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。

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。

基于遗传算法的钢-竹组合工字形梁截面优化设计

以钢-竹组合构件的计算理论与设计方法为研究背景,结合结构优化设计的相关理论对钢-竹组合工字形截面梁进行优化设计。此次优化有成本最小化和抗弯刚度最大化两个目标,采用加权系数法将两个目标转化为单一优化目标,并加以承载力和构造要求的约束条件,最终建立钢-竹组合工字形截面梁多目标优化设计的数学模型。利用遗传算法搜索得到设计参数的最优解,对组合梁的含钢率、翼缘宽厚比和腹板高厚比随加权系数变化的规律及其取值进行分析研究。优化结果表明:采用遗传算法进行优化后的钢-竹组合工字形截面梁的截面参数取值合理,其中组合梁的含钢率范围在9%~20%之间;翼缘宽厚比取5左右为宜;腹板高厚比的取值不小于10且不大于40,同时高厚比随着组合梁跨度的增加逐渐减小,其中跨度较小时取30左右,跨度较大时约取15。优化设计实例表明了所采用的优化思路和优化方法对钢-竹组合工字形梁截面的优化是有效可行的。

长期荷载作用下钢-竹组合箱形柱蠕变特性

为研究钢-竹组合箱形柱的蠕变性能,设计制作了8根组合柱试件,以荷载水平、截面尺寸以及有无螺钉为参数,对其实施了长期加载试验,观测了组合柱在长期荷载作用下的变形发展,得到了蠕变-时间关系曲线以及蠕变系数,在此基础上通过确定组合柱蠕变与竹材蠕变间的关系提出了钢-竹组合箱形柱蠕变模型,并将蠕变计算值与试验值进行了对比分析。结果表明：钢-竹组合箱形柱的蠕变发展先快后慢,约在加载90 d后逐渐趋于稳定,长期持荷水平对蠕变的影响显著,截面尺寸有一定影响,而螺钉对蠕变大小基本没有影响;组合柱的蠕变系数为0.160-0.190,蠕变与试件初始变形相比处于较低水平;组合柱蠕变计算值与试验值在中后期表现出较高的吻合度,说明建立的蠕变模型可适用于预测钢-竹组合柱的蠕变发展和进行蠕变对构件力学性能的影响分析。

钢-竹组合墙体传热性能有限元分析

钢-竹组合墙体是由薄壁型钢与其左右两侧竹板条组成龙骨区域,并在其上、下顶面利用环氧树脂胶粘贴竹胶板所组成的一种节能环保型组合墙体。为探究该类墙体节能设计的有效途径,以墙体型钢高度、夹芯层填充保温材料类型和外保温系统设置情况为参数建立16种钢-竹组合墙体有限元模型,并对其中5种较为典型的墙体进行试验来验证模型的可靠性,根据各组模型模拟结果,分析其参数对组合墙体传热性能的影响。研究结果表明:有限元模拟分析结果与试验结果吻合度高,平均误差约4%,说明该模型较为可靠。钢-竹组合墙体传热系数为0.127~0.372 W/(m2·℃),低于GB 50176—1993《民用建筑热工设计规范》对于我国严寒地区的最高要求,具有优良的保温性能;聚氨酯型组合墙体的保温性能优于玻璃棉型组合墙体,增加型钢高度可提高墙体整体保温性能,挤塑聚苯板外保温系统可明显削弱组合龙骨区的热桥效应,降低组合墙体的热量损失。在实际应用中,出于经济考虑可以把夹芯层保温材料填充物减半或者控制试件厚度,以适应不同地区的节能要求。