柱具有更高的承载力提高系数和残余承载力比,以及更好的延性。同时,将试验承载力结果与我国GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》、欧洲规范BS EN 1994-1-1：2004和美国规范ANSI/AISC 360-16中相关公式计算结果进行对比,发现现行规范一定程度上高估了高强钢管超高性能混凝土短柱的承载力。结合已有试验统计数据与高强圆钢管混凝土短柱试验结果,对圆钢管高强及超高强混凝土短柱受压截面承载力计算公式进行修正,得到偏安全的短柱轴压承载力计算公式。     

Experimental study on behavior of circular concrete-filled high- strength steel tubular stub columns under compression

为了研究高强钢管混凝土短柱的承载性能，进行了13个高强圆钢管混凝土短柱轴压试验，从破坏模式、荷载-位移关系、承载力、残余承载力和延性方面对内填普通强度混凝土和超高性能混凝土的短柱受力性能进行了对比分析，研究了钢管强度、混凝土强度以及径厚比对两种钢管混凝土短柱的轴压性能影响。试验结果表明：钢管混凝土短柱的破坏模式与等效径厚比相关，分为腰鼓型破坏和剪切型破坏两种；在相同钢管强度及径厚比条件下，内填普通强度混凝土的短柱较内填高性能混凝土的短柱具有更高的承载力提高系数和残余承载力比，以及更好的延性。同时，将试验承载力结果与我国GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》、欧洲规范BS EN 1994-1-1：2004和美国规范ANSI/AISC 360-16中相关公式计算结果进行对比，发现现行规范一定程度上高估了高强钢管超高性能混凝土短柱的承载力。结合已有试验统计数据与高强圆钢管混凝土短柱试验结果，对圆钢管高强及超高强混凝土短柱受压截面承载力计算公式进行修正，得到偏安全的短柱轴压承载力计算公式。