张弦式钢-竹组合工字形梁的短期受弯性能

为研究张弦式钢-竹组合工字形梁的受弯性能,以预应力水平、张弦及加载方式为基本参数,设计制作了12根张弦式钢-竹组合工字形梁进行受弯试验,观察分析了加载过程中组合梁的试验现象、破坏特征,探究了各参数对组合梁承载能力、应变分布、变形性能等的影响规律,并推导得出了张弦式组合梁承载力的近似计算公式。结果表明:张弦式组合梁的整体性能优良、组合效应突出,具有良好的变形性能及承载能力;张弦试件的破坏形态主要为翼缘竹材撕裂、局部钢材屈曲等破坏;施加预应力及提高预应力水平能有效增加组合梁的变形性能,以及在相同挠度控制条件下的承载能力,且采用二点张弦布置预应力筋时可获得更好的效果;张弦式组合梁跨中截面应变分布符合平截面假定,且随着预应力水平提高而中性轴下移;最后,基于理论计算得出的承载力与试验值较为接近且相对保守,近似计算公式具有较好的适用性。

钢-竹组合箱形梁抗剪性能有限元分析

为研究钢-竹组合箱形梁的抗剪性能,使用ABAQUS有限元软件建立钢-竹组合箱形梁的三维模型,重点考虑竹胶板的各向异性和屈服准则,以及钢材的弹塑性,采用双线性内聚力模型模拟钢-竹界面滑移,并与试验结果对比,分析各变量参数对钢-竹组合箱形梁抗剪性能的影响。结果表明,钢-竹组合箱形梁有限元模拟与试验得出的荷载-位移曲线吻合良好,破坏特征相似,弯剪区主应力接近,证明钢-竹组合箱形梁有限元模型的可靠性以及采用双线性内聚力模型模拟胶层单元的有效性,并以该模型为基础,对剪跨比、竹胶板和冷弯薄壁型钢厚度进行参数分析,以期为钢-竹组合结构的有限元模拟提供参考依据。

钢-LVL组合工字形梁受剪性能研究

将单板层积材(LVL)和冷弯薄壁型钢通过结构胶复合形成工字形截面的组合梁,以组合梁的剪跨比、腹板和翼缘LVL厚度为参数,对9根钢-LVL组合工字形梁进行受剪性能试验,观察其在不同荷载作用下的破坏现象、破坏形态、应力变化及挠度的发展,对受剪承载力的影响因素进行分析,并提出组合梁的跨中挠度及受剪承载力的计算方法.试验结果表明,钢-LVL组合工字形梁的整体工作性能较好,组合效应显著,其受剪承载力与剪跨比、腹板厚度及翼缘厚度有关.当剪跨比小于2.5时,试件表现为明显的剪压破坏,腹板厚度、翼缘厚度的增加以及剪跨比的减小,可以有效地提高其极限受剪承载力.提出了组合梁的跨中挠度和受剪承载力计算模型,与试验结果吻合良好,实测挠度与计算挠度误差在8%以内,受剪承载力试验值与计算值平均误差不超过10%.

装配式钢-竹组合结构建筑施工工艺及工程应用

为在广大村镇地区推动绿色建筑发展,以竹胶板、冷弯薄壁型钢为建筑材料,建造钢-竹组合结构样板房,结合本次工程项目,总结组合构件的生产工艺,包括梁、柱、楼面板、屋面板和墙体的制作、尺寸规格及构造形式,概括房屋建造的施工技术,包括构件之间的连接方式、现场拼装流程及工程重点。钢-竹组合建筑的构件之间采用钢板和螺栓的连接形式,具有半刚性的特点,抗震性能良好,房屋的建造采用工厂预制、现场装配的现代化施工技术,施工过程无污染,在材料加工、构件制作、现场拼装、居住使用及废弃处理各阶段都符合绿色建筑要求。

钢-竹组合工字形梁界面滑移及变形分析

基于初等梁变形理论和界面滑移与应变差关系,建立了钢-竹组合工字形梁界面相对滑移微分方程,推导出3种常见荷载作用下的组合梁钢-竹界面滑移和应变差解析解,在此基础上依据虚功原理提出了界面滑移引起的跨中附加挠度理论计算公式,从而形成了钢-竹组合工字形梁考虑滑移效应的跨中挠度计算方法,进一步通过6根梁的模型试验,探讨了界面应变差、界面滑移分布以及组合梁变形,并与试验结果进行了比较。理论分析和试验研究结果表明:钢-竹界面应变差的理论计算值与试验结果吻合较好,受压区和受拉区应变差分布基本相同;组合梁的纯弯区段,界面滑移曲线斜率增大,而弯剪区段则逐渐减小,界面滑移在梁端达到最大值,且在整个弯剪区段保持较大水平,因此在该区域布置连接件,可有效提高组合梁的整体工作性能;考虑界面滑移效应后的理论分析结果与未考虑滑移效应的换算截面法相比,更接近组合梁真实的变形,平均误差由11.5%减小为1.64%,随着变形的增大,基于界面滑移效应的钢-竹组合梁变形分析方法的优越性将更为突出。

圆弧扩大头隔板贯通式箱形柱-H型钢梁异型节点抗震性能试验研究

对5个圆弧扩大头隔板贯通式箱形柱-H型钢梁异型节点和1个基本型异型节点进行低周往复循环加载试验,研究圆弧扩大头构造对隔板贯通式箱形柱-H型钢梁异型节点在强震时的破坏模式、承载力、塑性转角、滞回性能、骨架曲线、刚度退化和耗能性能等抗震性能的影响规律。试验结果显示,基本型异型节点在刚度较大、几何变化剧烈(应力集中严重)的大截面梁翼缘对接焊缝侧边开裂,节点的塑性转角约为0.015rad,达不到FEMA要求的0.03rad。圆弧扩大头异型节点在隔板圆弧扩大区形成塑性铰,节点的塑性转角达到0.033~0.044rad,承载力和耗能性能较基本型异型节点分别提高41.7%~53%和173%~500%。隔板圆弧扩大区屈曲、对接焊缝延性拉断、贯通式隔板与柱壁板间焊缝剪切破坏、梁腹板焊接孔开裂是圆弧扩大头异型节点的主要破坏模式。隔板圆弧扩大头构造和梁翼缘对接焊缝移至远离节点区的措施,缓和了节点区焊缝过于密集和焊接热影响区的交叉影响,规避了梁翼缘对接焊缝处的几何突变(应力集中)和过早脆断。此次试验的隔板贯通式箱形柱-H型钢梁异型节点,大截面梁均先于小截面梁断裂,且均未出现以往内隔板式节点试验中常见的柱壁板间焊缝撕裂现象。

长期荷载作用下钢-竹组合柱的力学性能

为研究钢-竹组合工字形柱(以下简称组合柱)在长期荷载作用下的力学性能,设计制作了18个组合柱试件,依次对其实施一次加载试验、长期加载试验与二次加载试验,观测并分析试件的蠕变过程,研究组合柱承载力与形变的影响因素及其变化规律.结果表明:组合柱有良好的整体性与承载能力,加载至60 d时蠕变变形已达蠕变总量的90%,Burger模型可以准确地描述组合柱的蠕变过程;长期荷载作用后,组合柱的延性与极限应变明显提高,极限承载力受长期荷载作用影响较小,承载力与延性随着含钢率的增加显著提升.

往复加载下隔板贯通式箱型中柱-削弱型H型钢梁节点破坏机理研究

为研究箱型柱-H型钢梁节点在强震时的脆断机理和延性节点构造,对4个隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁节点试验（1个常规节点和3个对接焊缝扩大头及梁翼缘圆孔削弱型节点）进行了低周往复循环加载试验和基于结构钢椭球面断裂模型及偶联的椭球面屈服模型的断裂分析.结果表明：隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁常规节点在应力高度集中的梁翼缘对接焊缝处脆断;扩大头构造消除了对接焊缝沿梁翼缘宽度的几何突变,降低了对接焊缝的应力集中程度和脆断风险;梁翼缘上开设的圆孔构造促使塑性铰形成于远离节点区的梁削弱截面;对接焊缝扩大头及梁翼缘圆孔削弱型节点的承载力较常规节点降低5.5%~9.4%.

长期荷载作用下钢-竹组合楼板的力学性能

为构建人与自然和谐发展的理念,提出一种由冷弯薄壁型钢与竹胶板组成的环保型组合楼板,研究此种钢-竹组合楼板在长期荷载下的力学性能。采用有无紧固件为试验参数,制作试件并进行长期荷载试验,分析钢-竹组合楼板的挠度随时间的变化规律以及型钢与竹胶板的应变随时间的变化规律;同时对卸载后的钢-竹组合楼板进行二次抗弯试验,并和短期试件的抗弯试验比较。研究表明:长期荷载作用下,钢-竹组合楼板蠕变值不大,型钢与竹胶板的应变变化趋势一致,试件在长期荷载作用后承载力衰减约7%,说明钢-竹组合楼板能充分发挥两种材料的力学性能特点,具有良好的整体性能和承载能力;通过理论推导,推出钢-竹组合楼板的短期刚度计算公式,并提出长期刚度建议公式和挠度计算方法,其理论值与试验值吻合较好。

薄壁型钢-重组竹组合工字形梁受剪性能研究

本文提出组合效应更好的薄壁型钢-重组竹组合工字形梁,薄壁型钢-重组竹组合工字形梁是将冷弯薄壁型钢与重组竹通过结构粘合剂或者结构粘合剂加自攻螺钉复合而成。以剪跨比、型钢厚度、腹板厚度和腹板高度等为参数进行12根组合梁的受剪性能试验,观测组合梁破坏过程、变形特征和分析受剪承载力的影响因素,并提出组合梁受剪承载力计算公式。研究结果表明,薄壁型钢-重组竹组合工字形梁整体工作性能良好,组合效应显著,具有较高的受剪承载力;组合梁的受剪承载力主要受剪跨比影响,随着剪跨比的增大其受剪承载力降低,当剪跨比较小时试件发生剪切破坏,随着剪跨比的增大组合梁破坏形态由剪切破坏过渡到弯曲破坏;本文提出的组合梁受剪承载力计算公式所得结果与试验结果之间吻合良好。

基于不同种类竹板的钢-竹组合梁受弯性能对比分析

冷弯薄壁型钢分别与重组竹、竹胶板通过结构粘结剂复合成工字形组合梁,以竹板厚度、梁截面高度、薄壁型钢壁厚及翼缘宽度为参数,对冷弯薄壁型钢-重组竹组合梁、冷弯薄壁型钢-竹胶板组合梁这两种试件进行弯曲性能试验,围绕组合梁破坏形态、整体性能差异、承载力能力及其影响因素、短期集中荷载作用下变形情况进行比较。结果表明,两种钢-竹组合梁试件整体工作性能均表现良好,组合效应突出,具有较高的承载力及良好的延性;冷弯薄壁型钢-重组竹组合梁破坏形态比较单一,与此相比冷弯薄壁型钢-竹胶板组合梁破坏形态则较为多样;组合梁抗弯承载力与材料力学性能密切相关,同时随着竹板厚度、梁截面高度、薄壁型钢壁厚及翼缘宽度的增加,承载能力有效提高,且在同等情况下冷弯薄壁型钢-竹胶板组合梁提高的幅度明显大于冷弯薄壁型钢-重组竹组合梁;两种组合梁按编号对应相比较,试验参数基本相同的条件下,冷弯薄壁型钢-重组竹组合梁的正常使用极限状态和承载能力极限状态下的承载力均高于冷弯薄壁型钢-竹胶板组合梁,平均提高约35%。

长期荷载作用对钢-竹组合梁力学性能影响

为研究钢-竹组合工字形梁经历长期荷载作用后的力学性能,以竹胶板厚度、钢板厚度、含钢率为参数设计2组共12个试件,其中一组经过1 a的长期荷载作用后进行受弯破坏试验,另一组直接进行短期受弯试验,对比研究长期荷载作用对组合梁极限承载力衰减、挠度变形、构件延性、截面应变等方面的影响;同时基于有效惯性矩法对组合梁破坏时的挠度进行计算分析.结果表明:组合梁破坏试验现象与其含钢率有关,一般表现为下翼缘竹胶板脱胶开裂,随着含钢率的增加,组合梁破坏范围逐渐向上部扩散;长期加载后,组合梁延性发生改变;竹胶板长期受拉或受压对组合梁的影响基本相同,组合梁中性轴位置未发生改变;组合梁极限承载力衰减程度与竹胶板厚度、钢板厚度、含钢率均有关;由挠度计算公式得到的计算值与试验值吻合较好,误差均在10%以内.

竹材组合结构全生命周期成本分析

竹材组合结构是将冷弯薄壁型钢和竹胶板利用结构胶黏剂组合而成的一种新型结构形式,工程应用中具有组合效应突出、材料轻质环保、抗震性能优越、施工速度快、综合效益好等优良特点。笔者基于现阶段竹材组合结构的设计方法,综合考虑建造阶段、使用阶段和拆除处置阶段,对竹材组合结构样板房全生命周期成本进行计算,并将其与钢筋混凝土结构进行对比,分析该结构形式的经济性。由分析结果得出以下结论:竹材组合结构建造阶段的成本支出主要集中在材料费用支出,竹胶板、型钢和胶黏剂的费用支出分别占49.8%、34.0%和16.2%;使用阶段的成本为钢筋混凝土结构的67.0%,而处置阶段成本仅为钢筋混凝土结构的4%左右,并且在其整个生命周期成本中可忽略不计。在设计使用年限内,竹材组合结构全生命周期成本约为混凝土结构的75.7%,具有长远的经济效益。

基于有限元模拟的钢-竹组合梁柱节点胶层力学性能研究

利用ABAQUS有限元软件建立了钢-竹组合梁柱节点的三维模型,并采用双线性内聚力模型建立了胶层单元,与试验进行了对比,分析了组合节点胶层界面的应力变化和刚度退化.结果表明:建立的有限元模型能很好地模拟钢-竹组合梁柱节点的加载过程,验证了双线性内聚力模型模拟胶层的有效性,加载过程中胶层应力呈现出两端大、中间小的特点,胶层从两端开始失效,逐渐向中部延伸,胶层的失效是极少数的、局部的,与试验所得的现象吻合良好.在胶层完全失效前,设置胶层模型的荷载—位移曲线与整体建模的荷载—位移曲线基本一致,两者极限承载力相差仅为0.63%.因此,对模型进行了简化,胶层失效前钢材和竹胶板可视为一个整体,将钢材与竹胶板绑定,采用整体建模的方式,对钢-竹组合构件进行分析,为后续进行钢-竹组合结构的模拟提供了参考.

预应力钢-竹组合工字形梁受弯性能有限元分析

采用有限元软件ABAQUS对预应力钢-竹组合工字形梁的受弯性能进行了三维非线性有限元分析,模型中考虑了重组竹的各向异性和屈服准则,引入内聚力单元模拟了钢-竹界面的黏结滑移,并将模拟结果与试验结果进行了对比,探讨了预应力大小对组合梁受弯性能的影响规律。结果表明:模拟与试验中,预应力钢-竹组合工字形梁的破坏特征及荷载-挠度曲线基本一致,容许承载力及最大跨中挠度吻合较好;配置预应力筋可提高组合梁的刚度,但随着预应力值的增大,组合梁刚度无明显变化,而极限承载力及变形能力提高,钢-竹界面胶层破坏情况延缓,当预应力过大时会导致组合梁钢-竹界面过早脱胶、极限承载力降低,为了满足承载能力和变形性能的要求,建议预应力施加值为普通钢-竹组合工字形梁的容许承载力值。

钢-竹组合双室箱形梁受弯性能有限元分析

钢-竹组合双室箱形梁是由冷弯薄壁型钢与重组竹通过结构胶黏结而成的一种组合梁,两者材料共同受力、协调变形,具有优异的受弯性能。在试验研究基础上,通过ABAQUS软件进行三维建模与有限元分析,并以内聚力模型模拟材料接触面的相互作用,将模拟结果与试验结果进行对比以验证模型可靠性,并对组合梁受弯性能进行参数分析。结果表明,有限元模拟结果与试验结果失效特征相似,跨中最大挠度变化规律相近,容许挠度与试验极限荷载下挠度平均误差小于5%;增加组合梁翼缘厚度、翼缘宽度、腹板高度以及型钢厚度可以有效提升抗弯刚度及受弯承载能力;此外,在一定范围内增加腹板高度,组合梁材料利用效率更高,即每增加1 kg使用量,容许荷载和极限荷载将分别提升6.20 kN和9.34 kN。

折线隔板加强的箱形柱-翼缘削弱箱形梁与H形梁节点抗震性能试验研究

对5个折线隔板加强的隔板贯通式箱形柱-翼缘削弱箱形梁与H形梁异型节点和1个基本型隔板贯通式异型节点进行拟静力试验,研究折线隔板扩大头和箱形梁翼缘削弱型隔板贯通式箱形柱-箱形梁与H形梁异型节点的破坏模式、滞回性能、承载力、塑性转角、刚度退化和耗能能力等。试验结果表明:基本型异型节点在几何尺寸变化剧烈(应力高度集中)的箱形梁翼缘对接焊缝侧边开裂,节点的塑性转角约为0.014 rad,达不到FEMA要求的0.03 rad;折线隔板扩大头异型节点的塑性转角达到0.032~0.046 rad,承载力和耗能能力较基本型异型节点分别提高22.2%~64.3%和6.32~9.94倍;箱形梁翼缘与隔板对接焊缝断裂、隔板与柱壁板间焊缝剪切撕裂是折线隔板扩大头异型节点的主要破坏模式;试验的隔板贯通式箱形柱-箱形梁与H形梁异型节点显示,刚度较大的箱形梁翼缘对接焊缝均先于H形梁断裂。

圆弧扩大头狗骨隔板贯通方钢管混凝土柱-H形钢梁节点抗震性能分析

对圆弧扩大头狗骨隔板贯通方钢管混凝土中柱-H形钢梁节点和常规节点进行了循环加载试验,对比研究了圆弧扩大头狗骨隔板对方钢管混凝土柱-H形钢梁节点抗震性能的影响,对节点试验试件进行了基于结构钢椭球面断裂模型和屈服模型的强震灾变分析。结果表明,隔板贯通方钢管混凝土中柱-H形钢梁节点起裂于梁腹板工艺孔处,节点域核心区混凝土形成"斜压短柱"效应,直至节点破坏时,核心混凝土未发生压碎或拉裂破坏。常规节点脆断于几何变化剧烈、应力高度集中的梁翼缘对接焊缝边缘,节点塑性转角约为0.016 rad。圆弧扩大头狗骨隔板构造消除了梁翼缘对接焊缝处的几何突变,促使塑性铰形成于远离节点区的梁削弱截面。圆弧扩大头狗骨节点的塑性转角可达到0.033 rad^0.041 rad,耗能性能和承载力较常规节点分别提高72%~86%和下降9.6%~12.6%。

隔板贯通方钢管柱-H型钢梁异型节点强震突变机理分析

为研究隔板贯通方钢管柱-H型钢梁异型节点强震灾变机理和延性节点构造,对常规异型节点进行了低周往复循环加载试验和基于结构钢椭球面断裂模型及偶联的椭球面屈服模型的断裂分析.结果显示,常规异型节点在大截面梁翼缘对接焊缝边缘开裂,节点的塑性转角约为0.015rad,达不到FEMA要求的0.03rad.提出隔板圆弧扩大头节点构造并进行数值分析,结果表明,扩大头构造消除了对接焊缝沿梁翼缘宽度的几何突变,降低了对接焊缝的应力集中程度和脆断风险,塑性转角均达到了0.03rad,承载力较常规异型节点提高15.9%~39%.

钢-竹组合结构梁柱耗能节点抗震性能试验研究

为进一步提高钢-竹组合结构抗震性能,提出自变形耗能节点、翼缘摩擦型耗能节点、转动摩擦型耗能节点与后张预应力耗能节点的构造方法,设计制作了9个节点试件,并对其实施低周反复加载试验,观测节点变形形态与破坏特征,得到节点梁端位移-荷载滞回曲线与骨架曲线,并探讨骨架曲线特征点计算方法,分析各类型耗能节点的承载力、刚度、延性、耗能水平与转动性能,并与设置带肋T形连接件的节点进行对比。结果表明:各类型耗能节点构造合理,具有较高的承载力、安全储备与良好的滞回耗能水平;CSIRO法与CEN法可较好地预测自变形耗能节点、翼缘摩擦型耗能节点与后张预应力耗能节点的屈服荷载,几何法、等能量法与最远点法适用于转动摩擦型耗能节点屈服荷载的测算;各耗能节点均为中高延性节点,具有与带肋T形连接件节点相当的初始转动刚度与大于0.03 rad的塑性转角;与带肋T形连接件节点相比,耗能节点位移延性系数提升了13.05%~63.48%,转动摩擦型耗能节点与后张预应力耗能节点的屈服转角与塑性转角提高了27.23%~86.85%。