钢管混凝土肋拱面内受力全过程有限元分析

本文编制了考虑几何与材料双重非线性的钢管混凝土肋拱面内受力的有限元程序。材料非线性应用合成法钢管混凝土本构关系。计算结果与试验结构比较表明,该程序能够反映钢管混凝土肋拱受力全过程的基本特性,但在受力的后期有一定的误差,表明钢管混凝土肋拱中的材料本构关系有其自身的特点。     

钢管混凝土拱空间高效双非线性有限元分析

大跨度钢管混凝土空间桁架拱桥的复杂造型使得有限元分析极为特殊,对非线性分析方法的计算精度和效率提出更高要求。采用共旋坐标法,根据共旋坐标系下应变与消除刚体位移后的变形呈线性关系的特点,利用虚功原理无需迭代就能计算出该坐标系下完全粘结钢管混凝土梁单元考虑材料非线性的切线刚度矩阵,再基于场一致性原则导出结构坐标系下考虑几何与材料双重非线性的切线刚度矩阵,从而建立钢管混凝土拱空间高效非线性分析方法。编制了相应的程序,对钢管混凝土模型拱的面内与面外受力进行了计算分析,结果表明在计算精度和效率上是比较满意的。     

方形钢管混凝土叠合柱的力学性能研究

建立了方形钢管混凝土叠合柱的非线性有限元模型,对其在往复荷载作用下的滞回性能进行了数值模拟。有限元模型考虑了反复荷载作用下混凝土的损伤、构件的几何非线性以及钢筋和内钢管与混凝土之间的粘结滑移。算例分析结果表明,有限元计算和试验结果总体上吻合良好。采用有限元模型对方形钢管混凝土叠合柱在轴压力和侧向力共同作用下的工作机理进行了细致分析。     

钢管混凝土短柱力学性能研究-实用计算方法

通过对国内外233个钢管混凝土短柱的有效试验结果的重分析,进一步论证了套箍指标是影响钢管混凝土短柱极限承载力的综合因素,建立了钢管混凝土短柱极限承载力、峰值应变和平台强度等实用计算公式和钢管混凝土短柱组合材料应力-应变全曲线实用计算公式,混凝土强度等级适用范围为C20~C110,其计算结果与试验结果吻合良好。研究成果可供钢管混凝土柱的非线性有限元全过程分析参考。     

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。     

圆钢管混凝土压弯长柱非线性屈曲承载力的理论研究

基于三维线弹性大变形理论,构造了三维非线性虚拟层合单元法,利用此法对钢管混凝土压弯长柱的非线性屈曲承载力进行了研究,有限元分析结果与试验结果符合良好。最后,以典型截面形式为例,研究了长细比、偏心率等参数对钢管混凝土长柱承载力的影响,研究结果可供工程设计和施工参考。     

钢管约束混凝土纯弯构件抗弯力学性能研究

采用有限元软件建模对钢管约束混凝土纯弯构件的荷载-变形关系进行了计算,计算结果分别得到了两个圆形及两个方形构件试验结果的验证。在此基础上,利用有限元方法对钢管约束混凝土纯弯构件受力过程中钢管及核心混凝土之间的相互作用以及构件的荷载-变形关系进行了分析,最后探讨了钢管约束混凝土纯弯构件抗弯承载力的实用计算方法。     

钢管初应力对方钢管混凝土构件性能的影响研究

在14根方钢管混凝土构件试验的基础上，分析了初应力系数、荷载偏心率、混凝土强度、试件长细比等因素对承载力的影响，给出了钢管初应力对方钢管混凝土压弯构件承载力的影响系数，采用ANSYS有限元分析程序进行了非线性全过程分析。     

带楼板钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能数值分析

该文建立了三维非线性有限元模型,对带楼板的钢管混凝土叠合柱-钢梁节点抗震性能进行了研究。该有限元模型考虑了材料和几何的非线性、混凝土在往复荷载作用下的累积损伤及钢-混凝土间的接触关系等。利用已有节点试验结果,对建立的数值模型进行了验证。利用验证的有限元模型细致分析了带楼板钢管混凝土叠合柱-钢梁节点在梁端往复荷载作用下的工作机理。分析结果表明:节点在梁端往复荷载作用下,核心区的内、外混凝土形成"斜压杆",核心区的钢管和钢筋笼屈服并与核心区混凝土共同抵御外力。     

任意截面预应力混凝土细长柱的非线性分析

提出了轴力和双向弯曲作用下任意截面混凝土和预应力混凝土细长柱的非线性有限元计算模型。分析时既考虑了由单元变形和轴力二次矩引起的几何非线性效应,也考虑了由材料非线性应力应变关系和截面刚度矩阵引起的材料非线性效应。推导了非线性全过程分析的标准有限元公式,得到的单元刚度矩阵可分割成三个子矩阵,分别反映了材料非线性、材料非线性和单元大位移的耦合、轴力二次矩等三种不同的非线性作用效应。计算分析结果和试验结果吻合较好。     

高温下钢管混凝土SHPB动态力学性能试验研究

采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置和特制高温试验炉进行了高温下钢管混凝土的抗冲击性能试验研究,通过测试高温下钢管混凝土的动态强度和应力-应变曲线,揭示温度和冲击速度(应变率)对高温下钢管混凝土动态力学性能的影响规律。试验结果表明,高温下钢管混凝土仍具有良好的抗冲击性能、延性和耗能能力。在该文试验参数范围内,温度作用相比冲击速度的影响更加显著。高温下钢管混凝土动态强度受试件尺寸影响显著,后续研究工作应关注钢管混凝土动态冲击荷载作用下的尺寸效应研究。     

钢管混凝土边框内藏钢桁架组合核心筒抗震性能试验研究

提出了钢管混凝土边框内藏钢桁架混凝土组合核心筒,为了解其抗震性能,进行了1个钢管混凝土边框混凝土组合核心筒和1个钢管混凝土边框内藏钢桁架混凝土组合核心筒的低周反复荷载试验研究,2个试验模型为1/6缩尺。在试验基础上,分析比较了2个核心筒的承载力、延性、滞回特性、耗能能力、刚度衰减过程和破坏特征,分析结果表明:钢管混凝土边框内藏钢桁架混凝土组合核心筒抗震性能较好。在试验研究基础上,建立了钢管混凝土边框内藏钢桁架混凝土组合核心筒承载力简化力学计算模型与公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆柱轴压受力分析

提出了外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱的新型复合加固方法。对9根复合加固钢筋混凝土圆短柱进行了轴心受压试验,根据试验中测得的钢管和钢筋应变结果,采用内力分解法分析了外套钢管、核心混凝土和钢筋的应力变化和三者之间的相互作用。分析结果表明:加载方式对外套钢管的横向变形影响较大,约束型加载方式外套钢管屈服时的横向应力大于钢管和核心混凝土共同承压加载方式;核心混凝土的抗压强度提高系数和不同材料承担轴力的比例与加载方式、外套钢管厚度、后浇自密实混凝土强度和界面处理方式有关。     

Tests on impact behaviour of micro-concrete-filled steel tubes at elevated temperatures up to 400°C

Concrete-filled tubular (CFT) columns are being more and more utilized in construction of tall buildings and bridges. The CFT column system, which has been proved to have excellent load carrying capacity and ductility, by static and simulated seismic loading tests, also has good dynamic impact behaviour. The impact resistance of small-size micro-concrete-filled steel tubes under axial impact load at elevated temperatures up to 400°C was experimentally studied by using a spilt Hopkinson pressure bar. The stress and strain time history curves of the tested specimens were recorded to analyze the impact behaviour of CFT at elevated temperatures. The failure patterns and the influence of temperature on the impact resistance of CFT are discussed. The test results show that CFT has an excellent impact resistant capacity at elevated temperatures and the dynamic behaviour of core concrete under high temperatures was discovered. A simplified calculation method to determine the impact resistant capacity of CFT at elevated temperatures is presented, which is validated by the tested results.     

钢管直径对T形截面钢管混凝土芯柱的抗爆性能影响研究

研究钢管直径这一参数的变化对T形截面钢管混凝土芯柱抗爆性能的影响。通过非线性有限元分析软件ABAQUS对钢管直径不同的T形截面钢管混凝土芯柱在爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模拟。比较了普通T形钢筋混凝土异形柱和T形钢管混凝土芯柱抗爆性能的差异。通过变化钢管直径,得到钢管直径的变化对T形钢管混凝土芯柱抗爆性能的影响。研究表明:T形钢管混凝土芯柱的抗爆性能优于普通T形钢筋混凝土异形柱;T形钢管混凝土芯柱的抗爆性能随钢管直径的增大而加强。     

Testing and modeling of a novel FRP-encased steel–concrete composite column

A composite column consisting of steel, concrete and fiber reinforced polymer (FRP) is presented and assessed through experimental testing and analytical modeling. The composite column utilizes a glass FRP (GFRP) composite tube that surrounds a steel I-section, which is subsequently filled with concrete. The GFRP tube acts as a stay-in-place form in addition to providing confinement to the concrete. This study investigates the behavior of the proposed composite columns under axial loading. A total of seven specimens were tested. The influence of concrete shrinkage on the compressive behavior of the composite columns was also investigated. Significant confinement and composite action resulted in enhanced compressive behavior. The addition of a shrinkage reducing agent was found to further improve the compressive behavior of the composite columns. An analytical model was developed to predict the behavior of the composite columns under axial loading.     

软化特征可控的双参指数型约束混凝土本构及其应用

约束混凝土本构模型的下降段影响着钢管混凝土的力学性能预测,结合6组方钢管混凝土短柱轴压破坏试验结果,提出一种软化特征可控的双参指数型约束混凝土本构。双参指数型本构考虑了方钢管宽厚比、混凝土强度、钢管截面含钢率等因素的影响,能够很好地模拟在不同约束条件下混凝土的软化行为。基于双参指数型本构,对6组方钢管混凝土试验结果进行了轴压破坏的受力全过程模拟,计算结果和试验结果吻合良好。     

内藏钢管超高强混凝土芯柱组合柱抗震性能试验研究

结合6个内藏钢管超高强混凝土芯柱组合柱试件和2个普通钢筋混凝土柱试件的低周反复加载拟静力试验,对内藏钢管超高强混凝土芯柱的组合柱的破坏形态、破坏机理和抗震性能开展研究,重点对箍筋布置和预应力钢带布置对组合柱抗震性能的影响进行分析。通过分析实测荷载-侧移滞回曲线,对试件的延性性能、耗能性能、刚度退化和强度衰减等抗震性能指标进行了对比分析。研究结果表明,内藏钢管混凝土芯柱可以明显提高柱的延性性能及耗能性能,加密箍筋和采用预应力钢带可以对组合柱产生有效约束,进一步提高内藏钢管混凝土芯柱组合柱的延性性能、耗能性能,改善其刚度退化、强度衰减。     

基于广义Kelvin链钢管混凝土徐变研究

混凝土徐变是混凝土材料本身固有的一个时变特性,是结构响应中一个重要组成部分,其计算方法通常是建立在单轴试验和理论基础上。为探讨钢管混凝土徐变特性,该文采用自制的压力自平衡混凝土徐变试验装置对混凝土圆柱和圆钢管混凝土柱进行了徐变试验,结果表明:钢管混凝土柱徐变变形要比普通混凝土柱的徐变变形小,在该文试验中两者相差接近50%,这可能是密闭钢管内核心混凝土无法与外界发生水分交换而不发生干燥收缩和干燥徐变以及钢管围压所致。根据粘弹性理论,引入多参数Kelvin链粘弹性元件模型,建立了求解单轴应力状态下混凝土徐变的Volterra型积分方程,模型参数近似表示为连续粘滞谱。通过离散时间变量t和分步积分,进一步得到了单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型。依据徐变叠加原理,考虑Poisson效应,进一步将单轴应力状态下混凝土徐变应力-应变增量本构模型拓展到三轴应力状态,用于钢管混凝土徐变分析。对有限元商用软件Ansys进行二次开发,将反映三轴应力状态下混凝土徐变性能的本构方程引入Ansys提供的用户子程序Usermat中,并采用Fortran语言编程,从而实现了钢管混凝土徐变长期性能的有限元分析计算。将有限元数值解与试验结果进行对比分析,发现该文提出的模型是科学的和有效的。该文提出的方法将为混凝土徐变计算提供了另一条有效途径。     

Experimental study on impact behaviour of concrete-filled steel tubes at elevated temperatures up to 800 °C

The dynamic behaviour of normal strength concrete-filled steel tubes (CFT) at elevated temperatures up to 800 °C under axial impact loading was experimentally studied by using a newly developed spilt Hopkinson pressure bar (SHPB) together with an electrical furnace. The effects of high temperature, impact velocity, steel ratio and slenderness ratio on the impact behaviour of CFT at elevated temperatures were experimentally studied. The stress and strain time history curves of the tested specimens were recorded to analyze the impact behaviour of CFT at elevated temperatures. The failure modes and the effects of the experimental parameters on the impact resistance of CFT are discussed. The test results showed that normal strength concrete-filled steel tube at elevated temperatures had a more excellent impact resistance in the paper than that described in Huo et al. (2009). A simplified calculation method was updated by introducing the reasonable dynamic increase factor model of hot concrete to reasonably assess the impact resistance of CFT at elevated temperatures.