高强圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

为了研究高强钢管混凝土短柱的承载性能,进行了13个高强圆钢管混凝土短柱轴压试验,从破坏模式、荷载-位移关系、承载力、残余承载力和延性方面对内填普通强度混凝土和超高性能混凝土的短柱受力性能进行了对比分析,研究了钢管强度、混凝土强度以及径厚比对两种钢管混凝土短柱的轴压性能影响。试验结果表明：钢管混凝土短柱的破坏模式与等效径厚比相关,分为腰鼓型破坏和剪切型破坏两种;在相同钢管强度及径厚比条件下,内填普通强度混凝土的短柱较内填高性能混凝土的短柱具有更高的承载力提高系数和残余承载力比,以及更好的延性。同时,将试验承载力结果与我国GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》、欧洲规范BS EN 1994-1-1：2004和美国规范ANSI/AISC 360-16中相关公式计算结果进行对比,发现现行规范一定程度上高估了高强钢管超高性能混凝土短柱的承载力。结合已有试验统计数据与高强圆钢管混凝土短柱试验结果,对圆钢管高强及超高强混凝土短柱受压截面承载力计算公式进行修正,得到偏安全的短柱轴压承载力计算公式。     

锈蚀圆钢管再生混凝土轴压短柱受力性能研究

以名义锈蚀水平(0%、10%和20%)为变化参数,设计了6根圆钢管混凝土短柱进行轴压试验,观察了锈蚀圆钢管混凝土短柱的受力全过程和破坏形态,得到了构件的应力-应变关系曲线,重点分析了锈蚀对构件轴压性能的影响,得出锈蚀圆钢管混凝土短柱刚度退化规律以及损伤演变规律。研究结果表明：随着锈蚀水平的提高,钢管混凝土柱的承载力均下降,组合弹性模量不同程度降低,刚度损伤增大;核心混凝土的类型对锈蚀构件承载力影响不大。采用钢管壁厚折减法结合ABAQUS有限元软件对构件在轴压荷载作用下荷载-变形关系进行模拟,同时根据GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》公式进行计算,试验结果与模拟结果以及计算结果基本一致。采用钢管壁厚折减法能够有效计算锈蚀圆钢管再生混凝土的承载力。     

不锈钢管约束钢筋再生混凝土短柱轴压受力性能研究

为研究不锈钢管约束钢筋再生混凝土短柱受压力学性能，进行了6个圆形和6个方形截面轴压短柱的试验研究，主要研究参数为不锈钢管厚度(1.4、1.9 mm)、再生砖骨料掺量(0%、50%、100%)和柱类型(不锈钢管约束钢筋再生混凝土短柱、不锈钢管钢筋再生混凝土短柱和钢筋再生混凝土短柱),获得了破坏形态、荷载-应变关系、极限荷载、刚度和延性等性能。结果表明：不锈钢管的约束作用提高了短柱的承载力和延性，承载力随再生砖骨料掺量增加而减小，再生砖骨料掺量100%时圆形和方形截面短柱承载力比无掺入情况分别下降23.6%和39.5%;再生砖骨料掺量越大，短柱的轴压刚度越小，不锈钢管壁厚从1.4 mm变化到1.9 mm对轴压刚度影响不大；再生砖骨料高掺量情况或增加不锈钢管厚度可显著提高短柱延性。同时，修正了现有圆形截面的约束混凝土本构模型，建立了不锈钢管约束钢筋再生混凝土短柱的有限元模型进行轴压性能分析，有限元计算结果和试验结果吻合良好。对114个不同参数下短柱模型进行计算，提出了圆形和方形截面不锈钢管约束再生混凝土短柱轴压承载力和刚度设计方法。     

角钢约束混凝土轴压短柱力学性能研究

对10个高宽比为3的角钢约束混凝土短柱进行轴心受压试验,观察试件的破坏过程,得到了试件的荷载 轴向位移关系曲线,根据试验结果,分析了构件截面尺寸、缀板间距以及混凝土强度对角钢约束混凝土柱承载力的影响;利用有限元软件ANSYS对试验过程进行数值仿真分析。结果表明：试件最终破坏时在试件中部附近位置角钢和缀板出现凸鼓变形;随着缀板间距的增大,试件的承载力逐渐减小,荷载 位移曲线下降越明显,可见在相同条件下,缀板间距是影响角钢约束混凝土短柱承载力的主要因素。在试验和仿真分析的基础上提出角钢约束混凝土轴压短柱承载力的简化计算式。     

圆高强钢管超高性能混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究采用高强材料的钢管混凝土构件的基本力学性能,开展9根含钢率为0.14～0.38的高强钢管超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)短柱轴压性能试验,同时分析钢管强度和混凝土强度变化对轴压性能的影响。试验结果表明:与普通钢管UHPC柱和高强钢管普通混凝土柱相比,若其他条件相近,高强钢管UHPC柱中高强钢管的局部鼓曲和UHPC的脆性特征得到更明显改善。钢管屈服后,为避免UHPC产生过大的横向膨胀而导致强度损失,应控制套箍作用尽早出现。采用已验证的有限元模型,开展参数分析发现,钢管混凝土短柱的轴压承载力随含钢率的增加而增大,二者的关系与混凝土强度基本独立,但与钢管强度密切相关。由于材料强度超出了现有规范的限定范围,GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规程》中对高强材料钢管混凝土短柱轴压承载力的预测存在一定偏差。基于有限元数据样本,建立了高强材料钢管混凝土短柱的轴压承载力计算方法。经相关文献的试验结果验证表明,该计算方法的预测精度高,可用于实际工程。     

圆钢管约束型钢混凝土短柱轴压承载力分析

在统一强度理论的基础上,对圆钢管约束型钢混凝土短柱的轴心受力性能进行理论分析;采用厚壁圆筒统一强度理论计算钢管对核心型钢混凝土的约束应力,推导出圆钢管约束型钢混凝土短柱的轴压承载力公式;并对影响因素进行分析。将公式的计算结果与文献试验结果进行比较,结果吻合较好,说明统一强度理论对于圆钢管约束型钢混凝土轴压短柱的理论计算有很好的适用性,可为圆钢管约束型钢混凝土柱的分析计算提供一定的理论依据。     

角钢格构加劲圆钢管约束混凝土柱轴压性能数值研究

采用有限元分析软件ABAQUS对18个角钢格构加劲圆钢管约束混凝土柱的轴压性能进行了数值模拟研究。将角钢格构加劲圆钢管约束混凝土柱和圆钢管约束型钢混凝土柱的轴压性能进行对比分析,进而研究了钢管径厚比、钢骨含钢率、缀板间距等因素对试件最大荷载和延性的影响。结果表明:角钢格构加劲圆钢管约束混凝土柱具有良好的受压性能;角钢格构加劲圆钢管约束混凝土柱的最大荷载和延性随着钢管径厚比和缀板间距的减小以及钢骨含钢率的增加而增大,且延性增加的幅度随之逐渐减小;钢骨含钢率处于3.87%～7.18%时,试件有较高的最大荷载和延性;缀板间距可依据普通格构式柱的设计要求取值。提出了角钢格构加劲圆钢管约束混凝土柱轴压承载力建议计算公式,计算结果偏于安全保守,可用于工程设计参考。     

钢管混凝土短柱轴压性能研究

文章针对钢管混凝土短柱的轴压性能开展了研究,首先建立了数值分析模拟,通过某实际钢管混凝土短柱的轴压试验验证了有限元模型的可靠性。然后分析了钢管厚度、钢材等级、混凝土强度、配筋率对钢管混凝土短柱轴压承载力和延性的影响,最后采用各国规范对钢管混凝土短柱的轴压承载力进行了评价。研究结果表明：钢管厚度、钢材等级、混凝土强度、配筋率均可以提高钢管混凝土短柱的轴压承载力,但钢管厚度和钢材等级的提升效果更为明显。钢管厚度和配筋率可以提升延性,钢材等级和混凝土强度导致延性变差。其中,配筋率对延性的改善最为有效。目前各国规范关于轴压承载力的计算方法均过于保守,美国规范更接近于试验值。     

高寒环境温度下圆钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

针对高寒环境温度对钢管混凝土结构力学行为影响显著的问题。开展钢管混凝土短柱轴压性能试验,分析试件在不同温度下的试验现象及破坏形态,探究不同环境温度对圆钢管混凝土短柱轴压力学性能的影响规律,揭示温度对钢管混凝土套箍效应的影响机理;针对现行规范在钢管混凝土承载力计算中未考虑温度作用的不足,基于试验结果分析提出考虑环境温度的钢管混凝土短柱承载力计算修正公式。结果表明：温度变化对钢管混凝土短柱承载力和延性影响显著,随着温度的下降,试件承载力增大,而延性大幅降低,脆性显著增大;温度从40℃降至-40℃,M型、L型试件承载力分别提高27.8%和34.3%;环境温度对构件套箍效应影响明显,套箍率越小越显著;提出的考虑温度影响的钢管混凝土短柱轴压承载力计算修正公式具有较好的可靠性和精度,可为高寒大温差地区钢管混凝土结构的设计提供必要依据。     

钢管再生混凝土短柱轴压性能试验研究

通过对6根钢管再生混凝土短柱及3根普通钢管混凝土短柱进行轴压试验,研究不同长径比和再生骨料取代率对钢管再生混凝土短柱轴压力学性能的影响。研究结果表明:钢管再生混凝土短柱的变形破坏形式与普通钢管混凝土短柱相似;随再生骨料取代率及长径比的增加,钢管再生混凝土短柱的极限承载力下降。基于试验验证普通钢管混凝土短柱极限承载力计算方法对钢管再生混凝土短柱的适用性,计算值与试验值吻合较好。     

Mechanical behavior of stirrup-confined circular concrete-filled steel tubular stub columns under axial loading

通过井字形拉筋、米字形拉筋和圆环箍筋等3组拉筋约束形式带拉筋圆钢管混凝土短柱轴压性能对比试验,研究不同拉筋约束形式、拉筋体积配箍率对圆钢管混凝土轴压短柱的承载力和延性等的影响;采用合理的混凝土三轴受力本构模型和钢材本构模型,应用ABAQUS非线性有限元分析软件对带拉筋圆钢管混凝土轴压短柱进行三维有限元分析,有限元计算结果与试验结果吻合较好;在此基础上,分析了带拉筋圆钢管混凝土轴压短柱中钢管、拉筋或箍筋、核心混凝土之间的组合作用。结果表明：井字形拉筋圆钢管混凝土轴压短柱的承载力最高,延性最好,钢管、拉筋和核心混凝土之间的组合作用最强;提高体积配箍率可以有效提高圆钢管混凝土短柱的轴压承载力和延性。     

Behavior of concrete-filled rectangular weathering steel tubular stub columns under axially compressive loading

为了研究耐候钢管混凝土轴压短柱的受力性能,开展了矩形截面形式共4根耐候钢管混凝土轴压短柱试验研究,采用有限元法对试验轴压短柱性能进行了建模分析。结合试验和有限元法,分析比较耐候钢管混凝土轴压短柱与普通钢管混凝土轴压短柱受力性能的差异。研究结果表明：耐候钢材拉伸性能试验表明耐候钢材与碳素钢的力学性能相似,文中采用的钢材本构关系对耐候钢适用;设置约束拉筋使得构件承载力、延性以及钢管对混凝土的约束作用均有提高;耐候钢管混凝土短柱试验研究、有限元分析结果均表明耐候钢管混凝土短柱轴压性能与普通钢管混凝土无显著差异。     

Analysis on axial compressive performance of embedded circular steel tube totally-recycle concrete composite columns

为研究全再生混凝土柱内配钢管后的轴压力学性能,设计5个内置钢管全再生混凝土组合柱试件和3个对比试件进行试验,分析体积配箍率和钢管面积比对试件承载力、延性和损伤性能的影响规律以及内配钢管后的组合效应。研究表明：钢管混凝土柱达到峰值荷载时刻滞后于中空钢筋混凝土柱,即在管外混凝土达到极限状态后,核心钢管混凝土逐渐发挥作用;随着体积配箍率的增加,组合柱的承载力和延性整体呈增长趋势,累积损伤增长变慢;提高钢管面积比,组合柱承载力降低,延性增强,提前进入损伤状态,但后期损伤发展缓慢;CECS 188:2005的计算结果与试验结果吻合良好,该规程可用于内置钢管全再生混凝土组合柱轴压承载力设计。     

Finite element analysis on axial loading behavior of stub columns of square concrete-filled steel tube with diagonal ribs

为改善方钢管对核心混凝土的约束效应和薄壁钢管混凝土柱的受力性能,提出了带斜拉肋方钢管混凝土柱,其中斜拉肋通长并焊接于钢管两邻边的三分点处。基于有限元软件ABAQUS,对带斜拉肋的方钢管混凝土短柱的轴压受力性能进行了精细化模拟,分析了斜拉肋的设置与否、钢管宽厚比、混凝土强度、斜拉肋厚度、钢材强度、斜拉肋与钢管之间焊缝间隔长度及斜拉肋孔径、间距对轴压力学性能的影响。结果表明：设置斜拉肋可使方钢管混凝土短柱的轴压承载力平均提高14.9%左右,并使方钢管对核心混凝土的约束效果增加,即组合作用系数从1.031平均增加到1.103,尤其可以明显改善大宽厚比方钢管混凝土柱的轴压承载力及组合作用;采用较薄厚度的斜拉肋,可使短柱的组合作用更好,并能充分发挥材料的性能。     

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。     

冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析

基于材料强度折减及钢管壁厚折减的方法,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土轴压力学性能采用有限元法进行了研究。基于合理的有限元分析模型,对冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后圆钢管混凝土柱的破坏模态、轴向荷载-位移关系、钢管与混凝土相互作用进行了分析,研究了含钢率、截面尺寸、钢管屈服强度、混凝土轴心抗压强度以及冻融循环-酸雨交替次数对试件轴压极限承载力的影响。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性; 冻融循环-酸雨锈蚀交替作用后轴压圆钢管混凝土短柱的破坏模态与普通试件相似,轴向荷载-位移曲线变化趋势一致,试件均为塑性破坏; 圆钢管混凝土轴压短柱随冻融循环-酸雨锈蚀交替次数的增加,材料性能劣化严重,外钢管对核心混凝土约束作用减弱,试件极限承载力明显下降。     

薄壁方钢管再生混合短柱轴压性能试验研究

通过16个薄壁方钢管再生混合短柱的轴压试验,研究废弃混凝土取代率、新旧混凝土强度差、钢管壁厚等因素对试件轴压性能的影响;基于新、旧混凝土的组合强度,对比分析国内外相关公式预测试件轴压承载力的有效性。研究结果表明：与全现浇薄壁方钢管混凝土短柱相比,薄壁方钢管再生混合短柱的钢管屈服较早,废弃混凝土取代率越大钢管屈服越早;薄壁方钢管再生混合短柱的轴压承载力总体呈现出随废弃混凝土取代率增加逐渐降低的趋势,降低幅度大于薄壁圆钢管再生混合短柱;当新、旧混凝土抗压强度相近时,取代率在20%~33%范围内变化对薄壁方钢管再生混合短柱的轴压承载力影响有限;为使再生混合短柱具有与全现浇短柱相近的安全性,建议对根据现行设计标准计算得到的薄壁方钢管再生混合短柱的轴压承载力乘以调整系数0.9。