STS管幕结构抗弯性能试验研究及参数优化

沈阳地铁某车站采用STS（Steel Tube Slab）管幕结构作为初期支护,在施工阶段需承受上覆土压力和路面荷载,其横向承载力对整个工程的安全尤为重要。该文基于6榀STS管幕简支梁的对称集中荷载抗弯试验,研究了STS管幕构件的破坏过程、裂缝开展模式及破坏机理,并对比分析了混凝土强度、钢管间距以及管间横向连接方式对承载力的影响规律。基于ABAQUS建立数值计算模型,进一步研究了钢管壁厚、翼缘板厚度等参数对STS管幕构件承载力的影响规律,并根据计算结果提供了翼缘板厚度与钢管壁厚之比的合理取值范围。研究成果将为STS管幕构件的设计提供参考依据。     

具有PBL加劲的方钢管混凝土构件受弯性能

为研究具有PBL加劲的方钢管混凝土构件的受弯性能,该文进行了无加劲肋、钢板加劲肋和PBL加劲肋三种方钢管混凝土构件受弯性能的试验研究,同时考察PBL加劲肋孔径大小和间距的影响,试验结果表明,无加劲肋构件为单波鼓曲破坏,钢板加劲肋和PBL加劲肋构件均为双波鼓曲破坏;PBL加劲肋试件管内受拉混凝土裂缝分布更为均匀,裂缝宽度和间距更小,钢管与混凝土共同受力更好;PBL加劲肋对方钢管混凝土抗弯承载力提高不明显,抗弯刚度提高约20%;钢板加劲肋是否开孔对试件的刚度影响不大。该文还进行了PBL加劲肋构造参数的影响分析,结果表明:具有PBL加劲的方钢管混凝土构件抗弯承载力随着PBL加劲肋高度、宽度的增加而增加,随着开孔孔径d₀的增大而减小;开孔间距对承载力的影响很小。在试验研究和数值分析基础上,提出了具有PBL加劲的方钢管混凝土构件抗弯承载力的简化计算方法,建议在实际工程中,相对开孔孔径和间距分别取0.5和2.0为宜。     

玻璃纤维增强树脂复合材料管-钢筋/混凝土空心构件抗弯性能

为研究玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯性能,编制了受弯构件的非线性分析程序,系统地分析了空心率、配筋率、GFRP管管壁厚度及混凝土强度等级等主要参数对其抗弯性能的影响,并通过试验对所编制的程序进行验证,最后建立适用于GFRP管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯承载力计算公式。结果表明:利用编制的受弯构件非线性分析程序与建立的抗弯承载力公式,计算结果与试验结果均吻合较好,抗弯承载力随空心率的减小、配筋率的提高、GFRP管管壁厚度的增加及混凝土强度的增大而增加,空心率对构件抗弯承载力影响最大,其次是配筋率和GFRP管管壁厚度,最后是混凝土强度等级,空心部分半径比在0.25~0.5为宜,可以适当提高配筋率、GFRP管管壁厚度或混凝土强度等级来弥补该空心构件抗弯承载力,研究结论可为该结构在实际应用中提供参考依据。      

新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

为研究新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁的受弯性能,以预应力、抗剪连接件数量和混凝土翼缘板有效宽度为参数,进行4根试件的受弯试验,结果表明:波纹钢能较好地与混凝土协同工作,有效加强钢-混界面,避免纵向滑移破坏的发生,但是波纹钢轴向刚度较小,几乎没有抗弯贡献;预应力和混凝土翼缘板对组合梁的抗弯贡献较大;抗剪连接件数量不足时组合梁发生纵向水平剪切破坏。在试验基础上进行有限元模型模拟计算,发现新型组合梁能充分发挥各组成部分间的组合作用,提高试件的抗弯承载力与延性;相比于直钢板组合梁,波纹钢组合梁有较好的刚度和较高的承载能力;随着混凝土强度提高,承载力略有提升;下翼缘钢板厚度增加,承载力显著提高,对刚度影响不大;刚度、承载力随预应力度提高而提高,但是延性变差。最后,建立了新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯承载力计算公式。     

斜交网格X型节点轴向往复荷载作用下的性能研究

以斜交网格X型节点为原型,采用ABAQUS数值分析软件建立模型,对其进行轴向拉压往复荷载作用下的非线性分析。分析了在加载过程中节点的钢部件和混凝土的应力分布情况,并研究了节点的荷载-位移滞回特性及刚度退化。同时,以节点相贯角度、竖向连接板厚度、衬板厚度、钢管宽厚比、加强环厚度、混凝土强度等级为控制参数,分析其对X型节点轴向性能的影响。研究表明:采用竖向连接板、衬板和加强环可以改善节点区混凝土的约束效果,节点滞回曲线饱满,初始刚度较大,且刚度退化较慢,表现出良好的抗震性能。竖向连接板厚度、钢管宽厚比和混凝土强度等级对节点极限承载力、滞回性能以及刚度退化影响较大,而节点相贯角度、衬板和加强环厚度对节点极限承载力、滞回性能以及刚度退化影响较小。     

钢-木组合柱轴心受压性能试验研究

提出了一种钢木组合柱形式,该组合柱是将木方外包在十字钢骨周围,钢、木之间通过螺栓连接或焊接翼缘结合;进行了12个组合柱轴心受压试验,研究了钢木组合柱的工作机理与破坏模式,讨论了钢材厚度、长细比、螺栓间距等对轴压承载力的影响。试验结果表明:组合柱中钢骨为主要承受轴向压力,外围木方能够对钢材提供一定的屈曲约束;钢材厚度影响承载力主要因素;构件长细比大于5.5,外围木约束效果明显;螺栓间距对承载力的影响较小。通过有限元模拟与试验数据对比分析,吻合良好,该研究可为后续钢木组合结构研究提供参考。     

不同加载模式下方钢管混凝土力学性能试验研究与理论分析

对钢管和混凝土同时受力和核心混凝土受力的构件进行了试验研究,考虑了钢管和混凝土之间的粘结力对构件力学性能的影响。同时采用有限元法对钢管和混凝土同时受力、核心混凝土受力和钢管存在初应力的构件进行了理论分析。理论分析结果和该文的试验结果进行了对比,验证了理论分析的正确性。在此基础上对比分析了3种加载模式下构件受力性能的异同,分析了钢材屈服强度、混凝土强度、含钢率等参数对构件力学性能的影响。研究表明:当含钢率较低时,钢管与核心混凝土同时受力构件的刚度和承载力要明显高于核心混凝土受力时构件的刚度和承载力;在3种不同加载模式下,试件的承载力都要高于钢材和混凝土两者承载力的简单叠加;核心混凝土受力时构件的延性要优于同时受力时构件的延性;钢材屈服强度对核心混凝土受力构件的承载力影响很小,提高钢材屈服强度能提高构件的延性。     

CFRP钢管混凝土长柱承载力的研究

通过对CFRP钢管混凝土和钢管混凝土两种构件轴压短柱的研究与比较,分析了CFRP钢管混凝土新型构件与钢管混凝土构件的差别与联系,为CFRP钢管混凝土长柱承载力计算打下基础;并对CFRP钢管混凝土长柱进行了试验研究,探讨CFRP钢管混凝土轴压长柱的受力性能以及CFRP对钢管混凝土轴压长柱承载力的提高效果,分析了长细比对CFRP钢管混凝土轴压柱承载力的影响;基于短柱极限平衡法的承载力设计相关公式从理论上推导出CFRP钢管混凝土轴压长柱稳定承载力公式,并与试验结果相比较,验证了理论公式的正确性。     

冷弯型钢组合截面T形节点抗震性能研究

冷弯型钢在低层住宅结构中应用广泛,国内已有相应规范出版,但对冷弯型钢组合截面缺少相关设计规定。该文选择双肢冷弯C型钢背靠背带垫板的截面形式,对其抗弯节点进行抗震性能研究,采用试验与有限元分析相结合的方法,研究了节点板厚度、螺栓间距、C型钢厚度和腹板高度等参数对节点抗震性能的影响,发现该类节点的破坏特征符合抗震设计要求,滞回曲线饱满,承载力退化稳定、初始刚度大、刚度退化较为严重、耗能性能和延性较好。在相关参数中节点板厚度和螺栓间距对节点抗震性能的影响最大。C型钢厚度和腹板高度增加能明显提高节点的极限承载力。螺栓间距的增加会使节点承载力略有提高,但节点的耗能性能变差。     

方CFRP-钢管混凝土(S-CFRP-CFST)压弯构件滞回性能试验研究

进行了8个方CFRP-钢管混凝土压弯构件的滞回性能试验。试验结果表明,纵向CFRP对方钢管混凝土有很好的增强作用,可以提高试件的承载力。对试验结果的分析表明,轴压比可以提高试件的抗弯承载力,钢管和CFRP管的变形协调一致。计算表明:试件强度均有一定退化;轴压比和纵向CFRP增强系数的增大可以提高试件的刚度,同时减缓刚度退化;轴压比在一定范围内有利于试件的抗震。     

矩形钢管混凝土柱-H形钢梁外顶板式节点抗震性能试验研究

针对钢结构住宅建筑中柱子宽度日趋减小的趋势,提出了柱内无隔板的矩形钢管混凝土柱-H形钢梁外顶板式节点。对7个新型节点试件进行拟静力试验,变化参数有钢梁截面、顶板厚度和顶板长边高度。试验主要研究了节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、承载力、刚度退化、强度退化、延性和耗能能力等抗震性能。试验结果表明:外顶板式节点共有梁翼缘受拉破坏、梁翼缘与顶板连接焊缝破坏、顶板与柱连接处的柱壁破坏三种破坏模式。节点延性系数为2.17~3.67,等效粘滞阻尼系数在0.2~0.3之间,极限位移角平均值为1/49,节点抗震性能满足“强节点弱构件”要求。增大外顶板的厚度或长边高度可提高节点承载力,钢梁翼缘、翼缘和顶板连接焊缝或柱壁的过早开裂会降低节点延性和耗能能力。最后提出在验算柱壁和连接焊缝极限承载力时,节点连接系数应取1.4;另外可采取梁端翼缘加强或削弱措施,以保证外顶板式节点具有足够的塑性变形能力。     

不同细骨料下不锈钢管混凝土构件受弯性能研究

为考察不同细骨料种类对不锈钢管混凝土的受弯性能的影响,进行了24根不锈钢管混凝土构件在纯弯荷载作用下的力学性能试验研究。试验的主要参数为:细骨料种类、截面形状和剪跨比。基于试验结果,对比了不锈钢管原状海砂混凝土、不锈钢管淡化海砂混凝土和不锈钢管普通河砂混凝土3类构件的破坏模态,并分析了各主要参数对试件荷载-变形关系曲线、受弯承载力和抗弯刚度的影响规律。试验结果表明:采用原状海砂和淡化海砂取代普通河砂,对不锈钢管混凝土构件受弯承载力和刚度的影响较小。建立了不锈钢管混凝土纯弯构件的有限元分析模型,并利用模型对影响构件力学性能的重要参数进行了分析,在此基础上提出了圆形和方形不锈钢管混凝土受弯承载力的简化计算公式,可为相关工程实践提供参考。     

不锈钢T形件螺栓连接承载性能试验研究

通过开展14组不锈钢T形件螺栓连接试件的单调拉伸试验,得到了各试件的极限承载力、破坏模式和撬力发展规律,分析翼缘厚度、翼缘材料、螺栓直径和螺栓预拉力等因素对不锈钢T形件承载性能的影响。结果表明:螺栓预拉力对试件的极限承载力没有明显影响,但会提高试件的初始刚度; T形件的破坏模式取决于翼缘和螺栓的相对关系,与螺栓预拉力无明显关系;撬力值随着翼缘厚度和螺栓直径的减小而增大,但极限承载力对应的撬力值与螺栓预拉力无关。将试验结果与现行欧洲、美国和中国规范的计算结果进行比较,表明现行国内外规范的相关计算公式均较保守,其中美国规范由于翼缘采用极限抗拉强度,计算结果与试验值最为接近。     

Effect of specimen size on flexural compressive strength of reinforced concrete members

It is important to consider the effect of member size when estimating the ultimate strength of a concrete flexural member, because the strength always decreases with an increase of member size except for well-reinforced members. Research conducted previously in this area include axial compressive strength size effect on cylindrical specimens and flexural compressive strength size effect on C-shaped specimens, notched cylindrical specimens, and axially loaded double cantilever beam (DCB) specimens. Since the most widely used flexural member type is reinforced concrete (RC) beams, it is logical to extend the study of flexural compressive strength size effect to flexural loaded RC beam members. Previously, several researchers have reported from their studies that flexural compressive strength size effect does not exist. However, the analyses show that the specimens used for the study had limited size variation and the neutral axis depth variations were too similar to show distinct size effect. Therefore, this study enforced distinct neutral axis depth variations for all of the tested specimens.In this study, the size effect of a RC beam was experimentally investigated. For this purpose, a series of beam specimens subjected to four-point loading was tested. RC beams with three different effective depths were tested to investigate the size effect. The shear-span to depth ratio and the thickness of the specimens were kept constant to eliminate the out-of-plane size effect.The test results are curve fitted using Levenberg–Marquardt’s Least Square Method (LSM) to obtain parameters for Modified Size Effect Law (MSEL) by Kim et al. The analysis results show that the flexural compression strength and ultimate strain decrease as the specimen size increases. Comparisons with existing research results considering the depth of neutral axis were also performed. They also show that the current strength criteria-based design practice should be reviewed to include member size effect.     

钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能对比试验研究

采用超高性能混凝土（UHPC）板与钢梁结合的钢-UHPC组合梁,具有自重轻、抗裂性和耐久性好的优点,对于钢-混凝土组合梁的发展具有重要意义。为了解钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能的差别,本文以某钢-普通混凝土简支组合梁桥为工程背景,进行了钢-UHPC组合梁桥的试设计,在此基础上,制作钢-UHPC组合梁和钢-普通混凝土组合梁模型进行抗弯性能的对比试验研究。结果表明,两种组合梁的受力特点类似,破坏模式均表现为钢梁底板先屈服,然后桥面板顶部混凝土被压碎。在极限抗弯承载力相等的情况下,钢-UHPC组合梁的桥面板厚度可以减小28%,且延性更好。钢-UHPC组合梁桥面板的剪力滞效应、钢梁与桥面板间的水平相对滑移均小于钢-普通混凝土组合梁。此外,钢-UHPC组合梁弹性阶段抗弯刚度与钢-普通混凝土组合梁相差不大,但由于组合梁总高度减小,后期刚度小于钢-普通混凝土组合梁刚度。研究结果可为钢-UHPC组合梁的进一步研究与工程应用提供参考。     

受火后叠合板组合梁受力性能试验研究

为研究受火后叠合板组合梁的受力性能,分别对五个火灾后叠合板组合梁和一个常温下叠合板组合梁进行静力加载试验,研究了后浇层厚度、栓钉间距、预制底板在钢梁上翼缘的搁置长度、预制底板接缝形式、是否受火等因素对叠合板组合梁的破坏形态、承载能力和抗弯刚度的影响。结果表明:火灾后整体式叠合板组合梁的极限承载力较分离式叠合板组合梁提高9%;后浇层厚度和栓钉间距是影响火灾后整体式叠合板组合梁初始抗弯刚度的主要因素;火灾前后整体式叠合板组合梁在荷载作用下均发生受弯破坏,且破坏形态基本相同,但经历火灾高温作用后,整体式叠合板组合梁出现裂缝的时间提前,其抗弯承载力和延性均有不同程度的降低,本次试验中火灾后整体式叠合板组合梁在荷载作用下的抗弯承载力和延性较常温下分别降低23.3%和55.4%;分离式叠合板组合梁中预制底板接缝的存在,破坏了预制底板的连续性,造成试件发生粘结破坏,但在远离接缝处,叠合板的协同工作性能良好;提出火灾后叠合板组合梁剩余承载力和抗弯刚度的计算方法,该方法具有良好的精度。     

多室式钢管混凝土形构件纯弯力学性能研究

进行了4 个多室式钢管混凝土T形试件和2 个多室式空钢管T形对比试件的纯弯试验,着重研究前者在纯弯状态下的变形过程及破坏形态,同时考察了截面尺寸、加载位置等参数对其纯弯力学性能的影响.试验结果表明:增大截面腹板高度能显著提高多室式钢管混凝土T形试件的抗弯承载力;力分别作用在翼缘或腹板时其承载能力有一定的差异;试件的破坏形态以整体弯曲为主.采用有限元方法对多室式钢管混凝土T 形试件的弯矩-挠度曲线进行了全过程分析,与试验结果吻合较好.最后在参数分析的基础上提出了多室式钢管混凝土T形构件抗弯承载力的实用计算方法.