单板焊接空心球节点受拉承载性能研究

单板焊接空心球节点常用做弦支穹顶上部结构连接拉杆或拉索的节点,单板主要承受拉力并传递至焊接空心球,为了满足工程设计的要求,需对其受拉承载性能进行研究.通过试验,研究了不同参数的单板焊接空心球节点轴拉状态下的受力性能和破坏机理,建立有限元模型并进行验证,该模型能较好地反映单板焊接空心球节点轴拉性能,通过有限元模型参数化分析揭示了节点尺寸、加劲肋、单板尺寸等参数对其力学性能的影响规律,并提出单板焊接空心球轴拉承载力计算公式.研究结果表明:单板焊接空心球在轴拉作用下为应力集中导致的剪切强度破坏,破坏发生在单板端部与空心球连接处,表现为焊接空心球被撕裂;有限元应力云图得出破坏时沿着单板平面内拉力方向的剪应力起主要作用;单板焊接空心球节点的受拉承载力随单板宽度及空心球壁厚的增大而明显增大,空心球直径的增大会使承载力略有降低,单板的厚度增加使节点承载力略有提高,单板的高度对节点承载力的影响较小,空心球内设置加劲肋能使承载力提高至少20%;基于参数化提出的单板焊接空心球节点的受拉承载力计算公式能简便地计算出单板焊接空心球节点的承载力,相对误差在±15%以内,满足工程设计误差要求.研究工作可为今后外接单板的焊接空心球节点分析设计提供参考.

超弹性形状记忆合金自恢复与耗能平衡设计理念

超弹性形状记忆合金具有优越的自恢复性能,在工程抗震应用中能够赋予结构完美的自复位性能,但由于其超弹性旗帜形本构关系,自身耗能能力十分有限,致使其难以满足结构地震下的抗震需求。探求在保留形状记忆合金自恢复性能的前提下,尝试将超弹性形状记忆合金与摩擦阻尼器组合应用,以使形状记忆合金系统的耗能能力最大化。首先,对超弹性形状记忆合金自恢复耗能平衡设计理念进行深入研究,引入系统平衡参数的概念,提出相应的配比设计公式;随后,通过开展形状记忆合金超弹性性能试验、简易摩擦阻尼器试验以及组合张拉试验,证明上述平衡设计理念的实用性以及平衡设计公式的可行性。平衡设计理念的提出以及其验证能够推进并指导形状记忆合金在工程抗震中的应用。

局部随机点蚀钢构件的卷积神经网络损伤智能识别

海洋等结构服役环境引起的点蚀会对钢结构的安全产生影响,而点蚀形式具有较强的多尺度多参数随机性。为在实际工程中对点蚀进行有效检测与损伤识别,基于卷积神经网络,结合试验研究、数值模拟、理论分析,对钢构件的局部随机点蚀进行系统研究。选用多参数局部随机点蚀数值模型,在遵循点蚀坑深度的分布模型、点蚀坑的直径时变模型的前提下,对点蚀坑的位置分布进行边界限制和交叉限制,利用Python实现点蚀坑在尺寸、位置和数量等方面的随机性,使Abaqus能够批量生成锈蚀位置和锈蚀率各不相同的钢板有限元模型,进行运算分析,得到各有限元模型的振型样本。之后,以有限元模型作为试验原型,将数值试验得到的大量前6阶振型样本作为数据集,用于建立、训练一种适用于损伤位置识别的卷积神经网络模型,并使用有限元数据集对模型的精度进行验证。最后,采用足尺试验的振型结果进一步验证卷积神经网络模型的精度。研究表明,该模型充分考虑了点蚀在形状参数和位置坐标等方面的随机性,参数合理,接近现实中的实际点蚀情况,识别准确率较高,在数值试验中点蚀损伤识别到真实区域及其相邻区域的准确率高达95.9%,在足尺试验中的准确率达到81.2%,能满足钢构件智能损伤识别实际应用的精度需求。

基于机器学习的CFST柱高温剩余强度系数预测方法

目的 为提高计算精度和速度,利用机器学习模型泛化数据,以预测CFST柱的高温剩余强度系数。方法 利用生成对抗网络将搜集到的110个试验结果泛化生成407组数据,据此训练机器学习模型,并使用试验结果评估其性能,以确定最优模型;然后使用生成数据输入建立的模型预测CFST柱高温剩余强度系数,并和现有计算方法进行对比。结果 建立的随机森林模型在性能度量上表现最好,拟合优度达到0.947 7,均方误差为0.001 8,精度为94.7%;预测结果误差在±10%内的数据为83%,在±20%内的数据为100%;剩余强度系数主要影响因素依次为温度、钢材屈服强度、混凝土抗压强度和横截面积,钢管厚度影响很小。结论 提出的预测方法优于现有计算方法,具有更快的计算速度、更小的结果误差以及更强的模型可解释性,该方法可为CFST柱抗火设计提供参考。

装配式高强钢组合延性桁框结构滞回性能研究

为研究装配式高强钢组合延性桁框结构(HSS-PSTMF)的抗震性能并扩展其工程应用,通过ABAQUS有限元软件建立了不同耗能段长度和节间数量的HSS-PSTMF模型;对装配式高强钢组合延性桁框结构的滞回性能进行了数值分析,研究了耗能段长度、节间数量及长深比对结构承载力、刚度、延性和耗能能力的影响规律。结果表明:延性桁框结构(STMF)体系中主要通过耗能段耗散地震能量;改变耗能段长度对结构的承载力、延性、刚度、耗能能力影响较大;当耗能段长度一定时,改变耗能段节间数量对结构的承载力、延性、耗能能力影响较小;耗能段长度介于0.2L~0.4L(L为跨度)之间且耗能段任何节间的长深比在0.67~1.5时结构抗震性能较好;耗能段长度介于0.4L~0.5L时,在满足结构安全性要求的前提下,可以将结构的长深比提高到3。

设缝方钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

为改善方钢管混凝土柱受力后钢管容易发生屈曲的缺陷,使用设缝钢管代替通长钢管制作相关构件并进行了轴向压力实验对两类试件的力学性能进行研究。通过研究发现钢管设缝后不承受轴向荷载作用、不发生屈曲。随着荷载增加,钢管对核心混凝土的约束效果明显,荷载位移曲线上构件B表现出良好的延性;构件B的承载力略低于构件A。实验后剖开构件发现,核心混凝土表现为被压溃破坏,但在外部钢管约束下,压溃后的构件依然能够承受荷载。相关试验现象说明设缝后钢管对核心混凝土的约束作用更明显,改善了混凝土的受力特点,核心混凝土在外部钢管的约束作用下不但核心承载力得到了进一步提高,还表现出了良好的延性。

土木工程专业结构抗火课程建设探索与实践

火灾是威胁建筑结构安全的主要灾害之一,结构抗火设计是钢结构和组合结构设计中非常关键的一个环节。随着《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)的应用和推广,结构抗火设计方法也从传统的基于试验的结构抗火设计方法过渡到基于计算的结构抗火设计方法。为了开阔学生专业视野,提高专业技能,掌握结构抗火设计的基本理论和基本方法,培养结构抗火设计的能力,提升专业核心竞争力,重庆大学从2011年开始开设研究生选修课高等工程防火理论,从2020年开始开设本科生特色专业选修课结构抗火设计基本原理。本文概述了作者对本科生课程的建设探索与实践,介绍了课程培养层次、目的和目标,通过多个教学内容片段重点讨论了科研成果支撑教学的尝试,课程教学中有机融入思政的方法,为土木工程同类特色专业选修课的建设提供参考。

嵌套加强的LQ550高强冷弯薄壁C型钢连续檩条受力性能研究

为提高LQ550级高强冷弯薄壁C型钢连续檩条的承载能力,采用在支座处嵌套的方法来加强连续檩条。对未加强和采用两种嵌套方式加强的檩条共7组试件进行三点受弯试验,得到了试件的承载性能和破坏形态,试验结果表明加强后的试件出现跨中局部屈曲和嵌套端部局部屈曲两种破坏形态。采用ABAQUS软件建立了非线性有限元模型对嵌套加强的檩条进行数值模拟,有限元分析得到的承载力和破坏形态与试验结果吻合良好,验证了有限元模型的准确性。基于验证的有限元模型,分析了两种嵌套方式和不同嵌套长度对檩条承载力的提升,且表明嵌套檩条的长度宜取为连续檩条跨度的1/5~1/4。

新型承插式螺栓连接柱-柱节点抗拉性能研究

为实现模块化钢结构单元房间的上下连接,提出一种新型承插式螺栓连接柱-柱节点,以有无注浆、承插深度为参数设计并制作3个足尺节点试件,并对其进行抗拉试验,分析了各节点的破坏形态、应变分布以及承载能力等,探讨了该新型节点的抗拉性能.建立了数值分析模型,进行了轴拉荷载作用下的受力性能参数化分析,研究了承插深度、螺栓直径及内套筒厚度对节点抗拉承载力的影响.基于高强螺栓的抗剪承载力,提出了适用于该新型节点的抗拉承载力计算公式.研究结果表明:该新型节点可将轴向拉力有效传递至高强螺栓,试件破坏时均出现高强螺栓群被剪断,灌浆节点试件发生破坏时,出现钢材与灌浆料界面的黏结破坏及螺栓周围局部灌浆料的压碎;高强螺栓群在拉力荷载作用下呈端部螺栓受剪较大、中心螺栓受剪较小的分布,试件破坏时,各螺栓承受的剪力趋于相等;灌浆节点与无浆节点相比,灌浆料与高强螺栓协同工作性能良好,弹性阶段最大摩擦力平均值提高64.4%,极限抗拉承载力提高14.1%;承插深度由300 mm增至500 mm,节点极限抗拉承载力提高80.9%;承插深度和螺栓直径对节点抗拉承载力影响较大,内套筒厚度对节点抗拉承载力的影响较小;根据提出的节点抗拉承载力计算公式得到的计算值与有限元模拟值吻合良好.

异形单层网壳结构的整体稳定性研究及关键节点分析

单层网壳结构属于缺陷敏感结构,整体稳定问题是结构设计的关键.单层网壳结构可以采用空间相贯节点,有必要对节点进行三维实体有限元分析,在此基础上研究节点的力学性能.本文总结了单层网壳结构整体稳定分析的方法,归纳了空间相贯节点三维实体有限元分析方法;针对异形单层网壳结构,研究了结构的静力性能、结构网格与建筑形状对结构承载能力的影响,确定了结构的弹性稳定承载力和弹塑性稳定承载力;对空间相贯节点进行了有限元分析,得到节点处应力的分布情况,并研究了节点隐蔽部位有无焊缝对节点力学性能的影响.结果表明:异形单层网壳的曲率变化和结构网格对关键部位处杆件受力影响较大;稳定承载力对单层网壳结构起控制作用,对此异形单层网壳进行弹塑性稳定分析,结构安全系数达到24;隐蔽部位焊缝对节点承载力的影响较大,设置隐蔽部位焊缝后,节点处各杆件的最大应力可减小20%以上.

骨架膜装配式节点设计与承载力分析

提出的骨架膜结构装配式节点具有构造简单、预制程度高、便于现场装配、可以调节消减加工误差、适应各种形状的骨架膜结构、传力清晰等特点。基于Hertz接触理论分析了该节点的关键承载结构——销轴连接的应力分布形式并与有限元分析相互印证。基于有限元分析得出了该节点中杆件与耳板最佳的连接方式,对该节点的三维模型进行简化并建立有限元模型,计算了该节点的极限承载能力,得到其破坏形式并与同规格的空间相贯焊接钢管节点进行对比。结果表明:该装配式节点的失效由下弦杆控制,满足“强节点,弱杆件”的设计要求;该装配式节点的极限承载能力为设计荷载的2.95倍,与同规格的空间相贯焊接钢管节点几乎相同,有充足的安全余量,可以更加灵活地应用于各种建筑结构中。

模块化冷弯薄壁型钢结构体系低层村镇住宅设计研究

在传统冷弯薄壁型钢结构体系的基础上,从模块化、装配化角度出发,提出了一种适用于低层村镇住宅的新型结构体系——模块化冷弯薄壁型钢结构体系。首先,简述了墙体模块单元的构成,给出了7种通用标准化墙体模块单元,并介绍了基于通用标准化模块单元的村镇模块化户型构建原则及过程;其次,详述了便于快速装配安装的标准墙体单元间模块化连接方式,对模块连接节点进行了受力分析及数值模拟,并给出了模块化冷弯薄壁型钢结构体系构建的原则;最后,重点介绍了适用于所有冷弯薄壁型钢结构体系的抗剪墙长简化设计方法以及基于模块化冷弯薄壁结构体系的抗剪墙长设计方法,并通过实际案例详述了墙长确定过程,同时对比了不同计算方法的抗剪墙长,进一步验证了所提出的抗剪墙长简化设计方法的可行性。结果表明:所提出的模块化冷弯薄壁型钢结构体系可大幅提高冷弯薄壁型钢结构低层村镇住宅的工业化和产品化水平,大幅缩减了工期;所提出的抗剪墙长简化设计方法可显著降低设计门槛,便于该类体系的推广应用。

薄壁钢板局部屈曲关键问题研究进展

钢结构以及钢-混凝土组合结构由于其强度高、耗能能力好、施工方便等优异性能,被广泛应用于工程结构中。然而,随着高强度钢材的应用,薄壁钢板呈现薄壁化、宽厚比随着构件截面尺寸的增大而不断增大的趋势,由于工程结构及荷载的复杂性等因素,钢板过早发生局部屈曲的风险不断加大,薄壁钢板的局部屈曲问题凸显,亟待开展系统性深入研究。对薄壁钢板局部屈曲研究的进展进行了概述,分析总结了现有试验研究和理论研究方面存在的局限性,详细介绍了笔者团队近年来聚焦于薄壁钢板局部屈曲关键问题开展的一系列研究工作及成果。

冷弯薄壁型钢-结构防火一体板自攻螺钉连接性能试验研究

开展冷弯薄壁型钢-结构防火一体板自攻螺钉连接抗剪性能试验研究,完成35个典型试件单调拉伸及低周往复加载试验,分析结构防火一体板厚度、螺钉直径、螺钉端距及加载角度等因素对其抗剪性能的影响。结果表明:不同加载角度及螺钉端距的试件呈现不同的破坏模式,主要包括板材端部撕裂破坏、板材孔壁承压破坏、板材被拉断破坏等,且破坏时试件的自攻螺钉存在不同程度的倾斜。对于试验端分别采用直径为4.8、5.5 mm螺钉的试件,试件的峰值荷载及延性系数与螺钉直径无明显相关性,弹性刚度随着螺钉直径增大而显著提升;随着螺钉端距由15 mm增大至25 mm,试件的弹性刚度无明显变化,而峰值荷载和延性系数提高了约35%;随着板厚由12 mm增大到20 mm,试件的峰值荷载提高了约40%,弹性刚度提高了约90%,延性系数降低了约30%;与加载角度为0°的试件的特征参数相比,加载角度为45°时,试件弹性刚度提高了约100%,峰值荷载及延性系数无明显差别;加载角度为90°时,试件弹性刚度及峰值荷载无明显差别,延性系数降低了约40%。

平面KK型矩形钢管节点静力试验研究

依托某主题广场月牙形艺廊单层网壳钢屋架结构,选取其最不利受力节点,设计了中心插板节点和毂节点两种KK型矩形钢管节点,分别对其足尺模型进行静载试验,测试分析模型节点区域的应变及应力分布规律,对比分析支管端部的位移变化。结果表明:1)设计荷载水平下,两个节点均满足受力要求;毂节点和中心插板节点的最大试验荷载约为等效设计荷载的2.85倍和3.25倍,节点安全储备较高;2)在最大试验荷载作用下,两个节点支管根部与中心构件相贯焊缝附近部分均不同程度地屈服,毂节点圆筒内加劲肋焊缝局部出现开裂;3)相同荷载作用下,中心插板节点相应位置应力应变水平相对较低,故中心插板节点的承载强度较高;4)由试验荷载-位移曲线分析得出毂节点的各肢平均位移比中心插板节点约大13.3%,表明中心插板节点弹性刚度较大。

带PBL剪力键的钢芯板混凝土组合剪力墙低周往复加载试验研究

为研究带PBL剪力键的钢芯板混凝土组合剪力墙的抗震性能,对1个型钢混凝土组合剪力墙和4个钢芯板混凝土组合剪力墙进行了循环往复加载试验;观察带PBL剪力键的钢芯板混凝土组合剪力墙在水平循环荷载下的破坏全过程,并分析该类剪力墙的滞回特征、变形能力、承载能力、耗能性能、刚度和强度退化能力。结果表明:钢芯板混凝土组合剪力墙的破坏模式主要为弯曲型破坏,滞回曲线较为饱满;配置钢芯板的剪力墙承载力、延性性能和耗能能力较优;PBL剪力键的构造方式可保证钢芯板与混凝土之间的黏结性能完好,PBL剪力键平放会导致剪力墙出现沿PBL剪力键的水平通缝,影响剪力墙承载能力的发挥,建议采用PBL剪力键竖放的构造形式。

KT形钢管相贯节点受力性能试验研究

依托某户外剧场钢结构顶棚结构设计,首先对其管桁架关键KT形钢管相贯节点进行了足尺模型试验,测试分析了该节点相贯线、主管及支管应变分布规律。试验结果显示,在最大荷载作用下,相贯节点因支管相贯线附近部分屈服而不能继续承载,其余位置未屈服,表明支管相贯线附近位置是该相贯节点最薄弱位置。然后运用ANSYS有限元软件建立KT形钢管相贯节点有限元模型,将试验结果与有限元分析结果作对比,验证了有限元模型的准确性。最后通过有限元模拟探讨了增大支管厚度以及增设加劲肋对节点受力性能的影响。有限元分析结果显示,增大支管厚度对其受力性能影响较小;增设加劲肋可以有效降低支管相贯线附近位置的最大应力水平,能有效延缓支管屈服,明显提高管桁架节点的承载力。

自攻螺钉与拉铆钉混合连接受剪承载性能试验

为改善自攻螺钉连接的构件在地震作用下易发生拉脱导致结构严重破坏的缺点,提升冷弯薄壁型钢组合墙体抗破坏能力,分析了组合墙体层间连接处的传力机理,针对自攻螺钉的破坏模式,提出拉铆钉与自攻螺钉混合连接。为研究混合连接的抗剪性能,共进行了48组连接接头抗剪性能试验,包含冷弯薄壁型钢结构常用的5种连接板厚度,不同搭接板厚比(变化范围1.0~2.0),包含纯自攻螺钉连接、纯拉铆钉连接及混合连接的连接方式。观察混合连接的破坏模式,自攻螺钉未发现拉脱破坏,其破坏模式主要表现为:板承压破坏与螺钉倾斜组合破坏、铆钉剪断破坏及板承压与铆钉部分剪断组合破坏3种;相较单一连接方式,混合连接荷载–位移曲线表现出更长的塑性阶段;当板厚比大于1.5且组合板厚小于3.0mm,混合连接的承载力及延性较单一连接增长明显;利用现有计算方法对混合连接的承载力进行累加计算,与试验结果对比,计算结果偏保守。研究发现:混合连接能较好地弥补拉铆钉和自攻螺钉受剪过程中的缺陷,有效改善自攻螺钉拉脱破坏,从而提升连接的承载力及延性;板厚和板厚比是影响混合连接破坏模式及承载力的重要因素,与单一连接相比,板厚比越大,承载力提升越大;排布方式对混合连接的力学性能及破坏机理影响有限;在本文试验工况下,结合混合连接的破坏模式,在现有计算方法的基础上,提出改善后的计算方法,其计算结果更合理。

钢桁架在冲击荷载作用下的动态响应研究

圆钢管桁架在土木工程和海洋工程领域应用较多,除了承受竖向荷载外,还易遭受冲击偶然荷载作用。以偏心质量下抵抗冲击荷载的钢桁架为研究对象,利用LS-DYNA软件建立了节点冲击有限元模型。从破坏特征、冲击响应和耗能能力等方面研究了其抗冲击能力,对冲击次数、冲击速度和钢材屈服强度进行了参数分析,最后基于有限元模拟结果,提出了主管凹陷变形与转角之间的表达式。结果表明:经历多次摆锤冲击后,主管发生严重的凹陷变形,刚度显著降低;冲击速度达到3.0 m·s^(-1)时,冲击力峰值提高了84.8%,冲击区域支管节点发生挤压弯曲破坏,主管凹陷变形是主要的耗能机制。有限元模拟结果可为提高实际钢桁架的抗冲击性能提供参考。

薄钢板机械咬合螺栓抗剪连接试验与计算方法

为探究薄钢板机械咬合螺栓抗剪连接的受力性能,设计了12个具有不同垫圈形状和预拉力的机械咬合螺栓连接试件和普通螺栓连接试件,并开展了受剪破坏试验。试验结果表明机械咬合螺栓连接试件的薄钢板在咬合部位发生受拉破坏,而普通螺栓连接试件的薄钢板出现孔壁承压破坏,且机械咬合螺栓连接的受剪承载力显著高于普通螺栓连接的受剪承载力。分别建立了机械咬合螺栓连接和普通螺栓连接的精细有限元模型,根据受剪试验结果验证了模型的准确性,进一步探究了垫圈直径、螺栓直径、钢板厚度和咬合深度对机械咬合螺栓连接受剪承载力的影响规律。最后开展了机械咬合螺栓连接的受剪承载机理分析,提出了能够准确预测其受剪承载力的计算公式。