设分配梁与内环板传力构造的巨型钢管混凝土柱抗震性能试验研究

针对7个按1∶5缩尺的设置分配梁加内环板传力构造的巨型钢管混凝土柱试件进行拟静力试验研究,考察了轴压比、长细比、管壁宽厚比及纵向T形加劲肋等因素对此类构件抗震新能的影响。研究结果表明,管壁宽厚比大于60的试件,在达到极限荷载之前（约为极限荷载的63%）发生管壁局部屈曲,延性较差;设置T形加劲肋可有效减小管壁宽厚比,提高管壁局部屈曲强度,改善试件的延性性能及耗能能力;试件位移延性系数随轴压比和试件长细比的增大而降低,刚度退化越明显;在低周反复荷载作用下,同时设置分配梁与内环板传力构造的钢管混凝土柱试件破坏时的位移角超过了规范规定的弹塑性层间位移角限值,满足抗震设计要求,且钢管与核心混凝土变形协调,相应的截面属性和压弯承载力可按平截面假定计算。     

大宽厚比矩形钢管混凝土柱纵向加劲肋构造研究现状

超大截面矩形钢管混凝土柱具有较高的极限承载力。现行相关规范对管壁宽厚比的要求在保证管壁局部屈曲性能的同时,限制了对构件含钢率的进一步优化。在钢管壁内侧设置纵向加劲肋,可有效提高其局部屈曲性能,降低构件的用钢量,充分发挥高强钢的性能。对国内外有关管壁局部屈曲的产生机理和宽厚比限值等方面的研究成果进行了归纳总结,对国内外有关纵向加劲肋对大宽厚比钢管混凝土柱静力承载性能和抗震性能影响、加劲肋和子板件构造要求等方面的试验和理论研究进行了比较分析。基于上述工作,提出了以控制管壁局部屈曲为目标的纵向加劲肋构造设置原则及其作用机理,以及设加劲肋的大宽厚比钢管混凝土柱承载力计算等需要深入研究的方向。     

超大截面钢管混凝土柱分配梁构造节点下轴压荷载传递试验研究

为保证超大截面矩形钢管混凝土柱中钢管和混凝土的共同工作性能,在前期研究的基础上对荷载作用于管壁的超大截面矩形钢管混凝土柱1∶5缩尺模型进行轴压承载力试验研究,试件在节点核心区采用压力分配梁构造参与荷载传递,试验参数考虑钢管宽厚比、压力分配梁刚度。结果表明:所有试件试验承载力均基本达到90%以上名义承载力(Nu=fyAs+fckAc),表明采用压力分配梁构造具有良好的荷载传递性能;竖向荷载通过界面黏结强度及滑动摩擦力传递至核心混凝土非常有限,主要通过分配梁传递至核心混凝土;分配梁刚度的变化会导致试件破坏模态的转变,分配梁H200×100×10×10试件为混凝土压溃破坏,分配梁H130×70×6×6试件为钢梁剪切撕裂破坏,且分配梁刚度相对较小时尽管试验承载力达不到名义承载力,但具有更好的延性性能;采用分配梁构造无法保证钢-混凝土之间变形协调,主要原因是分配梁加载过程中产生较大塑性变形,但试验荷载-位移曲线及破坏模态表明分配梁与钢梁周围混凝土的组合作用能够保证竖向荷载直接有效地传递至核心混凝土。     

设传力措施的巨型方钢管混凝土柱抗震性能有限元分析

为研究设有分配梁、内环板传力措施的巨型方钢管混凝土柱的抗震性能,以已有试验结果为基础,采用ABAQUS软件对巨型柱进行了有限元分析,计算得到的P-Δ滞回曲线和破坏模态等均与试验结果吻合良好,验证了有限元模型的合理性。在此基础上,以长细比、钢管宽厚比、轴压比及是否设置加劲肋等进行参数分析。分析结果表明:轴压比、钢管宽厚比是影响巨柱延性及耗能性能的关键因素;随着管壁宽厚比的增大,柱延性系数明显降低;随着轴压比的增加,其延性系数明显降低;在钢管壁上设置T形加劲肋后,有效改善了延性。通过分析传力构造的应力状态可知,分配梁与内环板相结合的传力措施能够有效保证低周反复荷载作用下巨型钢管混凝土柱的整体工作性能。     

巨型钢管混凝土柱分配梁构造下竖向荷载传递机理研究（I）：试验研究

在前期试验研究的基础上,对设置分配梁构造的超大截面矩形钢管混凝土柱进行轴压1∶5缩尺模型试验 研究。为考察分配梁构造对竖向荷载的传递机制,试验中竖向荷载仅通过加载梁施加于钢管壁,混凝土不直接承 担荷载。通过对试件破坏模式、分配梁破坏模式、管壁应变分布、试件承载性能及钢-混凝土共同工作性能进行 分析,结果表明：所有试件表现出良好的延性,根据试验竖向荷载-位移曲线得出试件达到峰值荷载前具有较长 的屈服平台段;混凝土承担的荷载取决于分配梁截面面积及截面刚度,并随分配梁截面面积的减小而降低;分配 梁破坏模式为在梁端产生剪切屈服区域并产生较大塑性变形,部分试件分配梁下翼缘及腹板处形成了贯通撕裂裂 缝;分配梁试验屈服承载力略大于梁全截面抗剪承载力,试验极限承载力接近梁全截面抗拉承载力。     

巨型钢管混凝土柱分配梁构造下竖向荷载传递机理研究(Ⅰ):试验研究

在前期试验研究的基础上,对设置分配梁构造的超大截面矩形钢管混凝土柱进行轴压1∶5缩尺模型试验研究。为考察分配梁构造对竖向荷载的传递机制,试验中竖向荷载仅通过加载梁施加于钢管壁,混凝土不直接承担荷载。通过对试件破坏模式、分配梁破坏模式、管壁应变分布、试件承载性能及钢-混凝土共同工作性能进行分析,结果表明:所有试件表现出良好的延性,根据试验竖向荷载-位移曲线得出试件达到峰值荷载前具有较长的屈服平台段;混凝土承担的荷载取决于分配梁截面面积及截面刚度,并随分配梁截面面积的减小而降低;分配梁破坏模式为在梁端产生剪切屈服区域并产生较大塑性变形,部分试件分配梁下翼缘及腹板处形成了贯通撕裂裂缝;分配梁试验屈服承载力略大于梁全截面抗剪承载力,试验极限承载力接近梁全截面抗拉承载力。     

带肋方钢管混凝土柱偏心受压力学性能研究

在方钢管混凝土管壁内设置纵向加劲肋可提高其管壁的稳定性。采用有限元软件ABAQUS对带肋方钢管混凝土柱偏心受压荷载-变形全过程关系进行计算,计算得到的破坏形态和荷载-变形关系曲线与试验结果符合较好。在此基础上,通过典型算例从变形情况、荷载-变形全过程曲线、核心混凝土的纵向应力分布以及钢管与混凝土相互作用四个方面对带肋方钢管混凝土的工作机理进行分析,并且与相应的无肋方钢管混凝土进行对比。研究结果表明:加劲肋的设置可以增加钢管约束支撑点,减小鼓曲的横向变形值,增强核心混凝土与管壁之间的相互作用,进而有效地延缓构件局部屈曲,改善管壁的稳定性,提高构件的极限荷载;纵向加劲肋宽度越大,构件极限荷载越高,后期延性越好;加劲肋宽度设置应控制在一定范围,能获得较好的综合经济效果。     

带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱设计探讨

薄壁方钢管混凝土能取得较好的经济效果,适宜在结构中用作柱构件。但薄壁钢管在荷载较大时易发生局部屈曲,且降低对混凝土的约束。研究表明,在钢管纵向设置加劲肋可有效延缓管壁局部屈曲,改善构件工作性能。针对该新型方钢管混凝土轴压短柱,探讨子板件最大宽厚比及加劲肋的最小刚度确定方法。最后利用国内外常用的钢管混凝土设计规范对已有充分加劲的试验构件进行承载力计算,通过分析比较确定这些规范计算公式的适用性,供工程实践参考。     

Experimental research on mechanical behavior of concrete-filled thin-walled stiffened square steel tubular short column under axial load

为研究带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱的受力性能,以钢管宽厚比、加劲肋宽度和加劲肋个数为参数,对26个薄壁方钢管混凝土短柱进行了试验研究。研究结果表明：对于无肋试件,在达到承载力以前管壁已经发生鼓曲,且试件宽厚比越大,鼓曲越早发生,鼓曲部位的钢管截面越早退出工作,没有发挥出钢管混凝土的优势。设置加劲肋后薄壁方钢管混凝土短柱的受力性能得到明显改善,钢管壁的局部鼓曲得以延缓,材料强度得到了充分利用,试件承载力提高。当试件宽厚比为60、80时,加劲肋宽度对试件承载力影响最明显,加劲肋宽度越大,承载力越高,增加加劲肋个数对试件承载力影响不大;而当试件宽厚比为100时,设置单个加劲肋已不能满足对管壁局部屈曲的抗弯刚度要求,必须增加加劲肋的个数以增加约束钢管变形的支撑点,减小管壁局部屈曲的波长,提高试件局部屈曲的临界荷载。同时利用ABAQUS有限元计算软件对薄壁带肋方钢管混凝土轴压短柱的受力全过程进行了模拟,并将试验结果与有限元模拟结果进行了对比,两者吻合良好,为下一步分析奠定基础。     

带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱受力性能试验研究

为研究带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱的受力性能,以钢管宽厚比、加劲肋宽度和加劲肋个数为参数,对26个薄壁方钢管混凝土短柱进行了试验研究。研究结果表明:对于无肋试件,在达到承载力以前管壁已经发生鼓曲,且试件宽厚比越大,鼓曲越早发生,鼓曲部位的钢管截面越早退出工作,没有发挥出钢管混凝土的优势。设置加劲肋后薄壁方钢管混凝土短柱的受力性能得到明显改善,钢管壁的局部鼓曲得以延缓,材料强度得到了充分利用,试件承载力提高。当试件宽厚比为60、80时,加劲肋宽度对试件承载力影响最明显,加劲肋宽度越大,承载力越高,增加加劲肋个数对试件承载力影响不大;而当试件宽厚比为100时,设置单个加劲肋已不能满足对管壁局部屈曲的抗弯刚度要求,必须增加加劲肋的个数以增加约束钢管变形的支撑点,减小管壁局部屈曲的波长,提高试件局部屈曲的临界荷载。同时利用ABAQUS有限元计算软件对薄壁带肋方钢管混凝土轴压短柱的受力全过程进行了模拟,并将试验结果与有限元模拟结果进行了对比,两者吻合良好,为下一步分析奠定基础。     

矩形钢管混凝土柱T形加劲肋设计方法

基于钢板弹性屈曲理论,提出了矩形钢管混凝土柱内设置T形加劲肋的技术措施和设计方法。对于板件宽厚比较大的矩形钢管混凝土柱,沿钢管壁纵向设置T形加劲肋,由于T形加劲肋翼缘部分包裹于混凝土内部,充分发挥加劲肋与混凝土的共同工作性能,改善钢管壁局部屈曲性能。采用能量法并考虑内部混凝土对钢管壁的侧向支撑作用,基于均匀受压四边固支板简化计算模型,推导了内设置T形加劲肋的柱壁板件临界应力计算公式。通过控制钢管壁全截面有效,并考虑加劲肋界限刚度比影响,提出了矩形钢管混凝土柱的T形加劲肋刚度限值要求。结果表明:T形加劲肋与混凝土的共同工作显著改善了钢管壁的局部屈曲性能;对于大宽厚比矩形钢管混凝土柱,通过合理设计T形加劲肋,仍可使钢管壁全截面有效,即先发生屈服而不是局部屈曲。     

火灾下带肋薄壁方钢管混凝土柱承载力分析

对带肋薄壁方钢管混凝土柱在火灾下的承载力进行了分析,考察了各重要参数对构件承载力影响系数的影响。结果表明:在火灾作用下,带肋薄壁方钢管混凝土柱的承载力损失较为严重,在一定参数范围内,截面尺寸、构件长细比和防火保护层厚度对火灾下构件承载力影响系数的影响较大,荷载偏心率、截面含钢率的影响次之,钢管屈服强度、加劲肋屈服强度、混凝土抗压强度的影响较小,加劲肋宽厚比在荷载比≤0.3且宽厚比≤25的情况下有一定影响。在构件外表面采用防火保护能有效提高耐火极限,而且厚涂型钢结构防火涂料的效果明显优于水泥砂浆保护层。     

设平板加劲肋矩形钢管混凝土柱屈曲性能分析与设置原则研究

文中根据能量变分原理,采用瑞利-里兹法对设肋钢管混凝土钢管板件的局部屈曲性能进行研究,推导出设肋板件（刚性基层）屈曲系数,并在此基础上推导得到平板加劲肋的最小刚度要求。然后,对影响加劲肋最小截面刚度的因素进行分析,分析结果表明,加劲肋最小截面刚度和加劲肋面积与钢管壁板件面积的比值、管壁宽厚比、钢材屈服强度、钢管壁抗弯刚度有关;随着钢管壁宽厚比的增大,所需加劲肋最小抗弯刚度增大;随着加劲肋设置道数的增加,所需加劲肋最小抗弯刚度减小。最后,建立大量经试验验证了的ABAQUS有限元模型进行参数分析,数值计算参数分析结果较好地验证了文中所推导解析解的正确性。数值计算结果表明,当加劲肋的设置满足本文提出的最小刚度要求时,大宽厚比的钢管板件能够达到全截面有效,可按照我国相关规范进行承载力设计。     

圆CFRP-钢管混凝土压弯构件静力性能试验研究

进行了32个圆CFRP-钢管混凝土压弯构件的试验研究。结果显示,构件的载荷-中截面挠度曲线可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段,构件的破坏属于延性破坏。分析表明,从加载之初直到极限荷载,钢管和CFRP在纵向和环向都可以协同工作,环向应变沿截面周边分布不均匀;钢管纵向应变沿截面高度的分布基本符合平截面假定;纵向受压的钢管存在内力重分布过程,纵向受拉区钢管对核心混凝土的环向约束效果不显著;构件的挠曲线大致为正弦半波曲线。采用纤维模型法分析圆CFRP-钢管混凝土压弯构件的荷载-中截面挠度曲线,分析结果与试验结果吻合较好且偏于安全。     

带肋方钢管混凝土短柱性能研究

文章进行了1根无肋和5根带肋方钢管混凝土柱的轴压试验,通过改变试件的截面形式对试件的荷载-位移曲线、极限承载力等方面进行研究。结果表明,在含钢率不变的前提下,设置加劲肋的方钢管混凝土的极限承载力低于无肋方钢管混凝土,该试验设置的纵向加劲肋在一定范围内能够改善方钢管混凝土短柱的延性性能。     

L形钢管混凝土轴压短柱力学性能研究

本文进行了四根有加劲和二根无加劲的L形钢管混凝土短柱轴压试验。对试件破坏过程及结果进行了较为详细的描述,在此基础上,考察了不同宽厚比和内部有无加劲肋对试件承载力和延性的影响。结果表明：L形钢管混凝土柱延续了钢管混凝土的特性,有良好的受力性能;当钢管宽厚比不大于60（即短肢柱）时,加劲肋虽然对L形钢管混凝土的承载力没有明显的贡献,但是可以有效地提高其延性;而当钢管宽厚比大于60（即长肢柱）时,加劲肋对L形钢管混凝土柱的承载力及延性均无明显影响。最后,在选择合理的钢材和核心混凝土本构关系基础上,采用大型通用有限元分析程序ABAOUS建立了轴压荷载下L钢管混凝土柱的三维非线性有限元分析模型,分析了构件的荷载一变形关系,计算表明,计算曲线与试验曲线吻合良好。     

带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱滞回性能研究

对3根带肋冷弯薄壁方钢管混凝土柱进行滞回试验,主要参数为轴压比。试验结果表明：纵向加劲肋有效延缓了钢管壁局部屈曲的发生;其滞回曲线饱满,具有良好的耗能能力;随着轴压比的增大,柱承载力略有增大,而延性、耗能能力则明显减小;当横向位移大于6倍的屈服位移时,大轴压比的刚度退化速度最快。建立了该类试件的有限元模型,对比可得有限元模拟结果与试验结果吻合较好。基于有限元模型对该类构件开展机理分析和参数分析。结果表明：在带肋冷弯薄壁方钢管的约束下,核心混凝土的强度得到了较大提高;钢管局部屈曲发生在峰值荷载后,局部屈曲只发生在纵向加劲肋和钢管角部间;材料强度、轴压比、钢管宽厚比和长细比等参数对该类构件的承载力有较大影响;混凝土强度、轴压比和长细比对荷载-位移骨架曲线形状有较大影响。基于参数分析建议了该类构件的简化滞回模型,简化计算结果和有限元计算结果吻合较好。     

带肋薄壁方钢管混凝土短柱轴压力学性能试验研究

为研究带肋薄壁方钢管混凝土短柱的受力性能,以钢管宽厚比、含钢率和加劲肋个数为参数,设计了26个薄壁方钢管混凝土短柱,主要分析了带肋钢管混凝土短柱的极限承载力,破坏形态以及各参数对其受力性能的影响规律。试验结果表明:设置加劲肋不仅能提高试件纵向承载力,而且有效减缓钢管壁的局部鼓曲。随着试件含钢率即加劲肋高度的增加,试件承载力和管壁稳定性有增加的趋势。     

异型钢管塔柱承载力试验研究和有限元分析

河南广播电视发射塔外塔柱采用异型大直径钢管,截面由三段直边和三段圆弧板组合而成,其径厚比已超过现行《钢结构设计规范》对圆钢管径厚比的限值,其承载力与管壁不同的加劲方法有关。分别采用内加劲肋和内桁架加劲两种方法对管壁进行内加劲可提高管壁的局部稳定性,从而提高构件的极限承载力。通过对两种加劲方法以及无加劲肋三种类型截面塔柱的缩尺试验研究和有限元模拟分析,有限元计算结果与试验实测结果吻合较好。研究表明:设计荷载作用下,三种形式截面均全截面处于弹性工作状态,具有足够的强度和刚度。对管壁采用内加劲肋方式处理后,截面承载能力提高20%左右,采用内桁架对管壁进行处理也可改善截面的应力分布,但在设计荷载作用下的效果并不显著。建议设计中采用内加劲肋对管壁加劲,提高构件的安全储备。     

设肋方形薄壁钢管混凝土短柱试验研究

为改善方形薄壁钢管混凝土矩柱的力学性能。本文提出了设置纵向劲肋的截面形式,进行了3种截面形式共有9个短柱试件的轴压试验。通过对各种截面形式短柱的试验现象、荷载-位移曲线及极限承载力等的研究,证明纵向加劲肋可有效提高薄壁钢管混凝土短柱的静力性能。