留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

往复荷载作用下内置CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件的有限元分析

邱增美 叶紫璇 李帼昌 刘润泽

邱增美, 叶紫璇, 李帼昌, 刘润泽. 往复荷载作用下内置CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件的有限元分析[J]. 钢结构(中英文), 2024, 39(7): 29-37. doi: 10.13206/j.gjgS23102102
引用本文: 邱增美, 叶紫璇, 李帼昌, 刘润泽. 往复荷载作用下内置CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件的有限元分析[J]. 钢结构(中英文), 2024, 39(7): 29-37. doi: 10.13206/j.gjgS23102102
Zengmei Qiu Zixuan Ye Guochang Li Runze Liu, . Finite Element Analysis on the Concrete-Filled Square Steel Tubular Pure Bending Members Encased with CFRP Profile Under Cyclic Loading[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2024, 39(7): 29-37. doi: 10.13206/j.gjgS23102102
Citation: Zengmei Qiu Zixuan Ye Guochang Li Runze Liu, . Finite Element Analysis on the Concrete-Filled Square Steel Tubular Pure Bending Members Encased with CFRP Profile Under Cyclic Loading[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2024, 39(7): 29-37. doi: 10.13206/j.gjgS23102102

往复荷载作用下内置CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件的有限元分析

doi: 10.13206/j.gjgS23102102
基金项目: 

辽宁省博士科研启动基金计划项目(2021-BS-167)。

辽宁省教育厅基本科研项目(LJKZ0566)

国家自然科学基金项目(52108160,51938009)

详细信息
    作者简介:

    邱增美,博士,副教授,主要从事钢-混凝土组合结构的研究。

    通讯作者:

    李帼昌,博士,教授,博士生导师,主要从事钢-混凝土组合结构等的研究,liguochang0604@sina.com

Finite Element Analysis on the Concrete-Filled Square Steel Tubular Pure Bending Members Encased with CFRP Profile Under Cyclic Loading

  • 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。
  • [1] 韩林海.钢管混凝土结构:理论与实践[M]. 3版.北京:科学出版社,2016.
    [2] 丁发兴,许云龙,王莉萍,等.钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展[J].钢结构(中英文),2023,38(12):1-26.
    [3] 钟善桐,张文福,屠永清,等.钢管混凝土结构抗震性能的研究[J].建筑钢结构进展,2002(2):3-15.
    [4] Yang S L, Zhang L, Zhang J W, et al. Seismic behavior of concrete-filled wide rectangular steel tubular (CFWRST) stub columns[J/OL]. Journal of Constructional Steel Research, 2022, 196[2022-07-07]. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2022.107402.
    [5] 金浏,梁健,李冬,等.结构尺寸对方钢管混凝土短柱抗震性能影响的试验研究[J].工程力学, 2023, 40(4):35-45.
    [6] 徐超,李家富,丁发兴,等.增强约束钢管混凝土框架-核心筒结构抗震性能[J].钢结构(中英文),2023,38(12):39-47.
    [7] Han L H, Huang H, Tao Z, et al. Concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) beam-columns subjected to cyclic bending[J]. Engineering Structures, 2006, 28(12):1698-1714.
    [8] Huang H, Han L H, Tao Z, et al. Analytical behaviour of concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) stub columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2010, 66(4):542-555.
    [9] 黄宏,朱琪,陈梦成,等.方中空夹层钢管混凝土压弯扭构件试验研究[J].土木工程学报. 2016, 49(3):91-97.
    [10] 史艳莉,纪孙航,王文达,等.大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能研究[J].土木工程学报, 2022, 55(1):75-88.
    [11] 朱美春,刘建新,王清湘.钢骨-方钢管高强混凝土柱抗震性能试验研究[J].土木工程学报, 2011, 44(7):55-63.
    [12] 李云云,闻洋,杨德山.钢骨-钢管混凝土柱抗震性能的影响因素[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2016, 32(4):628-634.
    [13] 杨德山.钢骨-钢管混凝土柱抗震性能试验研究[J].钢结构, 2015, 30(11):10-13.
    [14] Zeng J J, Liang S D, Yan Z G, et al. Seismic behavior of FRPconcrete-steel double skin tubular columns with a rib-stiffened Q690 steel tube and high-strength concrete[J/OL]. Thin-Walled Structures. 2022, 175[2023-03-26]. https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109127.
    [15] 刘明学,钱稼茹. FRP-混凝土-钢双壁空心管柱抗震性能试验[J].土木工程学报, 2008, 41(3):29-36.
    [16] Xiao Y, He W H, Choi K. Confined concrete-filled tubular columns[J]. Journal of Structural Engineering, 2005, 131(3):488-497.
    [17] Wang Q L, Yu L F, Peng K, et al. Hysteretic behavior of specimens of circular concrete-filled CFRP-steel tubular beam-column[J]. Advances in Civil Engineering,2021, 2021:1-19.
    [18] 王志滨,谢恩普,陈靖. CFRP-方钢管混凝土压弯构件的滞回性能[J].长安大学学报(自然科学版), 2014, 34(6):91-99.
    [19] 李帼昌,朱振华,孙行,等.内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土轴压长柱受力性能研究[J].建筑结构学报,2017,38(增刊1):226-232.
    [20] 冯兴,李帼昌,杨志坚,等.内置工字形CFRP型材的方钢管混凝土中长柱双向偏压性能研究[J].建筑钢结构进展,2021, 23(8):32-42.
    [21] 刘典奇.内置工字形CFRP型材方钢管混凝土纯弯构件力学性能研究[D].沈阳:沈阳建筑大学, 2019.
    [22] 李威.圆钢管混凝土柱-钢梁外环板式框架节点抗震性能研究[D].北京:清华大学, 2011.
    [23] 刘威.钢管混凝土局部受压时的工作机理研究[D].福州:福州大学, 2005.
    [24] Tsai S W, Wu E M. A general theory of strength for anisotropic materials[J]. Journal of Composite Materials, 1971, 5(1):58-80.
    [25] Li G C, Qiu Z M, Yang Z J, et al. Seismic performance of high strength concrete filled high strength square steel tubes under cyclic pure bending[J]. Advanced Steel Construction, 2020, 16(2):112-123.
    [26] Du G F, Zhang J, Li Y, et al. Experimental study on hysteretic model for L-shaped concrete-filled steel tubular column subjected to cyclic loading[J/OL]. Thin-Walled Structures, 2019, 144[2019-07-08]. https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.106278.
    [27] Yan L S, Wei X, Wen D W, et al. Mechanical behaviour of circular steel-reinforced concrete-filled steel tubular members under pure bending loads[J]. Structures, 2020, 25:670-682.
    [28] 袁辉辉,吴庆雄,陈宝春,等.平缀管式等截面钢管混凝土格构柱抗震性能试验与有限元分析[J].工程力学, 2016, 33(10):226-235.
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  34
  • HTML全文浏览量:  6
  • PDF下载量:  5
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-21
  • 网络出版日期:  2024-08-16

目录

    /

    返回文章
    返回