Shear Behaviors of Steel-Plate Connections for Timber-Concrete Composite Beams with Prefabricated Concrete Slabs

To promote the development of timber-concrete composite(TCC)structures,it is necessary to propose the assembly-type connections with high assembly efficiency and shear performances.This article presented the experimental results of the innovative steel-plate connections for TCC beams using prefabricated concrete slabs.The steel-plate connections consisted of the screws and the steel-plates.The steel-plates were partly embedded in the concrete slabs.The concrete slabs and the timber beams were connected by screws through the steel-plates.The parameters researched in this article included screw number,angle steel as the reinforcement for anchoring,and shallow notches on the timber surface to restrict the slip of the steel-plates.Experimental results were discussed in terms of failure modes,ultimate bearing capacities,and slip moduli.It was found that increasing the number of screws could lead to the obvious improvement on the ultimate bearing capacities and the slip moduli at the ultimate state;and the angle steel as the reinforcement showed the slight influence on the ultimate bearing capacities and the slip moduli.The application of the shallow notch can greatly improve the ultimate bearing capacities and the slip moduli.The calculation models for the ultimate bearing capacities and the slip moduli of the steel-plate connections with and without shallow notches were proposed,which showed good accuracy compared with the experimental results.

新型空心管状翼缘钢板组合梁设计理念与力学性能

工字钢组合梁桥正朝着少主梁、精简横向联系的方向发展。与传统多主梁复杂横向联系组合梁桥相比,双主梁桥由于采用了开口截面的结构形式,极大地削弱了其抗扭能力,在偏载作用下会产生较大的变形及翘曲应力,使钢主梁处于弯扭耦合的受力状态。空心管状翼缘钢板组合梁采用空心钢管取代传统的平板上翼缘,提升了稳定性,改善了结构性能。本文通过理论分析和实体有限元法的计算,研究了单梁在自重与横向风荷载作用下的稳定性;对非组合截面的组合体系下的稳定性能进行了分析与比较,并分离出扭转翘曲应力和纵向正应力,研究了不同跨径下扭转效应的影响。最后,对横向联系、加劲肋的影响进行了分析。研究结果表明,空心管状翼缘钢板组合梁桥扭转刚度大于传统工字形截面组合梁扭转刚度,自身横向稳定性好,并且需要较少的横向联系与加劲肋,可实现单梁吊装,避免采用过多临时加固及支撑措施,提高施工效率。

中等跨径钢板组合梁截面布置优化

为了实现钢板组合梁的标准化设计,达到进一步推广应用的目的,以跨径30 m的先简支后桥面连续钢板组合梁桥为研究对象,结合目前中国钢-混组合梁桥的设计规范,以全桥造价及全桥钢材用量为目标函数,以钢板组合梁截面尺寸布置参数和主梁数量为设计变量,并以应力、变形、局部稳定和规范构造要求为约束条件,建立钢板组合梁截面参数的优化模型,并采用遗传算法展开优化分析.优化结果表明:所提算法稳定可靠、效率高,依托工程的结构截面布置有较大的优化空间.当桥宽和车道布置不变时,采用6梁式截面的全桥造价最少,相对原始设计截面可节省约13%的费用;采用4梁式截面的全桥钢材用量最少,为128.65 kg/m^(2),相对原始设计截面可节省约27%的钢材用量.优化结果可为中等跨径钢板组合梁桥的截面设计提供参考.通过经济性分析发现,当主梁间距分别取约2.3、3.2、4.8 m时,跨高比的经济取值分别为20~23、18~21、14~17.

不同界面下梁端直剪型锚栓钢板剪切承载力试验研究

开展梁端直剪型锚栓钢板剪切承载力加固试验研究。试验序列包含1个对比试验段、5个剪切承载力加固试验段。试验参数包括界面条件和钢板高度。结果表明:受力过程中钢板与混凝土之间的黏结界面终会剥离,不同黏结界面不影响剪切承载力;增加钢板高度和配套的直剪型锚栓数量能有效提高混凝土梁的剪切承载力。直剪型锚栓钢板剪切承载力加固存在2种机制,约束机制通过限制斜裂缝宽度提高剪切承载力,而组合受力机制通过钢板将一部分剪力直接传入支座。加固钢板高度较小时以约束机制为主,加固钢板高度较大时,2种加固机制联合发挥作用。

焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能分析

大多数双钢板-混凝土组合剪力墙采用螺栓连接或焊接肋的方式使钢板和混凝土协同工作。然而,这种连接方式可能导致整体性和塑性变形效率较低,且制作复杂,焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙能够有效地避免这些问题。为了深入研究焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,基于约束混凝土真三轴塑性-损伤本构模型和钢材弹塑性混合强化-韧性损伤本构模型,建立了组合剪力墙的精细化三维实体-壳模型,将模拟所得的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、弹性刚度、承载力、累积耗能、等效阻尼粘滞系数和延性系数与已有拟静力试验结果相比较,发现两者吻合较好。分析结果表明:轴压比对组合剪力墙模型算例刚度和承载力的影响较小,而随剪跨比增大,组合剪力墙模型算例的刚度和承载力呈线性降低;轴压比对组合剪力墙模型算例总塑性耗能的影响较小,而剪跨比的影响较大,剪力墙总塑性耗能随剪跨比增大而降低;轴压比和剪跨比都不会改变算例各部件的耗能分配机制,即组合剪力墙模型算例以外钢板和内隔板耗能为主。

联肢弯剪型钢板剪力墙抗震性能试验研究

联肢钢板剪力墙结构是将2片钢板剪力墙通过钢连梁连接形成的抗侧力结构。通过对1榀1/3缩尺的4层联肢弯剪型钢板剪力墙试件进行低周往复加载试验,从滞回曲线、骨架曲线、延性、承载力及刚度退化、耗能能力等方面研究了该结构体系的抗震性能,并且对试件的屈服顺序和变形模式进行了分析。结果表明:联肢钢板剪力墙试件的延性系数达到5.03,承载力退化系数均大于0.96,承载力和刚度退化稳定,等效黏滞阻尼系数达到0.25以上,表明联肢弯剪型钢板剪力墙具有优越的抗震性能。加载过程中,连梁先于墙板发生屈服,墙板先屈曲后屈服,此后柱脚和横梁相继屈服。连梁的引入改变了结构的屈服机制,提高了整体的延性和耗能能力,能够组成多道抗震防线,且试件整体最终也体现出合理的破坏机制。整体侧移曲线呈弯剪变形模式。该试验研究更加贴合实际工程中联肢钢板剪力墙结构的应用情况,为联肢钢板剪力墙结构的进一步研究和应用提供了试验基础。

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。

锁骨近端骨折解剖钢板固定的有限元分析

目的:探讨个性化锁骨近端解剖钢板螺钉固定有限元模型建立及有限元分析。方法:选择1例40岁男性健康志愿者,运用三维重建软件Mimics 15.01软件,Hypermesh 2019及Abaqus 2020软件的有限元分析模块,初步建立锁骨近端解剖钢板有限元模型并在锁骨长轴远端15 mm位置处施加250 N垂直方向的载荷观察整体结构,钢板、螺钉位移云图,Mises stress应力分布等有限元分析数据。结果:整体结构位移分布可看出最大的位移分布在锁骨远端,正常人体上肢重量,锁骨纵行、斜行骨折及摔倒时肩部撞击暴力、锁骨纵行、斜行骨折4种条件下最大位移分别为1.04、1.03、1.35、1.33 mm;从钛合金钢板位移云图中可知最大的位移分布在靠近锁骨远端位置,最大位移分别为0.89、0.88、1.10、1.09 mm。从钛合金螺钉位移云图中可知最大的位移分布在远端螺钉的根部,最大位移分别为0.88、0.87、1.08、1.06 mm。Mises Stress应力分布来看最大的应力主要分布在钛合金钢板和螺钉上,锁骨上的应力非常小。从应力分布云图中可以观察钢板最大主应力分布在锁骨近端第2排螺孔位置,最大的Mises应力分别为673.1、678.1、648.5、654.4 MPa,钛合金螺钉最大应力分别为414.5、417.4、415.8、419.7 MPa。结论:利用计算机模拟三维有限元计算方法表现个性化锁骨近端解剖钢板的生物力学变化,为个性化锁骨近端解剖钢板提供生物力学数据。

低周反复荷载下T型双波纹钢板混凝土组合剪力墙受力性能试验研究

为研究低周反复荷载下T型双波纹钢板混凝土组合剪力墙的受力性能,对5个T型双波纹钢板混凝土组合剪力墙进行了低周反复加载试验。基于试验数据,分析了T型组合剪力墙的破坏模式、滞回曲线、变形能力及耗能能力,重点研究了边缘约束条件、波纹类型以及轴压比不同变化参数对T型组合剪力墙抗震性能指标的影响规律。研究结果表明:T型双波纹钢板混凝土组合剪力墙破坏模式主要有压屈破坏和压弯破坏两种;设置边缘约束构件是提高T型双波纹钢板混凝土组合剪力墙承载能力和变形能力的关键因素;纵向窄波纹钢板对内部混凝土的约束能力更强,在低周反复荷载下两者协同工作性更优,而横向窄波纹钢板试件强度退化最严重;采用全截面塑性设计方法进行T型双波纹钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力计算,试验值与计算值吻合良好;T型双波纹钢板混凝土组合剪力墙具有较好的承载能力和变形能力,可适用于高层及超高层建筑结构中。

预应力螺栓连接钢板约束混凝土圆柱轴压性能研究

螺栓连接钢板(BST)约束混凝土圆柱,由于钢板可拆卸及更换,较钢管约束混凝土具有更好的可恢复性。以BST约束混凝土圆柱为研究对象,提出在两片拼装钢板间预留间隙,并拧紧螺栓而对其施加预压应力的方法。以施加的预压应力和径厚比为参数,对6根BST约束混凝土圆柱及1根无约束混凝土圆柱进行轴心受压试验。结果表明,预留间隙并拧紧螺栓的方法能对核心混凝土有效施加预压应力,使钢板在加载前即对核心混凝土形成有效约束。相较于无约束混凝土圆柱,同条件的施加预压应力的BST约束混凝土圆柱峰值应力最大提高74.5%,且残余强度最大能保持在峰值应力的92.3%。相较于未施加预压应力的BST约束混凝土圆柱,施加预压应力的BST约束混凝土圆柱预压应力越大,峰值应力越大,最大可提高18%;径厚比越小,BST约束混凝土圆柱峰值应力越大,但随着预压应力增大,峰值应力提高的幅度降低。

钢波纹板-模袋混凝土支护结构及其在圆形竖井中的应用研究

为探究钢波纹板-模袋混凝土支护结构的施工工艺及其应用效果,通过室内单轴压缩试验研究加压排水工艺对不同养护龄期模袋混凝土强度的影响规律;然后,建立三维有限元数值模拟,开展钢波纹板-模袋混凝土支护结构第2阶段现场工艺试验,验证其结构和工艺的可行性及工程效果。结果表明:1)加压排水工艺可以显著提升模袋混凝土的早期抗压强度,轻质量模袋在加压排水中对模袋混凝土抗压强度的提升效果最佳;2)模袋混凝土能够有效地填充钢波纹板与开挖面间的空隙,模袋有助于混凝土气体与水分的排出,从而缩短凝固成型时间;3)混凝土灌注过程对钢波纹板受力影响轻微,各块波纹钢构件在工作状态下均匀受力;4)类似工程中推荐应用轻质量的涤纶长丝纺粘针刺非织造土工布模袋。

波纹钢形状与拱效应对加固盖板涵承载力的影响

为了探索波纹钢形状对加固盖板涵承载力的影响及填充混凝土的拱效应形成机制,采用室内试验与数值分析相结合的研究方法,以一个室内模型试验结果为基准,建立了72个箱形、圆弧及其之间的过渡形状的波纹钢加固盖板涵的数值模型,探明了加固体系承载力随波纹钢形状参数的变化规律;基于合理拱轴的概念,探明了填充混凝土的拱效应形成机理,并采用5个数值模型进行了验证。结果表明:拱腋半径保持不变时,加固体系的承载力随着拱顶、侧墙半径的增加而减小;拱顶、侧墙半径不变时,加固体系的承载力随着拱腋半径的增加而增大;提升加固体系承载力最有效的方式是增加拱腋半径,其次是减小拱顶和侧墙半径;填充混凝土的拱效应与荷载类型有关,当波纹钢的形状能保持拱轴连续并且在素混凝土刚性角以内时,加固体系的承载力最高。在设计波纹钢加固盖板涵结构时,应根据实际工程需要综合考虑波纹钢形状与填充混凝土的拱效应,尽量避免紧贴原盖板涵的加固设计。

建筑结构钢板热轧轧机DBN-PSO振动预报及应用

利用实时监测数据(Real-Time Monitoring Data,RMD)参数分析轧机振动状态,综合运用深度置信网络(Deep Belief Networks,DBN)与粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法构建轧机振动仿真模型,实现RMD参数的深度挖掘,并达到轧机振动的预报效果。通过融合处理能够获得非常接近实际振动过程的预测数据,具备优异预测能力。结合现场测试的初始数据预测误差在3.5%范围内,跟轧机振动情况相符。当轧制速率变慢后,振动加速度出现了降低结果;入口张力对轧机的振动加速度具有反向作用;轧机振动加速度相对出口张力表现为正相关特点;以不同宽度的轧件进行测试发现轧机振动加速度保持基本恒定的状态。该研究对提高热轧轧机运行稳定性,对保证建筑结构钢板成形精度具有很好的指导意义,可以拓宽到其它的成形设备优化领域。

温度影响下不同轴压比双钢板混凝土组合剪力墙抗震性能

研究不同温度环境下不同轴压比双钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能,以温度(40、20、-40℃)和轴压比(n=0.3、0.4、0.5、0.6)为控制参数,设计了12片剪力墙。利用ABAQUS对双钢板组合剪力墙试验进行对比验证,验证有限元结果的准确性。通过对12个剪力墙的承载能力、塑性变形能力、耗能能力、延性对比分析,探究其在代表性温度环境下轴压比对试件的抗震性能变化规律。结果表明,在相同的温度环境下,随着轴压比的增加,剪力墙的承载能力增加,延性降低。轴压比对于刚度退化的影响不明显。在20℃环境下,剪力墙的延性好于40和-40℃环境下延性。-40℃环境下,剪力墙的承载能力高于40和20℃环境。

装配式槽钢组合梁中开孔钢板连接件力学性能

为研究新型装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中开孔钢板剪力连接件(PSP剪力连接件)的力学性能,设计7组标准试件并开展推出试验,对比分析不同参数PSP剪力连接件的受剪承载力和破坏模式。利用ABAQUS非线性有限元模型对PSP剪力连接件的破坏模式和受力机制进行数值模拟,并与试验结果对比验证计算结果的可靠性。在此基础上,进一步分析开孔钢板厚度、开孔直径、混凝土强度、穿孔钢筋及连接件间距对PSP剪力连接件力学性能的影响。结果表明:除10 mm厚度的PSP剪力连接件外,所有4 mm与6 mm厚度的PSP剪力连接件均发生明显弯曲变形,试件破坏时连接件周围混凝土均出现斜向裂缝;开孔直径和穿孔钢筋对受剪承载力和抗剪刚度影响较小,而增加开孔钢板厚度、混凝土强度能提高剪力连接件受剪承载力和抗剪刚度;对于双排PSP剪力连接件,增大连接件间距能够显著提高单排PSP剪力连接件平均承载力,当间距为250 mm时,单排平均承载力达到单个PSP剪力连接件的91.2%。根据试验及有限元荷载滑移曲线提出装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中单个PSP连接件荷载滑移曲线计算公式,为装配式双拼槽钢混组合梁的设计提供参考。

双层带钢板暗支撑装配整体式混凝土剪力墙抗震性能研究

为研究带钢板暗支撑装配整体式混凝土剪力墙的抗震性能,设计制作1片双层带钢板暗支撑装配整体式混凝土剪力墙和1片双层带钢板暗支撑现浇混凝土剪力墙,其中装配整体式剪力墙内置钢板暗支撑在墙身与基础梁和上下墙身水平连接节点处采用双面角焊缝连接以适应施工时的安装尺寸冗余度要求。对试件进行低周反复加载试验,结果表明:采用双面角焊缝连接预制墙身内置钢板暗支撑可以适应较大的施工冗余度,并且保证暗支撑传力的可靠性;装配整体式剪力墙具有和现浇剪力墙等同的水平承载力、刚度退化水平和耗能能力;2个构件均为弯曲破坏,但装配整体式剪力墙在一层墙体后浇带与预制墙身接缝处也产生塑性铰。

既有RC变截面柱加固前后的力学性能

针对变截面柱加层改造处存在的外力损伤、混凝土强度变低等问题,采用增大截面法、CFRP包裹法及粘钢加固法对构件进行加固并分析其受力性能。结果表明:增大截面法、CFRP加固法及粘钢加固法使原构件轴压承载力分别提升了113%、128%、112%,使侧压承载力分别提升了105%和192%及154%,但在周期荷载作用下粘钢加固法具有较大优势;增大截面法适用于提升变截面柱轴压承载力,CFRP加固适用于提升侧压承载力及轴压承载力,但两者均不适用于提升变截面柱抗震能力。而粘钢加固法相较于前两种方法均具有普适性。

功能可恢复RCS混合框架结构研究进展

钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)混合框架结构以其结合了混凝土优异的抗压性能及钢材优异的抗弯性能而受到广泛关注,而可恢复功能结构以其震后快速恢复使用功能的能力,也成为地震工程界研究的新热点。功能可恢复RCS混合框架结构可以在弯矩较大的梁端和柱脚部位设置可更换构件,实现结构的功能可恢复能力。文中简述了近年来功能可恢复RCS混合框架结构研究进展,重点关注各类型功能可恢复钢梁、功能可恢复摇摆柱脚的构造研究,介绍了功能可恢复RCS混合框架结构性能分析研究进展。最后,对功能可恢复RCS混合框架结构仍需深入研究的问题进行了展望。

HPC端部加强双钢板组合剪力墙的抗震性能

为研究高性能混凝土端部加强双钢板组合剪力墙受力机理及破坏形态,以轴压比、腹部普通混凝土强度等级为关键参数,设计了4片普通试件,7片HPC端部加强试件,运用ABAQUS构建其有限元模型,研究其抗震性能。结果表明:同轴压比下,HPC端部加强试件相比普通试件屈服荷载提高16.30%,峰值荷载提升13.40%;随着轴压比提高,HPC端部加强试件峰值荷载和屈服荷载分别提高7.22%和2.72%,随着轴压比减小,HPC端部加强试件延性提升22.26%;提高腹部腔体混凝土强度等级,HPC端部加强试件的屈服荷载和峰值荷载分别提高13.01%和11.14%,延性提升16.91%。

窄翼缘异形柱-波纹钢板剪力墙体系的抗震性能

针对钢结构住宅凸梁、凸柱和抗侧刚度不足的问题,提出一种新型窄翼缘异形柱-波纹钢板剪力墙体系;通过与传统H形钢柱-平钢板剪力墙体系进行对比,确定内嵌波纹钢板布置方式,采用ABAQUS软件建立所提出体系的有限元模型,对所提出体系的抗震性能进行分析,探讨外部框架截面形式与布置方式、波纹钢板厚度与剪跨比等对所提出体系的抗侧承载力、耗能能力和塑性变形能力的影响。结果表明:所提出的体系具有较大的抗侧承载力和较强的耗能能力、塑性变形能力,极限抗侧承载力为设计值的1.73倍,具备一定的安全储备;横向布置的波纹钢板能有效减小其作用于框架梁柱的荷载;采用十字形异形柱使所提出的体系有更强的塑性变形能力;所提出体系中的异形柱偏肢宜沿剪力墙面内方向布置,内嵌波纹钢板厚度宜取为3~5 mm,剪跨比宜控制在1.25左右。