钢管混凝土哑铃形轴压长柱极限承载力研究

共进行了10根不同长细比的钢管混凝土哑铃形轴压长柱(5根强轴向破坏,5根弱轴向破坏)的试验研究。对于沿强轴方向失稳破坏的试件,通过在弱轴方向焊接波形钢板以加大其抗弯刚度来实现,试验结果表明这一方法是可行的。与单圆管轴压长柱相似,哑铃形轴压长柱试件的极限承载力和弹塑性阶段切向刚度均随着试件长细比的增加而减小。但相同长细比情况下,与单圆管长柱弹性失稳破坏不同,哑铃形长柱属弹塑性失稳破坏。提出了哑铃形轴压长柱的非线性有限元计算方法,并进行了长细比对极限承载力影响的参数分析。研究结果表明:哑铃形轴压长柱的稳定系数与单圆管的不同,但沿强轴、弱轴向失稳的极限承载力随长细比变化而变化的规律基本一致,提出了将二者统一的稳定系数简化计算公式。     

多腔式多边形钢管混凝土柱偏心受压承载力研究

以天津高银117大厦巨型柱为原型,按1/20缩尺设计制作11根多腔式多边形钢管混凝土柱偏压试件,通过静力试验研究其偏心受压性能,包括破坏形态、荷载-侧向挠度关系曲线和荷载-应变关系曲线,采用ABAQUS软件拓展分析钢管壁厚、长细比、偏心率和混凝土强度等参数对试件极限承载力的影响规律。研究结果表明:多腔式多边形钢管混凝土柱偏心受压试件主要发生弯曲型失稳破坏;提高混凝土强度或钢管壁厚,可提高试件的极限承载力;腔内钢筋笼可显著提高其延性及后期承载力;当长细比从24增加到70,其极限承载力下降38.6%;当偏心率从0.2增加到1,其极限承载力下降54.1%;基于有限元结果,参考相关的承载力计算方法,建立适用于六边形六腔及五边形四腔的钢管混凝土柱偏心受压承载力计算公式,可为实际工程应用提供参考。     

钢管再生混凝土长柱偏压性能研究

对10个圆钢管再生混凝土和10个方钢管再生混凝土长柱进行偏压静力单调加载试验,考虑了再生粗骨料取代率、长细比、偏心距3个变化参数,观察了试件受力的全过程和试件破坏形态,绘制出荷载-变形、荷载-应变等一系列重要关系曲线,给出了截面应变沿高度分布情况,并分析了变化参数对试件极限承载力的影响规律,采用国内外常用的8部相关规程计算两种截面形式试件的极限承载力。研究结果表明:钢管再生混凝土偏压长柱受力过程均经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,破坏形态主要为弹塑性失稳破坏;建议采用规程DL/T5085-1999和DBJ13-51-2003设计圆钢管再生混凝土偏压长柱试件的极限承载力,采用规程CECS159:2004、DBJ13-51-2003设计方钢管再生混凝土偏压长柱试件的极限承载力。     

钢管混凝土哑铃形偏压构件试验研究

进行了8 根钢管混凝土哑铃形短柱的偏压试验。试验参数为偏心率。试验结果表明,钢管混凝土哑铃形偏压短柱受力性能与单圆钢管混凝土偏压柱的有相似之处。对极限承载力的计算表明,现有的折算面积法偏于保守而格构式算法又偏于不安全。提出的修正的格构式算法与试验结果吻合良好且偏于安全,可供工程应用参考。     

方钢管螺旋筋混凝土柱偏压性能试验及参数分析

为研究方钢管螺旋筋混凝土柱的偏压力学性能,以螺旋筋间距、径宽比、长细比、偏心率、纵筋直径及方钢管壁厚作为变化参数,设计并完成了18个试件进行偏心受压加载试验。通过试验观察了试件的受力破坏过程及形态,获取了试件荷载-跨中挠度曲线及钢材应变分布状况,分析了各变化参数对试件偏压力学性能的影响规律。结果表明:螺旋筋间距和径宽比能够有效地提升试件延性和抗弯刚度;随着长细比的增加,试件各项力学性能均有所下降;随着偏心率增加,试件的极限承载力、延性及抗弯刚度均有明显下降,而耗能系数则有所提升。最后采用了纤维模型法编制的程序计算了试件的偏压极限承载力,其计算值与试验值吻合较好,并以该程序为基准进行拓展参数分析,提出了试件的最优化配钢方式及设计建议。     

柱中设缝的方钢管约束型钢混凝土中长柱受压性能研究

钢管约束混凝土柱的钢管通常在柱端设缝以使其不直接承受荷载。该文主要对两种设缝模式的方钢管约束型钢混凝土柱(仅柱两端设缝、柱两端和柱中均设缝)的受力性能进行分析对比。以钢管宽厚比、荷载偏心率为主要变化参数,对柱中设缝的方钢管约束型钢混凝土中长柱进行了受压力学性能试验。分析对比了各组试件的破坏模式、承载能力及钢管应力发展规律,结果表明：设缝模式对试件破坏形态无明显影响,柱中设缝试件的轴压承载力略有提高,而偏压承载力呈降低趋势。采用精细化的有限元模型进行了参数分析,依据试验及有限元结果,提出用于计算构件弯矩增大效应的刚度折减系数公式,进而建立柱中设缝构件偏压作用下的承载力计算方法。     

横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压力学性能研究及承载力计算

为研究横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱的双向偏压力学性能,对两根横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱试件展开了双向偏压加载试验,探究了不同偏心距对试件在双向偏压荷载下的荷载-变形曲线、破坏模态和截面应变发展状况的影响,分析了波纹板与钢管、混凝土之间的相互作用机理。在试验基础上运用有限元模拟,分析了偏心距、加载角度、钢管厚度、波纹板厚度等多种参数对横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压荷载下承载力、延性、刚度等力学性能的影响规律,得出钢管厚度增大柱的极限承载力显著提高,加载角度对极限承载力影响不大等主要结论。最后,参考欧洲《EC4》规范钢混组合柱承载力的计算方法,提出了横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压承载力实用计算公式,以期为工程实践提供参考。     

带约束拉杆L形钢管混凝土短柱的偏压承载力

在钢板中部位置设置具有约束钢板外凸变形作用的水平拉杆,是改善异形钢管混凝土柱力学性能的有效方法。该文介绍了8个带约束拉杆L形钢管混凝土偏压短柱试件的试验,结果表明约束拉杆的设置延迟钢管局部屈曲的发生,有助于L形钢管混凝土偏压短柱承载力的提高;偏心受压下该柱的截面应变符合平截面假定。采用带约束拉杆L形钢管的管内核心混凝土本构关系,利用纤维模型法对试件偏压极限承载力进行数值计算,计算结果与试验结果吻合良好。利用该数值方法对带约束拉杆L形钢管混凝土偏压短柱进行参数研究,分析了钢材屈服强度、截面含钢率、混凝土强度、拉杆约束系数及荷载角对N/Nu-M/Mu曲线的影响规律,在此基础上提出带约束拉杆L形钢管混凝土偏压短柱双向压弯承载力的简化计算公式。     

钢管混凝土偏心受压应力—应变试验研究

试验共对18根钢管混凝土偏心受压短柱进行了测试。试验参数包括偏心率和截面参数(含钢率和混凝土强度)。介绍了试件的内容、试验装置与方法,并重点进行了偏心率对钢管混凝土偏压构件受力性能影响的分析。分析结果表明,偏心率大,相同的纵向应变所对应的钢管环向应变小,紧箍力对提高混凝土强度的作用也随之削弱,构件的承载力也明显降低,达到极限承载力时钢管受压边缘的应变值也相应要大。但偏心率对构件的延性系数影响不大。     

RPC-CFST组合柱轴压性能试验研究

为研究活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)-钢管混凝土(concrete-filled steel tube, CFST)组合柱的轴压力学性能,以RPC厚度、长细比为参数,进行了5根RPC-CFST组合柱的轴压试验,分析其受力机理、破坏形态、套箍效应和承载力算法等。试验结果表明：不同参数的RPC-CFST组合柱破坏过程和破坏形态较为接近,随着RPC厚度的增加,外部RPC对CFST的紧箍效应更迟出现,组合柱的极限承载力有小幅度提升;随着长细比的增大,外部RPC对CFST的紧箍效应越早出现,组合柱的弹性刚度和极限承载力逐渐降低。借助ABAQUS有限元软件,建立了经试验验证的RPC-CFST组合柱有限元模型,并对径厚比、RPC强度、含钢率、混凝土强度、套箍系数等参数进行分析。在试验研究和有限元参数分析的基础上,借鉴钢管混凝土结构技术规范和规程,提出了RPC-CFST组合柱轴压承载力计算公式,公式计算值与试验值吻合良好。     

火灾后型钢混凝土轴压柱剩余承载力试验

进行了5个火灾后型钢混凝土柱轴心压力作用下的试验,研究长细比、混凝土强度对构件破坏形态和剩余承载能力的影响。试验结果表明,火灾后型钢混凝土轴心受压柱在荷载作用下的破坏形态与常温下基本相同,试件破坏时其内部核心型钢依然完好,不会发生局部屈曲现象。混凝土强度和长细比是影响型钢混凝土轴心受压柱火灾后承载能力的两个重要因素,当长细比相差不太大的情况下,混凝土强度高的试件,其火灾后极限承载力相对较高;在混凝土强度大致相当的情况下,随着长细比的增大,火灾后试件的极限承载力降低。利用YB规程和JGJ规程方法,对所有试件常温下的极限承载力进行了计算,结果表明在该文的试验条件下得到的火灾后型钢混凝土轴心受压柱承载能力的试验值与常温下承载力计算结果的比值在62%~71%之间,经历火灾作用后型钢混凝土轴心受压柱承载能力显著降低,火灾后的剩余承载力水平平均为常温下承载力水平的67%。     

钢管自应力自密实高强混凝土柱偏心受压性能试验研究

为提高钢管内混凝土的密实度,减小混凝土的收缩,以保证钢管与混凝土更好地共同工作,满足实际工程需要,该文提出采用钢管自应力自密实高强混凝土柱,考虑偏心距、长径比和初始自应力等参数的影响,设计制作21根钢管自应力自密实高强混凝土柱和3根钢管自密实高强混凝土柱试件,通过偏心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-挠度曲线和荷载-应变曲线,分析各参数对偏心受压试件受力性能的影响。研究表明:偏心受压试件主要发生弯曲失稳破坏;试件极限承载力随偏心距或长径比增大而减小,当初始自应力为3 MPa~5 MPa时,钢管自应力自密实混凝土偏心受压柱的极限承载力提高9.2%~11.7%。参考国内相关规范,通过试验数据回归分析,提出钢管自应力自密实高强混凝土柱偏心受压承载力计算公式,可供工程设计参考。     

钢筋混凝土长柱快速轴心受压试验与模拟研究

为了研究钢筋混凝土长柱在快速轴心受压加载下应变率和惯性效应对其性能的影响,开展了钢筋混凝土长柱快速轴心受压加载试验和动力有限元模拟研究。设计了两组共6根构件,长细比分别为12和22,快速加载试验中实测混凝土材料应变率达到10-3/s数量级。试验结果表明,与准静载相比,快速轴心受压下构件承载力及对应的轴向变形均有不同程度的提高,并且动力增大系数随长细比增大而增大。将CEB-FIB模式规范的混凝土材料动态应力-应变关系引入混凝土塑性损伤模型,在ABAQUS中建立了钢筋混凝土长柱快速轴心受压下力学性能分析的显式动力有限元模型,数值模拟结果与试验结果吻合良好。最后,运用所建立的有限元模型分析快速加载下构件承载力动力效应的形成机制。分析结果表明,构件长细比较小时其惯性效应可以忽略,动力增大系数可以主要由应变率效应来描述,随长细比增大,惯性效应对动力增大系数的贡献越来越明显,而应变率效应仍不可忽略。     

大宽厚比H形截面轴压构件极限承载力直接强度法研究

利用ANSYS有限元程序对大宽厚比H形截面轴压构件的极限承载力进行了非线性有限元分析。分析中考虑了材料非线性和初始几何缺陷的影响,通过变化构件尺寸、材料屈服强度等参数,对共计44个构件进行了分析。应用新兴的直接强度法和传统的有效截面法对构件的极限承载力进行了计算。结果显示:有限元计算结果与直接强度法计算结果及有效截面法计算结果比值的平均值分别为1.039和1.098。与直接强度法相比,有效截面法计算过程较繁琐,且结果略显保守。直接强度法起源于单轴对称截面冷弯薄壁型钢结构构件的承载力计算,分析表明用其对大宽厚比H形截面柱的极限承载力进行计算是可行的。     

自复位钢框架-蝴蝶形钢板剪力墙体系两层结构抗震试验研究

为了研究蝴蝶形钢板剪力墙-自复位结构体系的抗震性能,对7个两层单跨1/2缩尺蝴蝶形钢板的自复位钢框架试件进行了低周反复荷载试验。根据试验结果着重分析了蝴蝶形钢板的高厚比、高宽比和蝴蝶杆层数以及试件的初始预应力等参数对试件的承载力、滞回性能、耗能能力和复位效果等性能的影响。试验结果表明:随着钢板的高厚比和高宽比的减小,试件的承载力和耗能能力增大,但残余变形随着高厚比减小而增加,且几乎不受高宽比的影响;蝴蝶杆层数越多,试件的承载力和残余变形越大,前期耗能越迅速,但最终耗能量相同;初始预应力越大,试件的承载力越大,耗能能力越弱,残余变形越小。     

基于套管屈曲约束的拉挤型GFRP管轴压性能

为解决复合材料空间桁架结构部分关键压杆失稳引发的连续性倒塌问题,提出了一种由不锈钢套管及螺栓连接系组成的玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管整体失稳套管屈曲约束装置。为分析该套管屈曲约束装置对拉挤型GFRP管轴压性能的影响,对3个GFRP管试件和4个套管屈曲约束GFRP管试件进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,对比研究了两者的极限承载力和破坏模式,同时利用有限元模型分析了不同内核长细比、内核与套管间隙及套管壁厚对GFRP管轴压性能的影响。结果表明:该套管屈曲约束装置能有效约束GFRP管整体失稳变形,其极限承载力和延性均得到提升,并使GFRP管从失稳破坏向材料强度破坏发展;内核长细比越大,套管屈曲约束GFRP管极限承载力相比于内核失稳临界荷载的相对提升幅值越高,约束效果越好;内核与套管间隙越大,GFRP管延性越好,但其极限承载力会降低;套管壁厚过薄会降低GFRP管极限承载力,过厚则约束效果不明显。