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。

双层索系柔性光伏支架结构受力性能研究

目的研究双层索系柔性光伏支架结构在风荷载作用下的静力性能与动力响应。方法采用ABAQUS有限元软件开展双层索系柔性光伏支架结构的静力性能、动力特性、动力响应和风振系数分析,探究了跨度、横向连接系间距以及挠度限值等影响因素对支架结构受力性能的影响。结果结构的风振响应随着跨度的增加而增大;结构跨中挠度及上层索索力随横向连接系间距的增大而增大;增大上层索预应力可以减小结构的动力响应,而下层索预应力过大会导致结构的风振响应增大。结论通过研究给出了双层索系柔性光伏支架结构的风振系数取值范围以及上、下层索的初始预拉力设置建议,可以为其结构抗风设计提供参考。

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。

螺栓连接波纹腹板钢梁疲劳性能试验与分析

对2根螺栓连接波纹腹板钢梁试件进行疲劳试验研究,获得了钢梁试件的疲劳性能指标以及失效破坏形态,分析了钢梁截面的应力分布以及循环荷载作用下的应力和刚度变化。汇总现有的焊接波纹腹板钢梁疲劳试验结果,比较分析了焊接钢梁与螺栓连接钢梁的疲劳寿命差异。采用有限元软件ABAQUS建立了螺栓连接波纹腹板钢梁的精细数值模型,根据疲劳试验结果验证了数值模型的准确性。利用经验证的数值模型,对疲劳破坏位置附近的应力分布进行有限元分析,结果表明螺栓孔边应力集中是疲劳裂纹萌生和引发疲劳破坏的主要原因。基于有限元分析结果,利用FE-Safe软件对螺栓连接波纹腹板钢梁试件的疲劳寿命进行分析,计算得到的疲劳寿命和疲劳破坏位置与试验结果吻合良好。

地铁车辆段检修库装配式混凝土空心柱抗震性能研究

针对用于地铁车辆段检修库的新型装配式混凝土空心检修柱,分别制作预制混凝土空心柱、预制混凝土实心柱及现浇混凝土空心柱试件,采用拟静力试验及有限元数值模拟,对其抗震性能进行对比研究。结果表明:试件破坏形态均为剪弯破坏,承载能力及退化性能较为接近,变形能力好,但装配式空心试件耗能能力及延性略差;对于装配式混凝土空心检修柱,可以将其截面简化成工字形,采用规范中的公式来计算承载力;与装配式混凝土实心柱相比,装配式混凝土空心柱可以大幅度节约材料,且基本上实现了“等同现浇”;当轴压比变大时,装配式混凝土空心柱水平承载力先变大后变小,耗能能力变差。

光伏支架高强冷弯C型钢檩条的受弯性能研究

为研究光伏支架中高强冷弯C型钢檩条的受弯性能,对5种布置方式下的LQ550高强冷弯C型钢檩条(下文简称为“C型钢檩条”)开展了跨间6个加载点集中加载试验。建立C型钢檩条有限元模型,并通过试验得到的C型钢檩条受弯性能验证模型的准确性,并依此模型探究檩条相对长细比对其受弯稳定承载力的影响规律。参照GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的规定,分析了撑杆约束对檩条受弯稳定承载力的有利作用。结合实际项目,对采用C型钢撑杆的光伏支架开展现场加载试验。研究结果表明:1)檩条的抗弯刚度和受弯稳定承载力通过在跨间设置撑杆约束后明显提高,且设置C型钢撑杆约束的提高效果强于圆管撑杆。2)C型钢撑杆可视为理想侧向支承,檩条平面外计算长度系数可以根据C型钢撑杆的设置情况取值。3)现场加载试验证明C型钢撑杆对檩条扭转具有良好的约束效果,充分验证了采用C型钢撑杆体系的新型光伏支架结构的适用性。

箱形节点域不锈钢端板连接梁柱弱轴节点受力性能

为了探究不锈钢弱轴节点的静力性能和抗震性能,设计并加工了4个端板连接不锈钢梁柱弱轴节点试件,包括奥氏体型和双相型两种不锈钢牌号试件各两个,且均设置了箱形节点域进行加强。对节点试件分别开展单调静力和低周反复加载试验,得到了节点的整体受力性能和局部受力特征,包括节点在单调静力和低周反复荷载作用下的失效破坏形态、荷载-位移曲线和螺栓力发展过程,以及节点在低周反复荷载作用下的刚度、强度退化和耗能能力。结果表明:在静力和循环荷载作用下,节点的最终破坏形态为柱子蒙皮板与柱翼缘的对接焊缝出现断裂,奥氏体型不锈钢节点的初始刚度约为双相型不锈钢节点的90%,塑性承载力约为双相型不锈钢节点的60%~70%;节点在循环荷载作用下,滞回曲线较为饱满,无明显捏拢现象,出现了刚度和强度退化,奥氏体型不锈钢节点的累积耗能约为双相型不锈钢节点的3倍。设置箱形节点域之后,弱轴端板连接节点受力性能对焊缝质量要求更高,焊缝的提前断裂导致不锈钢材的优良延性未能充分发挥。采用有限元软件ABAQUS建立了精细数值模型对试验节点的受力性能进行模拟,并基于试验结果验证了所建立模型的准确性。得到的试验结果和建立的有限元模型可为后续箱形节点域不锈钢弱轴节点受力性能研究提供参考。

基于有限材料参数试验数据的横观各向同性板结构随机有限元分析与验证

当材性试验数据有限时,为了研究各力学参数的离散性和不确定性对结构性能计算的影响,需要对材料参数采用随机变量建模并基于概率理论构建刚度矩阵的随机模型。为此,首先将随机弹性张量分解为一组基张量和由材料参数构成的随机系数的线性组合,以考虑刚度矩阵各分量间的统计相关性;并利用最大熵原理确定由上述随机系数组成的随机向量的概率密度函数。采用基于Metropolis-Hasting算法的马尔科夫链蒙特卡罗方法用于计算与之相关的概率模型的拉格朗日乘子,并通过Matlab生成材料参数的随机样本。最后采用蒙特卡罗随机有限元法对横观各向同性材料构成的板式结构在不同荷载下的力学行为进行了数值分析。以刨花板材料为典型案例,与试验结果对比,验证了本文方法的效果和实用性。

不锈钢T形件螺栓连接承载性能试验研究

通过开展14组不锈钢T形件螺栓连接试件的单调拉伸试验,得到了各试件的极限承载力、破坏模式和撬力发展规律,分析翼缘厚度、翼缘材料、螺栓直径和螺栓预拉力等因素对不锈钢T形件承载性能的影响。结果表明:螺栓预拉力对试件的极限承载力没有明显影响,但会提高试件的初始刚度;T形件的破坏模式取决于翼缘和螺栓的相对关系,与螺栓预拉力无明显关系;撬力值随着翼缘厚度和螺栓直径的减小而增大,但极限承载力对应的撬力值与螺栓预拉力无关。将试验结果与现行欧洲、美国和中国规范的计算结果进行比较,表明现行国内外规范的相关计算公式均较保守,其中美国规范由于翼缘采用极限抗拉强度,计算结果与试验值最为接近。

不锈钢焊接箱形截面短柱轴压局部稳定性能

设计并加工了7个奥氏体型S30408和6个双相型S22253不锈钢焊接箱形截面短柱试件,通过压缩材性试验得出了2种不锈钢板材的力学性能指标,同时量测了试件的几何初始缺陷和焊接残余应力分布形态.此外,在两端固接的约束条件下开展短柱轴压试验,得到了试件的局部稳定承载力和屈曲失效形态.试验结果表明,随着板件宽厚比的增大,其局部稳定承载力逐渐降低.采用ABAQUS建立考虑材料非线性和各向异性、几何初始缺陷和焊接残余应力的有限元模型,对短柱轴压局部稳定性能进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好,验证了有限元模型的准确性和可靠性.得到的短柱试验结果和建立的有限元模型可以为焊接不锈钢构件稳定性能的研究提供参考.

不锈钢焊接箱形截面柱轴心受压相关稳定试验研究

不锈钢的非线性材料特性使其构件承载性能不同于普通钢结构构件,需要开展专门的研究。通过焊接加工8个不锈钢箱形截面柱,包括奥氏体型S30408和双相型S22253两种牌号,在试件两端铰接的约束条件下开展轴心承压加载试验。试验中对板材力学性能、试件的局部与整体几何初始缺陷、纵向焊接残余应力分布和加载初偏心进行了测量。加载试验得出了板件的局部屈曲承载力与构件的相关稳定承载力,展示了从组成板件局部屈曲到构件整体弯曲屈曲的渐变失效形态。将试验结果与欧洲不锈钢规范EN 1993-1-4、直接强度法和中国冷弯薄壁型钢结构技术规范GB 50018的计算公式进行比较表明,由于欧洲规范和直接强度法没有考虑不同牌号不锈钢材料力学性能的差异,对双相型S22253构件的承载力计算偏于保守,而奥氏体型S30408构件的计算承载力偏于不安全;而中国规范GB 50018没有考虑焊接残余应力、几何缺陷和材料非线性的不利影响,高估了构件的相关稳定承载力。所得到的试验结果将为后续的数值分析与理论研究提供数据支撑。

将台花园钢结构网壳焊接节点承载性能试验

将台花园网壳屋面系统采用了全焊接的钢结构节点，节点的六肢在空间交汇，几何形状不规则，为了检验节点的承载性能和安全储备，需要开展专门的加载试验研究．通过在矩形反力架上固定节点试件的三肢，对其余三肢进行轴向加载，控制轴向荷载的偏心实现设计荷载中的主弯矩施加，一共针对J—01～J-04四个节点进行了试验研究．试验结果表明，节点可以安全承受设计荷载作用，且具有较大的安全储备．利用ANSYS建立考虑材料与几何非线性特性的有限元模型，对试验加载过程进行全过程模拟．有限元分析结果与试验数据吻合良好，验证了有限元模型的可靠性．加载试验研究可以较好地检验该类空间相贯节点的承载性能，所采用的研究方法能够为同类节点的设计与应用提供参考．

不锈钢工字形柱弱轴端板连接节点受力性能试验研究

为探究不锈钢工字形柱弱轴端板连接节点的静力性能和抗震性能,开展了4个不锈钢弱轴边柱节点的单调静力加载和低周反复加载试验研究,其中奥氏体型和双相型不锈钢节点各2个.分别得到了节点试件在单调静力和低周反复荷载作用下的失效破坏形态、荷载-位移曲线以及螺栓力发展变化.结果表明:不锈钢弱轴边柱节点试件的静力试验曲线与骨架曲线较为接近,但随着循环次数和位移幅度的增加,出现损伤累积,骨架曲线的强度和延性出现下降.双相型不锈钢节点的初始刚度约为奥氏体型不锈钢节点的1.1倍,承载力约为后者的1.6~2.0倍,且累积耗能约为奥氏体型节点的2倍.静力荷载作用下,奥氏体型和双相型不锈钢节点试件的柱腹板受拉区域出现显著的塑性变形,且双相型不锈钢节点试件的螺栓头角部穿出柱腹板螺栓孔.低周反复荷载作用下,奥氏体型和双相型不锈钢节点试件的柱腹板横向加劲肋外侧焊趾处出现断裂破坏,滞回曲线存在明显捏拢现象以及不同程度的强度退化和刚度退化.此外,测得的节点转角满足现有规范限值,表明试验节点具有良好的变形性能.基于试验结果对现有普通钢梁柱弱轴节点计算公式的适用性进行了评估,结果表明现有普通钢弱轴节点计算公式低估了试验节点的初始转动刚度和受弯承载力.

弯剪共同作用下不锈钢薄腹梁承载性能试验研究

为研究不锈钢薄腹梁在弯矩和剪力共同作用下的承载性能,进行了6根焊接工字形截面不锈钢梁的试验研究。结果表明,所有梁试件的破坏形态为结合了腹板剪切屈曲和受压区板件局部鼓曲的弯剪联合屈曲。建立精细有限元数值模型对试验过程进行模拟,同时考虑了不锈钢材料、几何双非线性,局部几何初始缺陷和焊接残余应力的影响。基于得出的试验和有限元分析结果,对我国《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中考虑腹板屈曲后强度的梁弯剪相关计算方法进行评估。分析表明:当梁的极限承载力受剪切控制时,腹板正则化宽厚比较大时的规范计算承载力偏于保守,而正则化宽厚比较小时的计算承载力与试验和有限元分析结果较为接近;当梁的极限承载力由弯剪共同作用控制时,规范中公式的承载力计算值偏于安全。总体而言,GB 50017—2017的计算方法可以直接应用于计算不锈钢焊接截面梁在弯剪共同作用下的极限承载力。

约翰·霍普金斯大学土木工程专业课程设置与教学分析

约翰·霍普金斯大学是美国第一所研究型大学,该校土木工程专业本科教育主要采用精英教育模式。文章介绍了约翰·霍普金斯大学土木工程专业的培养方案和培养目标,对其专业课程设置进行了分析,阐述了工程结构发展演变和结构设计两门专业必修理论课程的教学内容和方法。同时与武汉大学土木工程专业培养方案和课程设置进行比较,从精英教育培养模式、研究性学习模式和实践锻炼三个方面对提高专业人才培养质量进行了探讨,对提升中国工程教育的国际影响力和国际认可度提出了相关建议。

结合卓越工程师计划的钢结构课程设计教学探索

钢结构课程设计是土木工程本科教学中的重要设计训练环节,着重培养学生运用钢结构基本理论解决工程设计问题的能力。文章结合"卓越工程师教育培养计划",在考虑当前钢结构发展形势的情况下对钢结构课程设计的教学内容、教学组织和设计题目开展了改革探索,同时对教学指导环节进行了探讨。

冷成型不锈钢矩形管截面受弯构件挠度计算方法

采用理论推导和有限元方法,对冷成型不锈钢矩形管截面受弯构件的挠度发展与计算方法进行研究。在考虑截面应力分布和弯角影响的基础上推导出截面边缘屈服弯矩的计算公式,通过与301个算例的数值积分结果进行比较,验证了该计算公式的准确性。采用有限元软件ABAQUS建立了考虑几何初始缺陷和冷弯残余应力的精细有限元分析模型,依据现有试验结果对模型的准确性进行了验证。基于有限元分析结果对近似曲率法的初始刚度进行了修正,提出了修正的冷成型不锈钢矩形管截面受弯构件的挠度计算方法。将修正的计算方法与现有的其他3种计算方法进行比较,结果表明修正的近似曲率法计算公式能够更为准确地反映受弯构件的挠度发展。

钢筋混凝土顶管施工端面裂缝模拟分析

为分析钢筋混凝土顶管施工过程中端面开裂情况,考虑材料的几何非线性和混凝土的损伤退化,建立了ABAQUS有限元数值模型。并基于施工现场数据,验证了模型的可靠性,模拟了顶环截面形式、千斤顶布置方式、顶环高度3个参数对顶管断面裂缝的影响。结果表明:在顶进施工条件允许情况下,建议采用均布、对称的千斤顶布置方式;顶环采用闭口截面和适当的高度可减少管体顶进过程中裂缝的产生。

焊接工字形截面不锈钢受弯构件的整体稳定性分析

目的研究不锈钢焊接工形截面无侧向支撑梁的整体稳定性能,提出工形截面梁整体稳定系数的计算公式,为我国不锈钢结构设计规范的编制提供理论依据.方法对比了现有国外规范的设计方法,通过有限元分析研究了材料系数对不锈钢梁稳定系数的影响,以有限元分析结果为基础,对我国钢结构设计规范中受弯构件稳定系数的计算公式进行适当修正.结果提出了焊接工形截面不锈钢受弯构件整体稳定系数的计算方法,并将笔者建议的计算公式与欧洲规范和有限元结果进行了对比,结果表明建议公式比欧洲规范略偏安全.结论笔者建议的计算公式形式简单,计算结果比欧洲规范略偏安全,可以很好地应用于工程设计中.

不锈钢焊接箱形截面残余应力试验与分布模型

通过焊接加工奥氏体型S30408和双相型S22253两种材料牌号的8个不锈钢箱形截面试件,利用线切割将试件截面完全分割成条带,采用Whittemore手持应变仪量测各条带上释放的残余应变,从而测得试件截面上的残余应力大小与分布形态.试验结果表明,试件截面内残余拉应力峰值一般低于材料的名义屈服强度,奥氏体型S30408和双相型S22253两种不锈钢试件分别达到其名义屈服强度的80%和60%;而组成板件残余压应力的峰值随板件宽厚比的增大而降低.根据整理得出的残余应力量测结果,基于原有普通钢材焊接箱形截面的残余应力分布模型,提出了能够准确预测不锈钢焊接箱形截面残余应力分布的简化模型.测得的残余应力数据和提出的简化分布模型适用于不锈钢结构构件稳定性的相关研究.