L形钢管混凝土柱轴压工作机理的研究

钢管混凝土短柱轴心受压承载力与钢管作用研究钢管混凝土短柱是在钢管外加固混凝土的基础上，通过受压作用来承担荷载的一种结构形式。

由于钢管的加固作用，钢管混凝土短柱在抗压性能方面具有很大的优势。

本文将对钢管混凝土短柱轴心受压承载力与钢管作用进行研究，探讨其受力机理及相关影响因素。

1.钢管混凝土短柱的受力机理钢管混凝土短柱主要通过钢管受压作用来承担荷载。

钢管的加固作用可以有效提高短柱的抗压性能，避免混凝土的破坏。

在轴向受压荷载作用下，钢管与混凝土发生黏结，并通过黏结面之间的摩擦力来承担荷载。

钢管的强度和刚度决定了短柱的受力性能，而混凝土的主要作用是保护钢管免受腐蚀和提高受力传递的效果。

2.影响钢管混凝土短柱承载力的因素（1）钢管参数：钢管的强度和刚度是影响短柱承载力的重要因素。

强度包括钢管本身的抗压强度以及钢管与混凝土之间的黏结强度。

刚度决定了短柱的整体变形能力和稳定性。

（2）混凝土参数：混凝土的强度、抗裂性能和粘结性能对短柱的承载力具有重要影响。

强度决定了混凝土抵抗荷载的能力，抗裂性能主要影响了混凝土的开裂破坏。

粘结性能决定了钢管与混凝土之间的受力传递效果。

（3）几何参数：短柱的截面形状和尺寸对其受力性能有很大影响。

通常情况下，较大的截面和较小的高度能够提高短柱的承载力。

（4）加载方式：不同的加载方式（如静载、动载等）对短柱的承载力有明显影响。

在实际工程中，通常考虑不同加载方式下短柱的安全系数。

3.钢管作用对钢管混凝土短柱承载力的影响钢管的加固作用对短柱的承载力具有重要影响。

钢管可以提供较高的强度和刚度，有效增强短柱的抗压性能。

此外，钢管还能提高短柱的稳定性和极限承载力。

然而，钢管也会增加柱子的自重，对承载力产生一定的负面影响。

因此，需要综合考虑钢管参数以及其他影响因素来确定最优的钢管尺寸和布置方式，以提高短柱的承载力。

总之，钢管混凝土短柱轴心受压承载力与钢管的作用密切相关。

钢管的加固作用可以有效提高短柱的抗压性能，但也会增加柱子的自重。

钢管混凝土中长柱轴压力学性能试验研究发布时间：2022-07-14T07:19:30.747Z 来源：《城镇建设》2022年5卷第3月第5期作者：纪建军[导读] 本文对一组钢管混凝土(CFST)中长柱的轴压力学性能开展试验研究，得到试件的加载过程、破坏形态纪建军广州大学土木工程学院，广东省广州市 510006摘要：本文对一组钢管混凝土(CFST)中长柱的轴压力学性能开展试验研究，得到试件的加载过程、破坏形态、应变发展过程和轴力-柱中纵向应变曲线。

研究结果表明：钢管混凝土中长柱在轴压荷载作用下发生整体弯曲破坏，试件中部出现明显的受压区和受拉区，且由于钢材和核心混凝土的相互作用，钢材和混凝土的力学性能得到充分发挥。

关键词：钢管混凝土；中长柱；轴压性能；试验研究 Abstract: This paper presented an experimental study of medium-long concrete-filled steel tube (CFST) columns under axial compressive loading. The loading process, failure mode, strain development process and axial force-longitudinal strain curve in the middle height of column were obtained and analyzed. The results show that the CFST column presents global bending failure. A compression zone and a tension zone are observed at the middle of the specimen. Due to the interaction between steel and core concrete, the mechanical properties of steel and concrete are fully utilized. Key words: Concrete-filled steel tube; Medium long column; Axial compressive performance; Experimental study 钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tubular CFST)柱因具有良好的抗震性能、抗火性能和方便施工等特点，已被广泛应用于高层建筑和大跨桥梁结构中。

带约束拉杆L形方钢管混凝土组合柱轴压性能杨秀荣;姜谙男【摘要】为了研究带约束拉杆L形方钢管混凝土组合长柱的轴压性能,采用有限元软件ANSYS数值模拟和试验对比方法分析了带约束拉杆L形组合长柱的轴压性能,通过分析带约束拉杆L形组合长柱整体构件的屈曲模态、变形图以及各个部件的应力云图,验证了构件具有较高的受压承载力.结果表明,在钢管内部添加约束拉杆增强了钢管对混凝土的约束效应,提高了混凝土的轴心抗压强度与构件的整体承载力,为构件的工程应用提供了依据.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2019(041)005【总页数】7页(P594-600)【关键词】约束拉杆;组合柱;轴压性能;屈曲模态;有限元;非线性分析;约束效应;承载力【作者】杨秀荣;姜谙男【作者单位】大连海事大学道路与桥梁工程研究所,辽宁大连116026;大连海事大学道路与桥梁工程研究所,辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】TU398.9钢管混凝土结构[1]在实际工程中使用广泛，方形钢管混凝土结构具有制作、施工方便，节点型式灵活，易满足建筑要求，截面相对展开，惯性矩大，稳定性好，适合做压弯构件等优势[2]，但由于建筑专业需求，具有灵活截面形式的异形柱[3-4]越来越引起工程技术界的重视.由于在初期设计中方形或矩形柱本身凸出墙面，必定占用建筑的使用空间，而通过采用异形柱(如角柱采用L形截面，边柱采用T形截面，中柱采用十字形截面)可以解决以上问题，从而增加了建筑空间[5-6].以L形、T形和十字形截面为代表的组合柱具有灵活的截面形式，可避免室内柱楞外露，便于家具摆放，并有利于提高建筑空间的利用率，但在单肢柱中钢管对核心混凝土的约束作用主要集中在角部，周边约束比较弱，承载能力相对较低，导致钢管与混凝土的协同作用较差[7-8].为了增强钢管对核心混凝土的约束作用，延缓或防止钢管的局部屈曲，提出了设置钢筋(钢板条)加劲肋的构造措施[9]，即在每个单肢柱中沿纵向每隔一定间距在横截面上设置单个或多个水平约束拉杆，以提高钢管侧边中部对核心混凝土的约束作用，从而避免或延缓了钢管在达到屈服强度前的局部屈曲，使得钢材和混凝土两种材料的性能得到进一步发挥，进而提高了钢管混凝土柱的承载力和延性，同时增强了L 形方钢管混凝土组合异形长柱的力学性能.带约束拉杆L形组合长柱的截面图和构造图如图1所示.图1 带约束拉杆L形组合长柱Fig.1 L-shaped long composite column with restraint bars1 本构模型1.1 混凝土本构关系模型混凝土的本构关系[10]可以分为线弹性、非线性弹性、弹塑性和其他力学理论四类.本文所采用的混凝土本构关系上升段采用GB50010-2010《混凝土结构设计规范》，下降段则采用Hongnestad处理方法，相关表达式为式中：σc为极限抗压强度；εcu为极限压应变，理论分析时εcu=0.003 8，进行构件设计时εcu=0.003；ε0为峰值压应变；σ0=0.85fc，fc为混凝土抗压强度. 在有限元软件ANSYS中，上述混凝土的本构曲线可以用一系列数据点进行拟合输入.本文采用应用较广的多线性随动强化模型MKIN来模拟混凝土，混凝土的单轴应力应变关系曲线如图2所示.图2 混凝土的应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of concrete1.2 钢管本构关系模型当钢材达到强化阶段时，其变形很大，然而这种情况在实际工程中是不允许的.因此，钢材的本构关系常被简化为理想的弹塑性模型(见图3).对于理想弹塑性模型而言，当应力达到或超过屈服应力后，不需施加任何荷载，变形仍能自由增加.图3 理想弹塑性模型Fig.3 Ideal elastic-plastic model2 试验概况以未带约束拉杆构件试验为参考[11]，在异形长柱轴压性能研究中采用Q235B钢板，钢管内填充的混凝土等级为C40，缀条采用Q235B钢板，方钢管内的约束拉杆采用HRB335钢筋.缀条、方钢管、混凝土和约束拉杆的力学性能指标分别如表1～3所示.长柱试件柱高为2 000 mm，单肢截面宽为100 mm，因而长柱单肢高宽比L/D=20，钢管截面尺寸为100 mm×100 mm×5.75 mm，缀条尺寸为100 mm×40 mm×10 mm.长柱试件尺寸如图4所示(单位：mm).表1 钢材的材料特性Tab.1 Material properties of steel材料屈服应力MPa极限应力MPa弹性模量1011Pa钢板(缀条)2294291.89方钢管2744154.11表2 混凝土的材料特性Tab.2 Material properties of concrete材料配合比(/kg·m-3)水泥砂子石子水轴心抗压强度MPa立方体抗压强度MPa弹性模量1010Pa砼353696108817539.649.74.33表3 约束拉杆的材料特性Tab.3 Material properties of restraint bars材料屈服强度/MPa极限强度/MPa直径/mm水平间距/mm竖向间距/mm约束拉杆33551010502003 有限元分析3.1 力学假定与有限元模型在带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱的轴压性能分析中，需要进行如下假定[12]：带约束拉杆L形方钢管混凝土组合柱从开始受力直至破坏，顶端受压截面始终保持为平截面；钢管和混凝土之间的接触为充分粘结，且二者变形协调；约束拉杆和混凝土之间充分粘结，且二者变形协调；缀条与钢管之间充分粘结，且二者变形协调；剪切变形的影响忽略不计；忽略混凝土徐变和收缩的影响；不考虑钢管局部焊接残余应力与受拉区核心混凝土抗拉强度的影响.带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱的有限元模型如图5所示.3.2 单元选取与网格划分采用SOLID186单元模拟混凝土.SOLID186单元为高阶三维20节点实体单元，该单元中的每个节点都有三个自由度，即沿节点坐标系x、y、z方向的三个平动自由度.SOLID186单元具有应力强化、大变形等特性，此外，还具有超弹、黏弹和单元技术自动选择等特性.SOLID186具有结构实体和分层实体两种形式，可以通过KEYOPT(3)进行设置，本文采用SOLID186结构实体.采用SHELL281单元进行钢材模拟.SHELL281单元为8节点有限应变壳单元，被广泛应用于模拟薄壳至中等厚度的壳结构.SHELL281单元的每个节点都有6个自由度，除具有沿节点坐标系x、y、z三个方向的三个平动自由度外，还具有绕各轴的转动自由度.采用接触单元模拟钢管与混凝土之间的接触.其中，目标单元采用TARGE170单元，接触单元采用CONTA174单元，且二者都属于3D 8节点单元.采用LINK8单元模拟约束拉杆.LINK8单元是一种被广泛应用于多种工程实际的杆单元，可以用来模拟桁架、垂缆、杆件、弹簧等.LINK8杆单元只能承受单轴方向上的拉压，该单元的每个节点上都有三个自由度，即节点坐标系x、y、z方向的三个平动自由度.在有限元模拟中，假设LINK8单元为直杆，在端部施加的荷载为轴向荷载，材料特性沿全长均质，且单元长度和横截面不能为零.由于带约束拉杆L形组合柱的有限元模型形状比较规则，因而本文采用映射网格进行划分.在对钢管和缀条设置映射网格划分单元数目时，需要确保钢管与缀条接触面处的节点重合，然后再将这些重合节点合并，从而可以保证钢管和缀条在这些节点处(即焊接处)变形协调.采用六面体单元SOLID186对混凝土进行映射网格划分.完成有限单元划分后，需要将钢管与缀条重合的节点进行耦合，并将钢管与约束拉杆、混凝土重合的节点分别进行约束.图4 长柱试件尺寸Fig.4 Size of long column specimen图5 L形组合长柱的有限元模型Fig.5 Finite element model for L-shaped long composite column3.3 接触单元设置与加载有限元软件ANSYS中连接不同类型单元的接触算法有多种，本文采用的是多点约束(MPC)算法.MPC算法是由ANSYS内部根据接触运动自动建立多点约束方程.采用MPC算法并将其与绑定或不分离等选项结合，可定义各种装配接触和运动约束，这种功能非常适合CONTA171～177单元.采用MPC算法可以实现不连续且自由度不协调的网格单元之间的连接、不同单元类型之间的连接，以及施加荷载或约束条件等功能.在有限元建模过程中，需要对接触单元的接触方向进行定义.接触面与目标的外法线方向必须互指，同时接触单元与目标单元的单元法向也必须互指(见图6)，否则在开始有限元计算前，程序可能认为二者之间存在过度侵入并难以找到初始解，此时程序会立刻停止运行.图6 外法线方向Fig.6 Direction of outside normal可用命令PSYMB显示单元坐标系进行法线方向检查，如果单元法向不指向对应面，选择该单元并采用命令ESURF反转表面法线的方向，或采用命令ENORM重新定义单元方向，结果如图7所示.图7 接触单元法向图Fig.7 Normal direction of contact element带约束拉杆L形组合柱有限元模型建成以后，对其施加边界条件，即将柱底端所有节点进行约束，并对柱顶端所有节点的水平自由度进行约束，竖向自由度进行耦合.保证在加载过程中柱顶端保持水平截面.边界条件施加完成后，对顶端施加竖向位移荷载.3.4 长柱轴压分析当对长柱进行轴压模拟时，需要对其进行屈曲分析.屈曲分析[13]是一种用于确定结构从开始变得不稳定时的临界荷载并确定结构发生屈曲响应时有哪些屈曲模态形状的分析方法.在有限元软件ANSYS中用来分析结构屈曲荷载和屈曲模态的方法包括特征值(线性)屈曲分析和非线性屈曲分析.特征值屈曲分析即为线性分析，通过该分析可以对结构临界失稳力进行预测.长柱的屈曲分析步骤为：首先进行静力分析，在柱顶面施加单位压力并激活预应力选项，再对其进行特征值屈曲分析，并将特征屈曲分析得到的一阶特征值屈曲模态进行扩展.在ANSYS中的特征值屈曲分析中，通过分析可以得到结构的屈曲荷载系数和相应的屈曲模态，将屈曲系数与外加的单位荷载相乘即可得到屈曲荷载.通过特征屈曲分析得到的长柱五阶屈曲模态如图8所示.由于特征值屈曲分析是非线性屈曲分析的初步评估，因此，在非线性屈曲分析之前，读取千分之一的一阶特征值屈曲变形，将其作为初始缺陷施加到长柱有限元模型中.当对长柱进行非线性屈曲分析时，需要打开自动时间步和大变形效益开关，并在长柱顶端施加由一阶特征值屈曲模态中得到的屈曲荷载系数所确定的临界荷载，之后进行迭代求解直到计算发散为止.图8 长柱屈曲模态Fig.8 Buckling modes of long column完成长柱的屈曲分析后，进行ANSYS时程后处理，得到长柱试件的荷载位移曲线，结果如图9所示.由图9可知，带约束拉杆L形组合长柱的轴压极限承载力为4 136 kN，此时长柱顶端(加载端)的竖向位移为3.12 mm.与L形方钢管混凝土组合异形长柱[12]相比，在相同的竖向位移下带约束拉杆L形组合长柱所对应的极限承载力较高.通过ANSYS时程后处理，可以得到带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱顶端竖向位移的位移时间曲线，结果如图10所示.由图10可知，在位移加载前期带约束拉杆L形方钢管混凝土组合长柱的位移呈线性增长，当竖向位移约达到3mm后，位移突增，并呈现出一定的失稳特点.3.5 长柱破坏形式与应力云图带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱试件变形图如图11所示.由图11可见，长柱整体和单肢柱在长柱中间部位都发生了较大的弯曲变形，而单肢柱的变形更为明显.图9 长柱试件的荷载位移曲线Fig.9 Load-displacement curves of long column specimen通过ANSYS通用后处理，可以得到长柱试件破坏时的等效应力云图，结果如图12所示.由图12a、b可知，当带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱试件破坏时，钢管和混凝土都达到了极限应力.由图12c、d可知，作用于缀条和约束拉杆上的应力较小，且受压侧应力大于受拉侧应力，但两侧均未破坏.图10 长柱试件的位移时间曲线Fig.10 Displacement-time curve of long column specimen图11 长柱试件的变形图Fig.11 Deformation diagram of long column specimen4 结论采用有限元软件ANSYS对带约束拉杆L形方钢管混凝土组合长柱进行有限元分析和试验对比，可以得出以下结论：1) 通过设置钢筋(钢板条)加劲肋的构造措施，提高了钢管在侧边中部对核心混凝土的约束作用，延缓了钢管在达到屈服强度前的局部屈曲，从而提高了钢管混凝土柱的承载力和延性，增强了L形方钢管混凝土组合异形长柱的力学性能；2) 在位移加载前期带约束拉杆L形方钢管混凝土组合长柱的位移呈线性增长，但随着时间的增长，位移突增，此时组合长柱变现出一定的失稳特点；图12 长柱试件破坏时的等效应力云图Fig.12 Equivalent stress nephograms of long column specimen after failure3) 在轴压变形过程中，整体和单肢柱在长柱中间部位都发生了较大的弯曲变形，而单肢柱的变形更为明显；4) 通过与未带约束拉杆的L形方钢管混凝土组合长柱的轴压性能进行对比可知，带约束拉杆组合长柱的承载力和延性都得到了提高，可用于实际工程结构中.【相关文献】[1]田存.方钢管混凝土组合异形柱住宅体系工程应用研究 [D].邯郸：河北工程大学，2017.(TIAN Cun.The application of residential building system for using 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钢管混凝土局部受压时的工作机理研究共3篇钢管混凝土局部受压时的工作机理研究1钢管混凝土（Steel Tube Concrete, STC）是一种由钢管充填混凝土构成的复合材料，具有强度高、刚度大、耐久性好等优点。

STC梁、柱等构件在受力时，不仅要考虑到整体的受力分布，还要注意分析局部钢管受压的工作机理。

在局部钢管受压的情况下，通常有以下几种工作机理：本构特性、局部稳定以及变形能耗。

首先，本构特性是指混凝土和钢管在受力下的反应特性。

STC构件的结构特性主要依赖于钢管和混凝土的耦合效应。

当局部受压时，钢管和混凝土同时承受载荷。

钢管在其短轴方向上的屈服特性是决定其受力性能的重要因素之一。

另外，混凝土在长期荷载下会发生硬化，其力学性质会发生变化，所以应当结合实际情况考虑其本构特性。

其次，局部稳定是指在受力时，构件的稳定性受到钢管局部内力的制约。

在受压局部的钢管中，材料的强度和稳定性因素成为了限制构件性能的关键因素。

钢管受压时一般表现为整体屈曲或局部翻转。

所以，要保证钢管的局部稳定性，需要控制构件的几何尺寸，提高钢管的厚度或强度，并采取适当的加筋措施等。

最后，变形能耗是指在复杂的受力过程中，部分钢管局部受力会产生较大的位移，这些位移可通过剪切变形等形式转化为能量消耗，实现能量的平衡。

当构件发生局部钢管受压时，钢管和混凝土之间出现的摩擦和微小间隙等效应会增加钢管的变形能耗，从而提高了整个构件的变形强度。

因此，在STC构件的设计中，应适当控制钢管与混凝土之间的配合，并使用合理的受力模型，以实现能量消耗的平衡。

综上所述，STC局部受压时的工作机理包括本构特性、局部稳定以及变形能耗等多个方面。

在工程实践中，应结合构件受力特点和实际情况，采用合理的设计方案和施工技术，实现STC构件的优化设计和可靠性保证。

钢管混凝土局部受压时的工作机理研究2钢管混凝土是一种结合了钢管和混凝土两种材料的构造形式，广泛应用于桥梁、高层建筑、电力管道等领域。

《钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理研究》篇一一、引言随着现代建筑技术的不断发展，钢管混凝土构件因其良好的力学性能和经济性，在大型建筑、桥梁和高层建筑中得到广泛应用。

其结构在复杂受力状态下，工作机理涉及多方面的物理过程和相互作用。

本文旨在探讨钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理，以期为相关设计和施工提供理论依据。

二、钢管混凝土构件的基本特性钢管混凝土构件由钢管和内部填充的混凝土组成，通过两者的相互作用形成一种复合结构。

钢管提供了构件的骨架，而混凝土则增加了整体结构的承载能力和刚度。

这种结构具有较好的抗弯、抗剪和抗压性能，同时还有较好的延性和抗震性能。

三、复杂受力状态下的工作机理1. 受力分析：在复杂受力状态下，钢管混凝土构件受到多种力的共同作用，包括轴向力、弯矩、剪力和局部压力等。

这些力的作用使得构件产生复杂的应力分布。

2. 应力传递：在受到外力作用时，钢管和混凝土之间的相互作用力通过界面传递。

钢管通过其自身的弹塑性变形来承受外力，同时将力传递给内部的混凝土。

混凝土则通过其抗压性能来分担部分荷载。

3. 协同工作：钢管和混凝土在受力过程中协同工作，共同抵抗外力。

这种协同作用使得钢管混凝土构件具有较好的整体性能和承载能力。

4. 塑性铰区域的形成与发展：在复杂受力状态下，构件的某些区域可能进入塑性阶段，形成塑性铰。

这些区域对结构的承载能力和变形性能具有重要影响。

四、影响因素分析1. 材料性能：钢管和混凝土的力学性能对构件的承载能力和工作机理具有重要影响。

2. 几何尺寸：构件的几何尺寸，如截面形状、尺寸和壁厚等，也会影响其工作机理。

3. 连接方式：构件的连接方式对其在复杂受力状态下的工作机理也有重要影响。

合理的连接方式能够保证构件在受力过程中保持协同工作。

4. 环境因素：如温度、湿度等环境因素也可能对构件的工作机理产生影响。

五、研究方法与实验验证1. 研究方法：通过理论分析、数值模拟和实验研究等方法，对钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理进行研究。

钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱力学性能试验研究与分
析的开题报告
一、选题背景及意义
随着建筑结构工程的发展，钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱的应用越来越广泛。

由于这种短柱在工程中重要性不断提升，需要对其机械性能进行深入研究，以确保其
质量和安全性。

本研究将针对钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱力学性能进行试验研究和分析，以期为该种结构的应用提供理论依据和技术支持。

二、研究目标和内容
（一）研究目标
1. 研究钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱的力学性能；
2. 研究钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱在不同水平载荷下的破坏形态；
3. 探讨钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱强度和刚度之间的关系。

（二）研究内容
1. 对不同参数的钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱进行试验；
2. 观测和记录钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱的力学性能和破坏形态；
3. 分析试验结果，得出结论。

三、研究方法和步骤
（一）研究方法
1. 采用数值计算方法进行理论分析；
2. 通过现场试验研究钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱的力学性能和破坏形态。

（二）研究步骤
1. 针对该结构进行理论分析，明确试验参数；
2. 进行试验，记录试验过程及结果；
3. 分析试验结果，得出结论。

四、研究预期成果
本研究将得出钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱力学性能的试验数据，并从中探讨和分析该结构的特点及优势。

最终得出结论，为该种结构的推广和应用提供理论依据和技术支持。