钢管混凝土叠合构件受弯性能分析

通过10根钢管混凝土叠合构件的受弯试验,研究了其抗弯性能;分别用极限平衡法和条带法计算了试件的受弯承载力,用条带法计算了试件截面的弯矩-曲率全曲线,计算结果与试验结果符合;根据试验结果,钢管混凝土叠合构件截面的弯矩-曲率关系曲线可简化为三折线,并给出了用弯曲刚度表示的三折线的方程。     

高强方钢管高强混凝土构件纯弯性能研究

通过4个高强方钢管高强混凝土构件的纯弯性能试验,得到了荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线和弯矩-曲率曲线,并分析了试件核心混凝土的破坏模态。试验结果表明:高强方钢管高强混凝土纯弯构件的破坏形态为受弯破坏;核心混凝土裂缝分布均匀,最大的裂缝位于混凝土受拉区跨中截面附近;随着钢材屈服强度的增大,试件的承载力增大;根据弯矩-曲率曲线可以将纯弯构件的受力过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段。采用有限元分析软件ABAQUS对高强方钢管高强混凝土纯弯构件进行了有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。在此基础上,分析了钢材屈服强度、混凝土强度、含钢率对纯弯构件受力性能的影响。分析结果表明,纯弯构件的承载力随着含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度的增加而增加,其中,含钢率和钢材屈服强度对构件的承载力影响较大;与钢材屈服强度和混凝土强度相比,含钢率对提高纯弯构件的抗弯刚度影响较大。     

圆CFRP-钢管混凝土构件受弯性能研究

进行16个圆截面CFRP-钢管混凝土构件受弯的试验研究.结果表明,对于包裹纵向CFRP的构件,其弯矩-曲率曲线总体上可以划分为以下三个阶段,即弹性段、弹塑性段和软化段;构件的极限弯矩提高率随着纵向CFRP层数的增大或钢管外径的减小而增大;纵向CFRP可显著提高构件的抗弯刚度.试验结果还表明,从加载开始到极限弯矩,钢管和CFRP在环向和纵向都可以协同工作;纵向受拉的钢管对核心混凝土没有环向套箍作用.在大约0.7倍的极限弯矩之前,纵向应变沿截面高度的分布基本符合平截面假定;构件的挠曲线基本为正弦半波曲线.应用纤维模型法分析圆CFRP-钢管混凝土受弯构件的弯矩-曲率曲线,计算结果与试验结果吻合良好,且总体上偏于安全.     

方钢管高强混凝土受弯构件力学性能的数值分析

为研究往复荷载作用下方钢管高强混凝土受弯构件的力学性能,运用有限元软件ABAQUS对方钢管高强混凝土受弯构件进行数值模拟,分析混凝土强度及含钢率对受弯构件力学性能的影响,发现往复荷载作用下方钢管高强混凝土受弯构件的弯矩-曲率滞回关系曲线形态饱满,整个滞回曲线呈梭形,没有捏拢现象。由此可知,在一定范围内混凝土强度和含钢率的提高有助于方钢管高强混凝土受弯构件抗震性能的改善。     

钢管高性能混凝土受弯构件的静力性能(Ⅰ):试验研究及有限元模拟

为给辽宁省地方标准的编制提供依据,对钢管高性能混凝土受弯构件的静力性能展开研究。通过18个试件(内填自密实混凝土的立方试块抗压强度标准值为96 MPa)的静力试验,发现钢管高性能混凝土受弯构件的跨中弯矩-曲率曲线可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降段。试件挠曲线接近正弦半波曲线,钢管纵向应变基本符合平截面假定,环向受压的钢管对混凝土没有约束力。应用有限元法模拟了试件的跨中弯矩-曲率曲线和变形模态,模拟结果与试验结果吻合良好。总体而言,钢管高性能混凝土受弯构件与普通钢管混凝土受弯构件在静力性能方面没有本质区别。     

Theoretical and experimental research on flexural behavior of concrete-filled steel tubes with inner stiffening

通过求解纯弯作用下内配钢管、钢筋、工字型钢的钢管混凝土构件极限状态下平衡方程,得到了内配加劲件钢管混凝土构件的受弯承载力理论计算式。设计3组9根内配加劲件钢管混凝土试件进行纯弯试验,得到构件的受弯承载力及其弯矩-跨中挠度曲线、弯矩-跨中应变关系曲线、弯矩-曲率曲线,曲线可分为3个阶段,对应构件的弹性阶段、弹塑性阶段以及应力强化阶段,内配加劲件钢管混凝土纯弯过程中具有较好的延性;将受弯承载力理论值与试验值进行对比,平均比值为0.9199,平均相对误差为8%,表明理论公式较为准确,理论值皆小于试验值,说明理论公式较保守。以内配钢管为例,建立内配钢管的钢管混凝土在纯弯作用下的有限元模型,通过改变内配钢管的厚度和强度,可知内配钢管的钢管混凝土受弯承载力随着内配钢管的厚度和强度增大而增大。     

内配加劲件钢管混凝土构件受弯性能理论与试验研究

通过求解纯弯作用下内配钢管、钢筋、工字型钢的钢管混凝土构件极限状态下平衡方程,得到了内配加劲件钢管混凝土构件的受弯承载力理论计算式。设计3组9根内配加劲件钢管混凝土试件进行纯弯试验,得到构件的受弯承载力及其弯矩-跨中挠度曲线、弯矩-跨中应变关系曲线、弯矩-曲率曲线,曲线可分为3个阶段,对应构件的弹性阶段、弹塑性阶段以及应力强化阶段,内配加劲件钢管混凝土纯弯过程中具有较好的延性;将受弯承载力理论值与试验值进行对比,平均比值为0.919 9,平均相对误差为8%,表明理论公式较为准确,理论值皆小于试验值,说明理论公式较保守。以内配钢管为例,建立内配钢管的钢管混凝土在纯弯作用下的有限元模型,通过改变内配钢管的厚度和强度,可知内配钢管的钢管混凝土受弯承载力随着内配钢管的厚度和强度增大而增大。     

高强冷弯矩形钢管混凝土柱抗震性能非线性有限元分析

基于试验结果,采用OpenSEES有限元软件模拟高强冷弯矩形钢管混凝土柱在低周往复荷载作用下抗震的受力全过程。分析试验构件的滞回性能,并基于纤维模型理论数值计算方法对高强矩形冷弯钢管混凝土的骨架曲线进行理论计算。探讨了截面长宽比、钢管的宽厚比、轴压比对高强冷弯矩形钢管混凝土柱的力学性能的影响。结果表明:采用Open SEES计算得到的滞回曲线、骨架曲线与试验实际滞回曲线、骨架曲线吻合较好;在一定范围内,高强冷弯矩形钢管混凝土柱的截面长宽比越小,其水平承载力和刚度越大;钢管宽厚比减小可有效提高高强冷弯矩形钢管混凝土柱的水平承载力和刚度;轴压比越小,高强冷弯矩形钢管混凝土柱水平承载力越高且延性越好。     

往复荷载作用下高强方钢管高强混凝土纯弯性能研究

为了研究高强方钢管高强混凝土构件在往复荷载作用下的纯弯性能,采用ABAQUS有限元分析软件建立高强方钢管高强混凝土纯弯构件的数值模型,进行滞回性能的研究。基于已有高强方钢管高强混凝土纯弯构件试验的研究成果,将有限元分析结果与试验结果进行对比,验证了所建立数值模型的准确性。并运用此模型对不同钢材的屈服强度、不同核心混凝土的抗压强度以及不同含钢率的高强方钢管高强混凝土纯弯构件的弯矩-曲率骨架曲线和耗能情况进行对比分析,得出结论如下:构件的抗弯承载力随着钢材屈服强度或含钢率的提高而明显提高,而随着核心混凝土抗压强度的改变影响较小。最后,基于有限元分析结果与不同规范计算结果的对比,提出了一种适用于高强方钢管高强混凝土纯弯构件抗弯承载力的简化公式,为今后的工程应用提供参考依据。     

方钢管混凝土压弯构件截面非线性分析

构件截面非线性分析是进行结构抗震性能分析的重要基础,针对方钢管混凝土构件中钢管的三向受力特点,提出了一种适于计算方钢管混凝土压弯构件弯矩-曲率骨架曲线的钢材本构模型,模型中考虑了钢材的环向拉力作用;并应用提出的钢材模型和已有的混凝土模型编制了纤维模型数值计算程序;分析了含钢率、轴压比、混凝土强度和钢材强度对方钢管混凝土压弯构件截面弯矩-曲率曲线的影响。通过对构件屈服弯矩、极限弯矩的分析,提出了一种方钢管混凝土压弯构件的三线性骨架曲线,该曲线可用于工程中方钢管混凝土框架结构的动力学分析。     

压弯扭复合荷载作用下钢管约束钢筋混凝土柱的承载力及弯扭相关关系研究

以4个钢管约束钢筋混凝土柱(STRC)在弯扭和压弯扭复合荷载作用下的试验研究为基础,采用有限元软件ABAQUS建立了钢管约束钢筋混凝土柱的有限元模型,分别模拟试件在弯扭以及压弯扭复合荷载作用下的破坏模式和承载能力,与试验结果进行对比,验证了有限元模型的正确性。通过有限元模型参数化分析,研究钢管强度、钢管厚度、截面尺寸、混凝土强度、纵筋直径与屈服强度、箍筋直径与屈服强度以及轴力等因素对复合荷载作用下承载力的影响。研究结果表明,钢管厚度、截面尺寸、纵筋的直径与屈服强度以及轴压力是影响复合荷载作用下承载力的主要因素。当圆形截面STRC柱的轴压力达到0.3N_u(N_u为柱轴压承载力)或方形截面STRC柱的轴压力达到0.5N_u时,柱的承载力达到最大。在不同因素的影响下,相同荷载作用下钢管约束钢筋混凝土柱的受弯承载力和受扭承载力之间的相关关系基本一致。     

FRP钢管混凝土柱抗爆性能数值模拟

为研究FRP钢管混凝土柱(CFST)的抗爆性能,建立了比例距离为0.28 m·kg^-1/3时爆炸荷载下纤维增强复合材料(FRP)钢管混凝土柱的数值模型。运用LS-DYNA非线性有限元程序中的高能爆炸材料模型及状态方程来施加爆炸荷载,采取多物质流固耦合方法进行数值模拟,通过试验数据验证了该模型的合理性。通过数值模拟展示了FRP钢管混凝土柱的位移时程及钢管、混凝土、FRP的等效应力变化,分析了其变化规律与分布特征。此外,通过改变相应参数研究了FRP层数、钢管屈服强度及混凝土强度对FRP钢管混凝土柱的影响程度。结果表明:FRP的约束可以有效提高钢管混凝土的抗爆性能,其易损部位主要发生在柱中及柱两端; 增加FRP层数,提高钢管屈服强度和混凝土强度均可提高柱的抗爆性能; 建立的模型可以进一步推广到不同比例距离、不同截面形状的FRP钢管混凝土柱抗爆研究,同时为FRP钢管混凝土抗爆设计提供了一定依据。     

CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的轴压力学性能

对8根碳纤维增强复合材料(CFRP)-圆/方钢复合管约束型钢高强混凝土（C-C/STCSRC）短柱和4根CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土（C-CTSRC）短柱进行了轴压试验,分析了CFRP约束效应系数、钢管截面形式以及钢管受力性能对CFRP-圆/方钢复合管约束型钢高强混凝土（C-C/STCSRC）轴压短柱力学性能的影响。结果表明:CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）轴压短柱的极限承载力提高率随着约束效应系数的增加呈指数形式增长;在柱核心混凝土截面面积相同时,CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）轴压短柱的极限承载力比CFRP-方钢复合管约束型钢高强混凝土（C-STCSRC）轴压短柱的极限承载力高50%以上;在弹性工作阶段,CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土（C-CTSRC）柱的弹性模量高于CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）柱的弹性模量;CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）柱的极限承载力高于CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土柱的极限承载力;CFRP与钢管黏结良好时,CFRP与钢管能够协同工作。     

单面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土柱耐火极限

为研究单面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土柱的耐火极限,采用有限元软件ABAQUS建立了ISO-834标准火灾作用下单面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土柱有限元模型,相关试验验证之后、分析了截面温度场和应力场的变化规律。在此基础上分析取代率、混凝土强度、荷载比、含钢率、荷载偏心率、荷载角、配筋率、截面尺寸和钢材强度等参数对构件耐火极限的影响规律。结果表明：荷载偏心率和荷载角对构件耐火极限影响较为复杂,当荷载角为180°时,荷载偏心率由0.2增加到0.4,构件耐火极限增加11.2%;当荷载偏心率为0.8时,荷载角由0°增到90°,构件耐火极限降低32.2%;荷载比和截面尺寸对构件耐火极限影响明显,当含钢率为5.33%时,荷载比由0.4增到0.5,其耐火极限降低37.1％;当钢材强度为Q345时,截面尺寸由200mm增到300mm时,构件耐火极限增加66.73%。基于上述规律并结合计算结果给出了单面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土柱的耐火极限简化计算式,可为该类柱抗火设计提供参考。     

Performance-based analysis of concrete-filled steel tubular beam-columns, Part I: Theory and algorithms

This paper presents a performance-based analysis (PBA) technique based on fiber element formulations for the nonlinear analysis and performance-based design of thin-walled concrete-filled steel tubular (CFST) beam-columns with local buckling effects. Geometric imperfections, residual stresses and strain hardening of steel tubes and confined concrete models are considered in the PBA technique. Initial local buckling and effective strength/width formulas are incorporated in the PBA program to account for local buckling effects. The progressive local buckling of a thin-walled steel tube filled with concrete is simulated by gradually redistributing normal stresses within the steel tube walls. Performance indices are proposed to quantify the section, axial ductility and curvature ductility performance of thin-walled CFST beam-columns under axial load and biaxial bending. Efficient secant algorithms are developed to iterate the depth and orientation of the neutral axis in a thin-walled CFST beam-column section to satisfy equilibrium conditions. The analysis algorithms for thin-walled CFST beam-columns under axial load and uni- and biaxial bending are presented. The PBA program can efficiently generate axial load-strain curves, moment-curvature curves and axial load-moment strength interaction diagrams for thin-walled CFST beam-columns under biaxial loads. The proposed PBA technique allows the designer to analyze and design thin-walled CFST beam-columns made of compact or non-compact steel tubes with any strength grades and normal and high-strength concrete. The verification and applications of the PBA program are given in a companion paper.     

FRP约束圆钢筋混凝土柱滞回性能的理论分析

在分别确定FRP、钢筋和核心混凝土在单调应力以及往复应力作用下的应力-应变关系模型的基础上,采用纤维模型法对FRP约束圆钢筋混凝土柱的M-和P-Δ滞回曲线进行了计算,计算结果和试验结果吻合较好。在数值计算的基础上,分析了含FRP率、钢筋屈服强度、纵向配筋率、混凝土强度、轴压比和长细比等参数对FRP约束圆钢筋混凝土压弯构件M-和P-Δ滞回关系骨架曲线的影响规律,最后建议了简化的滞回模型。     

Nonlinear analysis of circular concrete-filled steel tubular short columns under axial loading

The confinement effect provided by the steel tube in a circular concrete-filled steel tubular (CFST) short column remarkably increases the strength and ductility of the concrete core. The reliable prediction using nonlinear analysis methods for circular CFST columns relies on the use of accurate models for confined concrete. In this paper, accurate constitutive models for normal and high strength concrete confined by either normal or high strength circular steel tubes are proposed. A generic fiber element model that incorporates the proposed constitutive models of confined concrete is created for simulating the nonlinear inelastic behavior of circular CFST short columns under axial loading. The generic fiber element model developed is verified by comparisons of computational results with existing experimental data. Extensive parametric studies are conducted to examine the accuracy of various confining pressure models and the effects of the tube diameter-to-thickness ratio, concrete compressive strengths and steel yield strengths on the fundamental behavior of circular CFST columns. A new design formula accounting for concrete confinement effects is also proposed for circular CFST columns. It is demonstrated that the generic fiber element model and design formula adequately predict the ultimate strength and behavior of axially loaded circular CFST columns and can be used in the design of normal and high strength circular CFST columns.