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2024年 第39卷 第7期
2024, 39(7): 1-9.
doi: 10.13206/j.gjgS22120201
摘要
PDF (6931KB)
摘要:
为研究高强钢管混凝土柱-铝合金屈曲约束支撑结构体系(HSC-SB-ALAB)在不同强度地震动作用下的失效概率,基于增量动力分析(IDA)方法,选取近场脉冲型地震动、远场地震动、近场非脉冲型地震动和综合地震动四组共45条强震记录对一个10层HSC-SB-ALAB结构体系进行了地震易损性分析,得到了结构在4种地震类型作用下的易损性曲线,给出了结构在多遇地震、设防地震和罕遇地震时达到各个极限状态的概率,计算并评价了结构的倒塌储备系数。
研究结果表明:近场脉冲型地震动作用下结构达到各极限状态的概率最大,远场地震动作用下的超越概率最小;结构在各种类型地震动的作用下,倒塌概率仅为1%左右,满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标,倒塌储备系数均大于FEMA P695中要求的最小值2.47,是其他类型钢管混凝土结构的1.34~1.43倍。
为研究高强钢管混凝土柱-铝合金屈曲约束支撑结构体系(HSC-SB-ALAB)在不同强度地震动作用下的失效概率,基于增量动力分析(IDA)方法,选取近场脉冲型地震动、远场地震动、近场非脉冲型地震动和综合地震动四组共45条强震记录对一个10层HSC-SB-ALAB结构体系进行了地震易损性分析,得到了结构在4种地震类型作用下的易损性曲线,给出了结构在多遇地震、设防地震和罕遇地震时达到各个极限状态的概率,计算并评价了结构的倒塌储备系数。
研究结果表明:近场脉冲型地震动作用下结构达到各极限状态的概率最大,远场地震动作用下的超越概率最小;结构在各种类型地震动的作用下,倒塌概率仅为1%左右,满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标,倒塌储备系数均大于FEMA P695中要求的最小值2.47,是其他类型钢管混凝土结构的1.34~1.43倍。
2024, 39(7): 10-18.
doi: 10.13206/j.gjgS23112802
摘要:
钢管混凝土组合结构可以充分发挥混凝土和钢材两种材料的优势,在商业和公共建筑中应用非常广泛。近年来,随着装配式建筑的推广,矩形钢管混凝土柱由于其抗弯性能优良、节点形式多样等优点,在民用建筑中受到越来越多的关注。相比商业和公共建筑,住宅钢结构对建筑室内空间的有效利用(避免“凸梁凸柱”)和经济性(减小用钢量)具有更高的要求,为了满足这些要求,住宅钢结构中的矩形钢管混凝土柱的截面普遍具有较大的高宽比,且板件的宽厚比尽可能大。目前,在住宅钢结构中的矩形钢管混凝土柱的截面高宽比已达3.3左右,远超一般规范的适用范围(不大于2.0)。对于钢管混凝土柱而言,外钢管的局部失稳是其重要的破坏模式之一。当发生局部失稳时,钢管混凝土柱的承载能力将大幅下降,从而对构件的后期剩余承载力产生重要影响。我国规范通过限制钢管壁板件的宽厚比来防止管壁过早发生局部屈曲,但是经过研究发现,我国规范的宽厚比限值与国外部分规范存在差异,同时现有规范的宽厚比限值主要依据对截面高宽比不大于2.0构件的研究,对于住宅钢结构中应用广泛的高宽比大于2.0的宽钢管混凝土柱的适用性需要进一步研究。
通过对矩形钢管混凝土柱轴压性能的有限元分析,对宽钢管混凝土柱的板件宽厚比进行了研究。在用于模拟矩形钢管混凝土构件的约束混凝土本构模型和混凝土塑性损伤模型基础上,引入考虑截面高宽比对约束作用影响的截面高宽比系数,建立了可分析截面高宽比较大情况的矩形钢管混凝土柱有限元模型,并通过与试验结果对比验证了有限元模型的准确性。通过参数分析,考虑截面高宽比、宽厚比、钢材强度和混凝土强度等对矩形钢管混凝土柱极限承载力的影响,分析了宽矩形柱截面宽厚比限值。将分析结果与国内外相关规范关于矩形钢管混凝土柱截面宽厚比限值进行对比。定义归一化的极限承载力系数,并将极限承载能力系数曲线的转折点作为钢管宽厚比限值的确定依据。研究发现:钢材强度和混凝土强度分别与试件极限承载力呈负相关和正相关关系,但截面宽厚比对试件的极限承载力影响更为关键;矩形钢管混凝土板件的宽厚比限值可取50√235/fy, 这一数值与规范EC 4和BS 5400的取值接近,小于GB 50936、CECS 159、GJ/B 4142、DBJ/T 13-51以及AISC 360的限值,更明显小于AIJ和DB/T 29-57的限值。
钢管混凝土组合结构可以充分发挥混凝土和钢材两种材料的优势,在商业和公共建筑中应用非常广泛。近年来,随着装配式建筑的推广,矩形钢管混凝土柱由于其抗弯性能优良、节点形式多样等优点,在民用建筑中受到越来越多的关注。相比商业和公共建筑,住宅钢结构对建筑室内空间的有效利用(避免“凸梁凸柱”)和经济性(减小用钢量)具有更高的要求,为了满足这些要求,住宅钢结构中的矩形钢管混凝土柱的截面普遍具有较大的高宽比,且板件的宽厚比尽可能大。目前,在住宅钢结构中的矩形钢管混凝土柱的截面高宽比已达3.3左右,远超一般规范的适用范围(不大于2.0)。对于钢管混凝土柱而言,外钢管的局部失稳是其重要的破坏模式之一。当发生局部失稳时,钢管混凝土柱的承载能力将大幅下降,从而对构件的后期剩余承载力产生重要影响。我国规范通过限制钢管壁板件的宽厚比来防止管壁过早发生局部屈曲,但是经过研究发现,我国规范的宽厚比限值与国外部分规范存在差异,同时现有规范的宽厚比限值主要依据对截面高宽比不大于2.0构件的研究,对于住宅钢结构中应用广泛的高宽比大于2.0的宽钢管混凝土柱的适用性需要进一步研究。
通过对矩形钢管混凝土柱轴压性能的有限元分析,对宽钢管混凝土柱的板件宽厚比进行了研究。在用于模拟矩形钢管混凝土构件的约束混凝土本构模型和混凝土塑性损伤模型基础上,引入考虑截面高宽比对约束作用影响的截面高宽比系数,建立了可分析截面高宽比较大情况的矩形钢管混凝土柱有限元模型,并通过与试验结果对比验证了有限元模型的准确性。通过参数分析,考虑截面高宽比、宽厚比、钢材强度和混凝土强度等对矩形钢管混凝土柱极限承载力的影响,分析了宽矩形柱截面宽厚比限值。将分析结果与国内外相关规范关于矩形钢管混凝土柱截面宽厚比限值进行对比。定义归一化的极限承载力系数,并将极限承载能力系数曲线的转折点作为钢管宽厚比限值的确定依据。研究发现:钢材强度和混凝土强度分别与试件极限承载力呈负相关和正相关关系,但截面宽厚比对试件的极限承载力影响更为关键;矩形钢管混凝土板件的宽厚比限值可取50√235/fy, 这一数值与规范EC 4和BS 5400的取值接近,小于GB 50936、CECS 159、GJ/B 4142、DBJ/T 13-51以及AISC 360的限值,更明显小于AIJ和DB/T 29-57的限值。
2024, 39(7): 19-28.
doi: 10.13206/j.gjgS23112901
摘要:
空心钢管混凝土是一种具有优良性能的组合构件,广泛应用于建筑、桥梁、隧道等工程结构中,矩形钢管混凝土柱与圆形相比,有施工方便、节点构造简单等优点,但研究表明相比于圆形空心钢管混凝土,矩形构件的组合强度较低,延性较差;配筋、加劲等措施,能够有效提升组合柱的强度与延性。PHC管桩是采用先张预应力离心成型工艺,经过蒸汽养护制成的一种空心圆形钢筋混凝土预制构件,内置纵筋能够提升管桩抗弯性能,螺旋箍筋能够改善结构的延性,其单桩承载力高,造价低,应用范围十分广泛。故提出将PHC管桩放入带肋钢管中,夹层混凝土后浇,制成一种新型组合构件——带肋配筋空心方钢管混凝土。已有研究表明,钢管壁厚及宽厚比对此类组合构件的轴压承载力影响最为显著。
为研究带肋配筋空心方钢管高强混凝土短柱的轴压性能,以加劲肋数量、钢管壁厚为变化参数对18个带肋配筋钢管混凝土构件进行了有限元模拟,与已有试验结果进行对比,荷载-位移曲线吻合良好。有限元分析结果表明,构件的受力过程可分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化阶段、下降阶段,加劲肋对构件轴压力学性能的影响在四个阶段均有所表现。加劲肋能够有效抑制钢管局部屈曲,使得钢管分担更多轴向荷载,充分发挥钢材的轴压性能。研究表明,相比于无肋构件,单肋构件的极限承载力有明显的提升,继续增加加劲肋数量,构件的极限承载力会继续提升,但提升幅度较小。无肋构件中的钢管分担内力会较早达到峰值,分担内力-位移曲线进入下降阶段,而带肋构件的钢管分担内力达到峰值较晚,分担内力-位移曲线无明显的下降段,表明带肋构件的钢管能够在加载后期承担更多的轴向荷载,从而提升构件的延性。相比于增大钢管壁厚,采用合理的加劲措施能够更有效地提升组合构件的承载力,且更加节约钢材。最后给出了带肋配筋空心方钢管混凝土短柱轴压承载力算式,计算结果误差均在5%以内且偏于保守。
空心钢管混凝土是一种具有优良性能的组合构件,广泛应用于建筑、桥梁、隧道等工程结构中,矩形钢管混凝土柱与圆形相比,有施工方便、节点构造简单等优点,但研究表明相比于圆形空心钢管混凝土,矩形构件的组合强度较低,延性较差;配筋、加劲等措施,能够有效提升组合柱的强度与延性。PHC管桩是采用先张预应力离心成型工艺,经过蒸汽养护制成的一种空心圆形钢筋混凝土预制构件,内置纵筋能够提升管桩抗弯性能,螺旋箍筋能够改善结构的延性,其单桩承载力高,造价低,应用范围十分广泛。故提出将PHC管桩放入带肋钢管中,夹层混凝土后浇,制成一种新型组合构件——带肋配筋空心方钢管混凝土。已有研究表明,钢管壁厚及宽厚比对此类组合构件的轴压承载力影响最为显著。
为研究带肋配筋空心方钢管高强混凝土短柱的轴压性能,以加劲肋数量、钢管壁厚为变化参数对18个带肋配筋钢管混凝土构件进行了有限元模拟,与已有试验结果进行对比,荷载-位移曲线吻合良好。有限元分析结果表明,构件的受力过程可分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化阶段、下降阶段,加劲肋对构件轴压力学性能的影响在四个阶段均有所表现。加劲肋能够有效抑制钢管局部屈曲,使得钢管分担更多轴向荷载,充分发挥钢材的轴压性能。研究表明,相比于无肋构件,单肋构件的极限承载力有明显的提升,继续增加加劲肋数量,构件的极限承载力会继续提升,但提升幅度较小。无肋构件中的钢管分担内力会较早达到峰值,分担内力-位移曲线进入下降阶段,而带肋构件的钢管分担内力达到峰值较晚,分担内力-位移曲线无明显的下降段,表明带肋构件的钢管能够在加载后期承担更多的轴向荷载,从而提升构件的延性。相比于增大钢管壁厚,采用合理的加劲措施能够更有效地提升组合构件的承载力,且更加节约钢材。最后给出了带肋配筋空心方钢管混凝土短柱轴压承载力算式,计算结果误差均在5%以内且偏于保守。
2024, 39(7): 29-37.
doi: 10.13206/j.gjgS23102102
摘要:
碳纤维增强复合材料(CFRP)具有强度高、耐腐蚀性好等特点,将工字形CFRP型材内置于钢管混凝土结构中形成新型组合构件,不仅可以提高构件的力学性能,还可以减少材料用量、降低结构自重、减小构件截面尺寸,更适用于超高层、大跨度、重载荷等建筑结构。钢管混凝土柱作为建筑结构中的主要抗侧力构件,在经受地震作用时往往决定着整体结构的抗震性能,直接关系到人们的生命及财产安全。目前国内外相关设计规范及标准均不适用于新型组合构件的抗震设计,因此,亟需对其抗震性能展开深入研究。
采用有限元分析软件ABAQUS对往复荷载作用下内置CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件进行滞回性能研究。首先,基于现有文献对建模过程进行验证,确认所建模型的准确性和适用性,进而建立大量精细化的内置工字形CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件的数值分析模型;然后在此基础上,以典型构件为例,进行受力全过程分析及各部件在特征点处的应力分析;最后,研究不同混凝土抗压强度、钢材屈服强度和含钢率等因素作用下,内置CFRP型材对方钢管混凝土纯弯构件的抗弯承载力和耗能能力的影响。
结果表明:内置CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件的荷载-位移骨架曲线可定义为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段。通过对典型构件进行受力全过程分析可知,构件处于弹性阶段与弹塑性阶段时,相比于核心混凝土和工字形CFRP型材,钢管主要承担荷载作用;在下降阶段时,CFRP型材承担荷载比例有所提高,说明内置CFRP型材可有效提高构件在加载后期的承载力及延性,故与普通钢管混凝土构件相比,CFRP型材较好的抗拉性能使得新型组合构件的抗弯性能得到明显的改善。基于大量参数分析结果可知:含钢率对内置CFRP型材方钢管混凝土柱的承载力及耗能能力均有显著影响,当钢管壁厚由4~7 mm每增加1 mm时,其抗弯承载力分别提高13.83%、8.99%、9.10%,由此可见,钢管壁厚为5 mm时最为经济,累积耗能平均提高约16.57%;钢管作为受力全过程中主要承担纯弯荷载的部件,其强度的改变对构件滞回性能的影响也较大,当钢材强度由Q235提高至Q420时,构件的抗弯承载力提高约30.13%、累积耗能提高约12.45%,并且抗弯承载力随强度的提高呈线性增长;核心混凝土的抗压强度对构件承载力及耗能能力影响均较小,随着混凝土强度的提高,其抗弯承载力提高的幅度逐渐减小,当由C30提高至C60时,其累积耗能仅提高约3.44%。因此,内置CFRP型材的方钢管混凝土构件相比于普通钢管混凝土构件具有更好的抗震性能,且建议通过改变钢材屈服强度和含钢率的方式来提高新型组合构件的承载能力,这是最为经济的。
碳纤维增强复合材料(CFRP)具有强度高、耐腐蚀性好等特点,将工字形CFRP型材内置于钢管混凝土结构中形成新型组合构件,不仅可以提高构件的力学性能,还可以减少材料用量、降低结构自重、减小构件截面尺寸,更适用于超高层、大跨度、重载荷等建筑结构。钢管混凝土柱作为建筑结构中的主要抗侧力构件,在经受地震作用时往往决定着整体结构的抗震性能,直接关系到人们的生命及财产安全。目前国内外相关设计规范及标准均不适用于新型组合构件的抗震设计,因此,亟需对其抗震性能展开深入研究。
采用有限元分析软件ABAQUS对往复荷载作用下内置CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件进行滞回性能研究。首先,基于现有文献对建模过程进行验证,确认所建模型的准确性和适用性,进而建立大量精细化的内置工字形CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件的数值分析模型;然后在此基础上,以典型构件为例,进行受力全过程分析及各部件在特征点处的应力分析;最后,研究不同混凝土抗压强度、钢材屈服强度和含钢率等因素作用下,内置CFRP型材对方钢管混凝土纯弯构件的抗弯承载力和耗能能力的影响。
结果表明:内置CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件的荷载-位移骨架曲线可定义为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段。通过对典型构件进行受力全过程分析可知,构件处于弹性阶段与弹塑性阶段时,相比于核心混凝土和工字形CFRP型材,钢管主要承担荷载作用;在下降阶段时,CFRP型材承担荷载比例有所提高,说明内置CFRP型材可有效提高构件在加载后期的承载力及延性,故与普通钢管混凝土构件相比,CFRP型材较好的抗拉性能使得新型组合构件的抗弯性能得到明显的改善。基于大量参数分析结果可知:含钢率对内置CFRP型材方钢管混凝土柱的承载力及耗能能力均有显著影响,当钢管壁厚由4~7 mm每增加1 mm时,其抗弯承载力分别提高13.83%、8.99%、9.10%,由此可见,钢管壁厚为5 mm时最为经济,累积耗能平均提高约16.57%;钢管作为受力全过程中主要承担纯弯荷载的部件,其强度的改变对构件滞回性能的影响也较大,当钢材强度由Q235提高至Q420时,构件的抗弯承载力提高约30.13%、累积耗能提高约12.45%,并且抗弯承载力随强度的提高呈线性增长;核心混凝土的抗压强度对构件承载力及耗能能力影响均较小,随着混凝土强度的提高,其抗弯承载力提高的幅度逐渐减小,当由C30提高至C60时,其累积耗能仅提高约3.44%。因此,内置CFRP型材的方钢管混凝土构件相比于普通钢管混凝土构件具有更好的抗震性能,且建议通过改变钢材屈服强度和含钢率的方式来提高新型组合构件的承载能力,这是最为经济的。
2024, 39(7): 38-46.
doi: 10.13206/j.gjgS23110202
摘要:
木材因承载力高、绿色可再生等优势被广泛应用于工程领域。为降低钢管混凝土构件混凝土用量、减轻结构自重,将木材内置于钢管混凝土中,组成钢管-木-混凝土构件。由于纯弯构件是压弯构件的基础,也是压弯构件的辅助,因此对纯弯构件力学性能的研究具有重要意义。选用合适的钢材、混凝土、木材本构模型,采用ABAQUS软件建立方钢管-木-混凝土纯弯构件精细化分析模型,分析了典型构件的应力及中性轴高度变化规律,揭示了方钢管-木-混凝土纯弯构件的工作机理。在此基础上,研究了不同钢材屈服强度、含钢率、混凝土抗压强度、木芯截面形式、木材配置率对构件抗弯性能的影响规律。
研究结果表明:与普通钢管混凝土构件相比,木材的加入可替代核心混凝土提高方钢管-木-混凝土构件抗弯承载力和延性,同时减轻结构16%的自重,其强重比显著增大,构件钢材屈服强度从235 MPa增至420 MPa,其抗弯承载力可提升35.4%~63.5%,延性系数增大5.5%~13%;含钢率从8.5%增至18.1%,其抗弯承载力可提升24.5%~71.4%,延性系数增大4.8%~16%;提高混凝土强度对构件抗弯性能无显著影响,但对构件延性有所降低;木材配置率从8.1%增至100%时,其抗弯承载力可提升1%~21%,延性系数可增大5.4%~18.8%;木材在配置率为8.1%~32.7%时更容易发挥作用。因此,木材配置率为8.1%~32.7%时,可通过增大钢材屈服强度和含钢率的方式提高组合构件的延性与抗弯承载力。
木材因承载力高、绿色可再生等优势被广泛应用于工程领域。为降低钢管混凝土构件混凝土用量、减轻结构自重,将木材内置于钢管混凝土中,组成钢管-木-混凝土构件。由于纯弯构件是压弯构件的基础,也是压弯构件的辅助,因此对纯弯构件力学性能的研究具有重要意义。选用合适的钢材、混凝土、木材本构模型,采用ABAQUS软件建立方钢管-木-混凝土纯弯构件精细化分析模型,分析了典型构件的应力及中性轴高度变化规律,揭示了方钢管-木-混凝土纯弯构件的工作机理。在此基础上,研究了不同钢材屈服强度、含钢率、混凝土抗压强度、木芯截面形式、木材配置率对构件抗弯性能的影响规律。
研究结果表明:与普通钢管混凝土构件相比,木材的加入可替代核心混凝土提高方钢管-木-混凝土构件抗弯承载力和延性,同时减轻结构16%的自重,其强重比显著增大,构件钢材屈服强度从235 MPa增至420 MPa,其抗弯承载力可提升35.4%~63.5%,延性系数增大5.5%~13%;含钢率从8.5%增至18.1%,其抗弯承载力可提升24.5%~71.4%,延性系数增大4.8%~16%;提高混凝土强度对构件抗弯性能无显著影响,但对构件延性有所降低;木材配置率从8.1%增至100%时,其抗弯承载力可提升1%~21%,延性系数可增大5.4%~18.8%;木材在配置率为8.1%~32.7%时更容易发挥作用。因此,木材配置率为8.1%~32.7%时,可通过增大钢材屈服强度和含钢率的方式提高组合构件的延性与抗弯承载力。
2024, 39(7): 47-54.
doi: 10.13206/j.gjgS23111502
摘要:
点蚀对钢管混凝土柱服役期间的结构安全有显著影响。首先针对点蚀钢管混凝土柱的轴压性能开展了有限元分析,根据已有的试验结果建立并验证了有限元模型,在此基础上考虑点蚀坑几何尺寸以及蚀坑分布位置的随机性建立了带有随机点蚀的钢管混凝土柱精细化有限元模型。然后开展了有限元参数分析,分析了点蚀深度概率分布、点蚀体积损失率、钢材强度、混凝土强度和构件长细比对构件荷载-挠度曲线的影响。根据体积损失率等效的原则,建立了等效局部均匀腐蚀钢管混凝土柱有限元模型,对比了随机点蚀和均匀局部腐蚀对钢管混凝土柱轴压性能的影响。最后按照体积损失率等效的原则,基于三部国内钢管混凝土计算规程中的计算方法,对点蚀钢管混凝土柱轴压承载力进行计算并与有限元结果进行对比。
结果表明:点蚀深度概率分布对构件轴压性能的影响可以忽略;相比于均匀腐蚀,点蚀对钢管混凝土承载力影响更大;使用GB 50936—2014《钢管混凝土结构设计规范》中的计算方法可较为准确且安全地预测点蚀钢管混凝土的轴压承载力,相比之下,GB 50936—2014中的方法可以在保证准确度的基础上有一定的安全性。
点蚀对钢管混凝土柱服役期间的结构安全有显著影响。首先针对点蚀钢管混凝土柱的轴压性能开展了有限元分析,根据已有的试验结果建立并验证了有限元模型,在此基础上考虑点蚀坑几何尺寸以及蚀坑分布位置的随机性建立了带有随机点蚀的钢管混凝土柱精细化有限元模型。然后开展了有限元参数分析,分析了点蚀深度概率分布、点蚀体积损失率、钢材强度、混凝土强度和构件长细比对构件荷载-挠度曲线的影响。根据体积损失率等效的原则,建立了等效局部均匀腐蚀钢管混凝土柱有限元模型,对比了随机点蚀和均匀局部腐蚀对钢管混凝土柱轴压性能的影响。最后按照体积损失率等效的原则,基于三部国内钢管混凝土计算规程中的计算方法,对点蚀钢管混凝土柱轴压承载力进行计算并与有限元结果进行对比。
结果表明:点蚀深度概率分布对构件轴压性能的影响可以忽略;相比于均匀腐蚀,点蚀对钢管混凝土承载力影响更大;使用GB 50936—2014《钢管混凝土结构设计规范》中的计算方法可较为准确且安全地预测点蚀钢管混凝土的轴压承载力,相比之下,GB 50936—2014中的方法可以在保证准确度的基础上有一定的安全性。
2024, 39(7): 55-57.
doi: 10.13206/j.gjgS24031922
摘要:
利用JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》条文说明中给出的钢梁塑性铰位置反推框架柱表面的抗弯强度要求,即该抗弯强度应不小于连接系数倍的钢梁塑性弯矩标准值,以此来计算盖板面积,确定盖板长度的上限值。算例表明:在框架柱是矩形钢管的情况下,盖板面积约为翼缘面积的25%~30%;对短梁,JGJ 99—2015规定的连接系数偏小,为此给出了高于JGJ 99—2015要求的连接系数计算公式。
