内置圆钢管混凝土的异形柱-组合梁装配式中节点抗震性能试验研究

为研究内置圆钢管混凝土的异形柱-组合梁装配式中节点抗震性能,进行了3个足尺内置圆钢管混凝土的异形柱-组合梁装配式中节点试件的低周往复加载试验,试件变化参数为柱轴压比,分析了试件的破坏形态、滞回性能、刚度退化、耗能能力,讨论了梁-柱节点和柱与柱连接的可靠性。结果表明:试件的破坏形态为梁端弯曲破坏,梁端产生塑性铰,装配式梁柱节点连接可靠;钢管混凝土柱与柱连接处混凝土应变较小,装配式钢管混凝土上下柱连接处未发生竖向滑移,连接安全可靠;在一定范围内,随着柱轴压比的增大,试件承载力提高,延性及耗能能力增强,刚度退化速率加快。     

Experimental research on seismic behavior of steel pipe bulk mass recycled concrete column-steel beam framework

为了研究钢管再生混凝土柱-钢梁框架的受力性能,对4榀内置大块体钢管再生混凝土柱-钢梁框架进行低周反复荷载试验和有限元模拟,通过变化混凝土取代率、含钢率等参数来研究其滞回性能、延性、承载力与刚度退化、耗能能力等性能指标。试验结果表明：框架试件的滞回曲线均较饱满,呈“梭形”,位移延性系数均大于3,等效阻尼系数为0.158~0.472,承载力退化并不明显,而整体刚度退化较为明显,试验过程中的耗能指标平稳,说明框架的耗能能力和抗震性能较好。由有限元分析可知：模拟的滞回曲线与试验结果吻合较好;柱根部塑性铰出现在加劲肋上部约40mm处,加载端塑性铰长度约95mm,梁端塑性铰长度约90mm;混凝土强度在C30~C80之间,框架的弹性刚度和承载力随混凝土强度的提高而增加;梁柱线刚度比在0.32~2.00之间,框架的承载力和弹性刚度随线刚度比增加而提升。     

钢管大块体再生混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究

为了研究钢管再生混凝土柱-钢梁框架的受力性能,对4榀内置大块体钢管再生混凝土柱-钢梁框架进行低周反复荷载试验和有限元模拟,通过变化混凝土取代率、含钢率等参数来研究其滞回性能、延性、承载力与刚度退化、耗能能力等性能指标。试验结果表明:框架试件的滞回曲线均较饱满,呈"梭形",位移延性系数均大于3,等效阻尼系数为0.158~0.472,承载力退化并不明显,而整体刚度退化较为明显,试验过程中的耗能指标平稳,说明框架的耗能能力和抗震性能较好。由有限元分析可知:模拟的滞回曲线与试验结果吻合较好;柱根部塑性铰出现在加劲肋上部约40 mm处,加载端塑性铰长度约95 mm,梁端塑性铰长度约90 mm;混凝土强度在C30~C80之间,框架的弹性刚度和承载力随混凝土强度的提高而增加;梁柱线刚度比在0.32~2.00之间,框架的承载力和弹性刚度随线刚度比增加而提升。     

圆钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

通过8个圆钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土(RC)柱、1个增大截面法加固RC柱和1个未加固RC原柱的低周反复加载试验,观察各柱的破坏过程,分析了其滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、刚度和承载力退化等,并研究了不同加固方式、轴压比、钢管壁厚、后浇混凝土强度对圆钢管自密实混凝土加固RC柱抗震性能的影响。结果表明:采用圆钢管自密实混凝土加固RC柱,加固部分与原柱之间协同工作性能良好,柱的破坏过程和破坏形态与普通钢管混凝土柱相似,滞回曲线饱满,转角延性系数均大于3. 32,各项抗震性能指标均能满足现有的抗震性能要求,且其抗震性能优于增大截面法加固RC柱的抗震性能。在试验设计的参数变化范围内,随着轴压比的增大,圆钢管自密实混凝土加固柱的承载力和耗能能力提高,但延性降低,刚度和承载力退化变快;随着钢管壁厚的增大,圆钢管自密实混凝土加固柱的承载力、延性和耗能能力等都有显著提高,刚度退化变缓;随着后浇混凝土强度的提高,圆钢管自密实混凝土加固柱的承载力提高,但延性明显降低。     

水平地震下钢-混凝土组合框架结构极限抗震与强柱构造

"强柱弱梁"是当前国际上主流的工程结构抗震设计理念,已有地震灾害调查表明,由于地震作用机制的复杂性以及对工程结构极限抗震认识的不足,强震作用后框架结构除出现梁铰的"强柱弱梁"破坏之外,还出现整体倒塌、柱铰以及局部楼层倒塌的"强梁弱柱"破坏。为合理认识各类破坏形式,首先对传统的塑性铰概念细分为"压铰"和"拉铰",指出"拉铰"容易引发结构整体失稳;随后以钢-混凝土组合框架结构为对象,建立并采用实体单元与壳单元为主的组合框架结构有限元精细化抗震计算模型,开展组合结构极限抗震分析,初步探讨各水平地震波工况对组合框架结构位移、应力、轴压比等时程响应以及框架梁柱塑性耗能分配机制、塑性铰形成模式与失效机制的影响规律。分析结果显示:1)柱端拉筋减小了钢管与混凝土之间滑移,从而增大了柱和框架的刚度,降低了钢管和混凝土的应变水平,增大了钢梁的应力水平; 620 cm/s2及以上强度的地震波作用时,柱端拉筋构造可显著减小组合框架结构的最大层间位移角,在接近极限强度的水平地震波作用时,柱端拉筋屈服,框架梁端混凝土板纵筋一般不易屈服; 2)"强梁弱柱"组合框架表现为"约束梁"与"耗能柱",此时框架梁对框架柱约束较强,框架以框架柱耗能为主而梁端仅形成"压铰",此时框架的耗能能力取决于框架柱;"强柱弱梁"组合框架表现为"耗能梁"与"承载柱",此时框架梁对框架柱约束较弱,框架以框架梁耗能为主使得梁端先形成"压铰",当梁端耗能至极限时形成"拉铰"引发框架柱长细比增大,导致框架加速失效,不利于发挥框架柱耗能潜力; 3)柱端拉筋技术的"强柱"构造将提高组合结构的刚度、塑性耗能与抗倒塌能力,强柱构造对以柱耗能为主的6层框架抗震能力提升尤其显著。     

带拉杆的方钢管钢筋混凝土柱受力性能研究

通过3个带拉杆方钢管钢筋混凝土柱的试验,其中1个为轴心受压(试件S-1)、2个为拟静力试验(试件S-2、S-3),考察试件的承载力、破坏模式、失效路径、滞回耗能能力、位移延性、强度及刚度退化特性。结果表明:试件S-1发生压缩变形;外钢壳对混凝土提供包裹约束作用;柱身混凝土内部的开裂膨胀,导致钢壳受到混凝土较大的扩张作用。由于钢壳较薄,加之拉筋的局部约束作用,拉筋之间的钢壳会鼓出呈半波形状。拟静力试验中,两试件主要发生柱底端混凝土压碎及钢壳鼓曲破坏。由于试件S-3两端未设置加强环箍,且剪跨比较小,其下端混凝土及外钢壳较试件S-2下端破坏严重,耗能能力也较弱。根据应力分析,给出了带拉杆的方钢管钢筋混凝土柱的轴压承载力计算式,并讨论了拉杆钢管的约束效应对柱端塑性铰长度的影响。     

新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点拟静力试验研究

以轴压比为主要变化参数,对两种类型共4个1∶1足尺模型的新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点进行了拟静力试验。试验观察了试件的受力过程和破坏形态,得到了梁端荷载-位移滞回曲线和骨架曲线,并对比分析了试件的刚度退化、延性和耗能能力。结果表明:两种节点破坏均属于延性破坏,破坏时C型钢梁发生平面外屈曲,形成塑性铰,钢梁下翼缘、腹板与柱焊接处拉裂,钢管混凝土柱-空钢管梁节点还在空心钢管梁上出现塑性铰;随着轴压比的增大,空钢管柱-空钢管梁节点初始刚度变化不大,而钢管混凝土柱-空钢管梁节点刚度有所减小,两种节点的延性均明显降低,极限承载力也有所下降,其中钢管混凝土柱-空钢管梁节点下降幅度更大。至于钢管混凝土柱-空钢管梁节点刚度则明显大于空钢管柱-空钢管梁节点,且滞回曲线较饱满,在极限承载力、延性和耗能指标等方面均优于空钢管柱-空钢管梁节点。     

钢管再生混凝土柱塑性铰长度试验研究

为研究钢管再生混凝土柱的塑性铰长度,以再生粗骨料取代率、长细比、轴压比和含钢率为变化参数,对10个圆钢管再生混凝土柱和6个方钢管再生混凝土柱试件进行拟静力试验。根据试件的破坏形态、滞回曲线,并基于等效塑性铰理论,提出压弯状态下圆钢管再生混凝土柱和方钢管再生混凝土柱的等效塑性铰长度计算公式。研究结果表明:钢管再生混凝土柱破坏形态与普通钢管混凝土柱相似,钢管底部鼓曲破坏,底部的核心再生混凝土被压碎;钢管再生混凝土柱滞回曲线比较饱满,其形状从梭形发展到弓形,当再生粗骨料的取代率分别为0%,30%,70%,100%时,试件的滞回曲线受其影响不大;圆钢管再生混凝土柱等效塑性铰长度是其截面高度的0.45~0.95倍,方钢管再生混凝土柱等效塑性铰长度是其截面高度的0.65~0.75倍。     

圆端形截面钢管混凝土柱抗震性能研究

圆端形截面钢管混凝土柱已被应用于抗震设防区的结构中。为了研究轴压比及高宽比对该类组合柱抗震性能的影响规律,进行了12根圆端形截面钢管混凝土柱的滞回试验。试验结果表明：和矩形钢管混凝土柱相比,圆端形截面钢管混凝土柱的破坏程度更轻,滞回曲线更饱满,变形能力、延性和耗能能力更高;柱承载力、刚度、耗能能力随着高宽比的增大而提高,但延性随之降低;高宽比对刚度退化速率和阻尼比的影响较小。建立了圆端形截面钢管混凝土柱的有限元模型,对比得到有限元模拟骨架曲线和实测结果吻合较好。采用经验证的有限元模型开展了圆端形截面钢管混凝土柱的参数分析,主要影响参数包括材料强度、含钢率、轴压比、长细比和高宽比。参数分析结果表明：圆端形截面钢管混凝土柱的承载力和刚度随着高宽比的增大而增大,但延性随之降低;当钢材屈服强度由235 MPa增大到700 MPa时,承载力提高了89.1%;当含钢率由0.05增大到0.2时,承载力提高了146%;当长细比由20增大到100时,承载力降低了88.3%;当轴压比由0.01增大到0.8时,承载力降低了61.2%;当高宽比由1提高到3时,承载力提高了215.3%。基于圆钢管混凝土恢复力模...     

方钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点抗震性能分析

基于非线性和再生混凝土损伤因子的塑性损伤本构,建立了外加强环全焊接刚性连接、外套管式端板连接半刚性连接以及顶底角钢全螺栓连接半刚性连接3种形式的方钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点有限元模型,分析了各模型的抗震性能。结果表明:在低周循环加载下,柱内含有支撑骨架且没有穿柱构件时,有利于提高节点域核心再生混凝土的整体性,受力简单;采用外套管约束节点域,核心再生混凝土的应力、应变较小,有利于再生混凝土耐久性的提高;在相同轴压比、梁柱线刚度比的情况下,外加强环全焊接刚性节点承载能力和滞回耗能能力较高,但延性相对较差;顶底角钢全螺栓连接半刚性节点承载能力、滞回耗能能力相对较低,延性较好;外套管式端板连接半刚性节点的极限承载力、滞回耗能能力和延性性能都有良好的表现;在此基础上,对外套管式端板连接半刚性节点进行了荷载-位移影响参数分析。结果表明:轴压比在弹性阶段对节点的影响不大,在进入屈服和塑性强化阶段,随着轴压比的增高,节点的极限承载力和延性下降;在强柱弱梁的前提下,梁柱线刚度比的增加有利于节点弹性刚度和水平极限承载力的提高,屈服后梁柱线刚度比对节点刚度退化影响不大;钢材屈服强度影响主要体现在节点的极限水平承载力上;再生骨料取代率对节点的延性性能稍有影响;外套管和端板的厚度变化在一定范围时对节点的弹性刚度和极限承载力有一些影响,但增幅随着厚度的增加越来越小。     

钢管高强再生混凝土柱轴压性能试验研究

为研究钢管高强再生混凝土柱与钢管高强普通混凝土柱轴心受压性能的差异,进行了圆形和方形两种截面形状、高强普通和再生两种混凝土、方钢管内配置与不配置钢筋两种构造的5个钢管混凝土足尺试件轴压性能对比试验。通过试验,分析了混凝土种类、截面形状和配置钢筋对试件承载力、耗能及延性的影响。试验结果表明：钢管再生混凝土柱的损伤发展过程和破坏形态与钢管普通混凝土柱相似;在截面积、含钢率、材料强度相同的条件下,圆形截面试件较方形截面试件具有更高的承载能力和较好的变形能力;混凝土种类对方形截面试件轴心受力性能影响不大;方钢管内配置钢筋可加强对核心混凝土的约束作用,提高试件的承载力和变形性能。根据国内外相关规程对试件的轴压承载力进行了计算,引入尺寸效应影响系数,提出了方钢管混凝土柱承载力计算式,计算结果与试验结果符合较好。     

不同冲击角度作用后的圆钢管柱滞回性能试验研究

为研究冲击作用后圆钢管柱的抗震性能,以冲击角度(0°、45°和90°)和轴压比(0.4、0.6和0.8)为设计参数,实施9个冲击作用后的圆钢管柱试件和3个未受冲击作用的对比试件的水平低周往复荷载试验,观察试件的破坏形态,获取试件的滞回曲线和骨架曲线。探讨了不同设计参数对试件的极限承载力、破坏模式、延性、刚度退化以及耗能等抗震性能指标的影响。试验结果表明：受冲击作用后的钢管柱的破坏位置均集中在柱底塑性铰区域,主要表现为柱底钢材的鼓曲和断裂;相比于未受冲击作用的钢管柱,受冲击作用后的钢管柱的滞回曲线饱满程度降低,延性和耗能能力显著下降,极限承载力和刚度有所降低,但降低幅度不大;冲击角度主要影响钢管柱的延性和耗能能力,对钢管柱的极限承载力和刚度影响较小;轴压比对钢管柱的滞回性能影响显著,随着轴压比的增大,试件的极限承载力降低,刚度退化更快,延性和耗能能力显著降低;为保证钢管柱具有足够的延性和耗能能力,应严格控制其轴压比。     

钢筋加劲T形截面钢管混凝土柱抗震性能试验研究

制作4根钢筋加劲的T形截面钢管混凝土柱、1根非加劲T形截面钢管混凝土柱和1根T形截面钢筋混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,研究其破坏模式和滞回性能,分析钢筋加劲肋的作用机理以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明：相比T形截面钢筋混凝土柱,T形截面钢管混凝土柱破坏程度有明显减轻,刚度、承载力以及耗能性能均有明显提高;钢筋加劲肋能有效限制钢板局部屈曲和阴角处钢管与混凝土脱离,保证钢管和混凝土共同工作,对拉钢筋加劲肋相对锯齿形钢筋加劲肋的效果更加显著;含钢率较高的钢管混凝土柱承载力更高,耗能能力更好;轴压比从0.2增加到0.4时,钢筋加劲的T形截面钢管混凝土柱的承载力增大,延性降低。     

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。     

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。     

轴向往复荷载作用下钢管混凝土柱抗震性能试验研究

为了探究斜交网格结构体系中外筒斜柱的破坏机制,对8个钢管混凝土柱和2个钢管柱试件进行了轴向往复加载试验,研究加载路径、长径比、混凝土强度和含钢率对其抗震性能的影响,分析了钢管混凝土柱的破坏机制、破坏形态和滞回性能,并讨论了钢管与混凝土间的相互作用。结果表明：轴向往复荷载下钢管混凝土柱的破坏均由钢管断裂引起,核心混凝土整体保持完好,只在钢管屈曲处存在混凝土压碎现象;相比于空钢管柱,钢管混凝土柱受拉时混凝土对钢管的支撑作用,以及受压时钢管对混凝土的约束作用,保证了其具有更高的承载力、变形能力和耗能能力;钢管混凝土柱在轴压和轴拉荷载下的抗震性能存在显著差别,在轴拉荷载下具有更好的延性和耗能能力,而在轴压荷载下具有更高的承载力和刚度。钢管混凝土柱屈服后钢管对混凝土的约束作用持续增强,并当钢管纵向应变达到8×10^-3时,不同参数对其约束效应的影响达到最大。     

不同腔体构造圆钢管混凝土短柱抗震性能试验

为研究不同腔体构造对圆钢管混凝土短柱抗震性能的影响,进行了3个不同腔体构造的大截面尺寸圆钢管混凝土短柱试件的低周反复荷载试验。试件钢构件分别为圆钢管、圆钢管腔内焊接环向及竖向肋板并设置钢筋笼以及圆钢管内置圆钢管,其中后两者钢构件用钢量相等。各试件的轴力均相等。分析了各试件的承载力、刚度退化、滞回特性、延性、耗能及破坏特征。研究表明：竖向肋板的设置可以提高构件的受弯承载力;环向肋板可以显著约束钢管径向变形;内置圆钢管强化了核心区混凝土的约束,使得外钢管弹塑性变形能力增强;含钢率相等条件下,圆钢管内置圆钢管混凝土短柱与圆钢管腔内焊接环向及竖向肋板并设置钢筋笼混凝土短柱相比,虽然水平承载力略有下降,但是其延性系数和累积耗能能力有显著提高;3个不同腔体构造圆钢管混凝土短柱的等效黏滞阻尼系数分别为0.41、0.53、0.58,均具有较好的耗能性能。圆钢管混凝土柱在压、弯、剪复合受力状态下的承载力试验值高于按照我国规范和规程所得出的计算值,表明我国规范和规程在计算足尺试件承载力时,结果偏于安全。     

装配式钢管混凝土组合框架的抗震性能试验研究

圆形或方形钢管混凝土柱与钢梁通过单边高强螺栓和适宜端板连接组成框架,通过钢筋桁架混凝土组合楼板形成了新型装配式组合框架。为了解装配式钢管混凝土组合框架在地震作用下的抗震性能和受力机理,进行了2榀两层单跨钢管混凝土柱与钢-混凝土组合梁通过单边高强度螺栓和平齐或外伸端板连接形成的组合框架的水平低周反复荷载试验,研究了柱截面形式和端板连接类型对组合框架破坏形式和抗震性能的影响。详细地观察了此类组合框架在水平低周反复荷载作用下的受力全过程和楼板裂缝发展规律,得到了此类结构的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律、延性、耗能能力等抗震性能指标。试验结果表明,单边螺栓端板连接装配式钢管混凝土组合框架结构具有良好的滞回性能和耗能能力,延性系数μ为2.13~4.28,能量耗散系数E为0.652~0.90。在柱截面含钢率相同条件下,圆钢管混凝土组合框架的承载力小于方钢管混凝土组合框架,其延性、耗能性能优于方钢管混凝土组合框架。研究成果将为我国装配式钢管混凝土组合框架设计理论与应用提供科学依据。     

螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱滞回性能试验研究

为了研究螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱的滞回性能,以轴压比、配箍率、配钢形式以及截面形式为变化参数,设计10个试件（其中空腹式型钢混凝土柱对比试件1个,复合螺旋箍筋混凝土柱对比试件1个）进行低周反复加载试验。观察试件的破坏形态,获取各试件的滞回曲线和骨架曲线。分析试件的极限承载力、层间位移角、延性、耗能、强度衰减和刚度退化等抗震性能指标,以及各变化参数对其抗震性能的影响。结果表明：螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱主要表现为弯曲破坏和黏结破坏;相比空腹式型钢混凝土柱和复合螺旋箍筋混凝土柱,螺旋筋约束增强空腹式型钢混凝土柱的滞回曲线更为饱满,承载力、延性和耗能均有提高;随着轴压比的增大,其承载力、刚度和耗能能力提高,但延性和变形能力降低,强度衰减和刚度退化现象更为严重;随着螺旋箍筋配箍率的增大,承载力、刚度、延性、耗能能力和变形能力逐渐提高;相同总含钢量下,增大螺旋筋配箍率比增大型钢间接配钢率对其延性和耗能能力的提高更显著,对其承载力则相反;三种截面形式中,Ⅲ类截面试件表现出最优的抗震性能。     

屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架抗震试验性能研究

屈曲约束支撑可以有效地提高装配式钢管混凝土组合框架的抗侧移刚度和耗能减震作用。为研究地震作用下屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架的抗震性能和破坏机理,进行两层单跨屈曲约束支撑单边螺栓端板连接钢管混凝土组合框架的水平低周反复荷载试验。考察柱截面类型和端板形式对结构整体抗震性能的影响。记录和研究了此类混合结构的破坏形式和水平荷载-水平位移滞回曲线,分析和评价其骨架曲线、强度和刚度退化规律、延性和耗能等。试验研究表明,在柱截面含钢率相同条件下,抗侧移体系采用屈曲约束支撑,梁柱连接采用单边螺栓端板连接方式,屈曲约束支撑方钢管混凝土组合框架的水平承载力和初始抗侧刚度大于屈曲约束支撑圆钢管混凝土组合框架,但是其延性和耗能能力反之。试验和分析结果表明：屈曲约束支撑装配式钢管混凝土组合框架结构具有良好的抗震性能,较大的可变形能力和耗能能力,可以在多高层建筑结构中应用和推广。