基于拉压杆模型的装配式混凝土挡墙结构设计方法

为了研究装配式混凝土箱体挡墙结构在水压力和土压力共同作用下的受力机理,提出了一种基于拉压杆模型的装配式混凝土挡墙结构设计方法.以体积和应变能为优化目标,采用Tosca软件对数值模拟得到的主要受力骨架进行拓扑优化.构建拉压杆模型,结合箱体挡墙结构的破坏机理,分析并推导出侧墙受压、临水面挡墙和集束连接受拉3种主要破坏模式的承载力公式.实际工程对比分析结果表明:进行900次模型优化后,优化形态和应变能基本保持不变;基于拉压杆模型的装配式混凝土箱体挡墙结构的承载能力低于规范值和有限元模拟值,但误差均保持在16%范围内,从而验证了该方法的合理性.

焊接锚垫板锚固区拉压杆模型及配筋设计

针对焊接锚垫板齿板锚固区配筋,提出了一种锚固区新型拉压杆模型。首先对齿板锚固区6种典型效应、主应力迹线以及力流平衡关系进行分析并建立新型拉压杆模型,其次通过美国国家公路与运输官员协会(American Association of State Highway and Transportation Officials,AASHTO)Load-and-resistance Factor Design Bridge Design Specifications、Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary(ACI 318-19)、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)和欧洲设计建议Practical Design of Structural Concrete进行拉压杆模型参数定量化设计,根据拉压杆几何关系推导出焊接锚垫板齿板锚固区劈裂力计算式,利用有限元分析,拟合出焊接锚垫板下齿板锚固区劈裂力合力重心计算式。最后通过算例分析,按本文建议的拉压杆方法进行焊接锚垫板齿板锚固区结构配筋设计,能较好地控制锚下典型效应问题,相比《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)给出的设计方法,拉压杆模型法能较好地反映结构传力机制且具备可行性和可应用性,可为焊接锚垫板齿板锚固区配筋设计提供参考。

铝合金-混凝土组合梁抗剪承载力计算方法

为了改善部分外包混凝土组合梁在使用中腐蚀生锈、钢筋混凝土劣化等问题,本文提出了铝合金-混凝土组合梁的结构形式,建立了有限元模型并进行参数分析,分析了铝合金-混凝土组合梁抗剪承载力在不同参数下的变化规律。根据改进拉压杆计算模型得到混凝土的应力传递路径,采用叠加法提出考虑铝合金梁腹板和腹部混凝土抗剪贡献的铝合金-混凝土组合梁抗剪承载力计算公式。研究结果表明:公式计算值与有限元值比值的平均值为1.018,标准差σ为0.151,表明该计算公式离散性较小,具有可行性,可以为相关研究提供理论参考。

基于双线性类桁架材料模型的拉-压杆拓扑优化设计

拉-压杆模型是复杂钢筋混凝土结构配筋设计的标准方法之一,采用拓扑优化建立复杂应力区域的拉-压杆模型具有十分重要的意义.渐进结构优化类算法和各向同性材料惩罚模型类算法已经广泛应用于此类研究,这些算法的优化对象为各向同性的等厚度带孔板,其本质是在最优解附近寻找近似解.此外,由于应力-应变曲线不光滑的特性给求解优化问题带来困难,现有拉-压杆构建方法很少考虑材料拉压性能不同对最优拓扑产生的影响.本文提出了一种基于双线性类桁架材料模型的拓扑优化算法,以寻求复杂混凝土结构中拉-压杆的最优拓扑构型.该方法以结点位置正交杆件的密度和方向作为设计变量,拉伸区和压缩区的材料特性分别与钢筋的拉伸模量和混凝土的压缩模量一致.采用材料替换方法克服拉压异性模量引起的非线性问题,并给出了单元刚度矩阵的修正方法.优化问题采用基于灵敏度信息的迭代算法求解.数值算例表明,结构拉压性能差异对最优拓扑结构产生显著影响.与现有基于单元密度的优化方法相比,所提方法能够准确描述复杂应力状态下的材料最优分布场,计算效率提高约26%,同时给出更多材料分布细节.

基于改进简化拉-压杆模型的钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力计算方法

在简化拉-压杆模型(Simplified softened strut-and-tie model,SSSTM)基础上,考虑轴压比对混凝土斜压杆倾角的影响,修正斜压杆倾角计算公式,并基于剪滞模型,考虑裂缝面纤维数量及纤维取向特性,建立裂缝面单位面积纤维拉应力计算公式,从而提出适用于钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力计算的改进简化拉-压杆模型(Modified simplified softened strut-and-tie model,MSSSTM).采用MSSSTM模型、SSSTM模型对36个钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力进行计算.结果表明:MSSSTM模型、SSSTM模型的试验值与计算值之比的平均值分别为1.01、1.05,变异系数分别为0.04、0.09;按照MSSSTM模型计算得到的钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力试验值与计算值吻合较好,离散性较小,且该模型亦能较合理地反映轴压比、混凝土强度等对节点受剪承载力的影响.

钢企口连接的预制叠合主次梁节点受力性能试验研究

为研究采用钢企口连接的预制叠合主次梁节点受力性能,设计了一个钢企口连接的预制叠合主次梁节点试件和一个整浇主次梁节点试件,进行静力加载试验,考察两试件的破坏模式、承载力、变形能力、荷载-悬臂端挠度关系、钢筋应变和钢企口栓钉应变等。研究结果表明:钢企口连接的预制叠合次梁的裂缝主要集中在主次梁交界面、次梁固端至钢企口范围内和次梁底部,表现为次梁固端弯曲破坏;钢企口连接的预制叠合次梁的开裂荷载和屈服荷载可基本等同整浇次梁,正截面受弯承载力比整浇次梁提高约100%;梁端荷载小于80kN时,钢企口近端栓钉受压、远端栓钉受拉,梁端荷载大于80kN时,钢企口各栓钉应力突增;钢企口连接的预制叠合次梁的正截面受弯承载力实测值与《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)计算值的比值为109,可按规范计算值预测其正截面受弯承载力;拉-压杆模型计算得出钢企口连接的预制叠合次梁的破坏模式为拉杆破坏(受弯破坏)。

拓扑优化-拉压杆模型方法设计钢筋混凝土开孔深梁的仿真研究

为了提高钢筋混凝土深梁设计的合理性,提出一种拓扑优化-拉压杆模型(strut-and-tie model, STM)设计方法,并展开与中国现行规范推荐的经验设计方法的对比研究。共设计了3组6根钢筋混凝土开孔深梁,开展了相应的非线性有限元静力仿真。结果表明,采用拓扑优化-STM方法设计的构件不仅能在减少15%~25%钢筋用量的情况下提升20%以上的承载力和30%左右的变形能力,而且可以减少孔洞角部等应力较大处的混凝土拉损伤,提升这些部位钢筋的利用率。因此,拓扑优化-STM方法可为日后的钢筋混凝土开孔深梁设计提供参考。

基于拓扑优化和缩尺试验的小宽厚比独柱式桥墩帽梁力学性能研究

由于小宽厚比独柱墩帽梁属于典型的应力扰动区构件,内部受力较为复杂,普通独柱墩帽梁的设计方法可能对其不适用。对小宽厚比独柱墩帽梁模型进行拓扑优化,分析小宽厚比独柱墩帽梁的空间受力特征,根据拓扑优化结果建立小宽厚比独柱墩帽梁的空间拉压杆模型基本构形,并根据最小应变能准则提出了确定其最优构型的方法。针对目前对小宽厚比独柱墩帽梁试验研究较少的现状,进行缩尺模型试验,研究其竖向静载作用下的受力特性。结果表明:在横桥向,帽梁顶部在双支座荷载下具有最大拉应力;在顺桥向,帽梁中间位置拉应力最大,帽梁的顶部拉应力低于中部,帽梁底部则表现出受压的趋势。由于未考虑顺桥向的力流扩散,根据相关规范中拉压杆模型设计方法计算得到的内力值与试验结果相差较大,说明规范法不适用于小宽厚比独柱墩帽梁的设计。试验结果的应力分布情况与根据拓扑优化结果提出的空间拉压杆模型一致,并且采用空间拉压杆模型计算得到的拉杆应力值相比规范法更加合理,证明本研究所提的空间拉压杆模型基本构形以及确定最优构型方法的合理性。

转体施工桥梁桩基内力的非均匀性及调控

为研究转体工况下桥梁承台处于单点受力模式时群桩桩基内力分配非均匀性及其影响因素,本文以跨襄北编组站转体施工斜拉桥为例,建立弹性支撑拉压杆模型计算桩基反力,分析承台厚度对桩基内力分配非均匀性的影响。建立承台-桩基有限元模型计算转体工况下桩基内力及分布规律,并与实测结果进行对比,研究柔性承台施加预应力对桩基内力分配的影响。结果表明:承台相对刚度系数大于4时,满足刚性承台要求,群桩内力相对均匀分布;当承台相对刚度系数小于等于4时,为半刚性或柔性承台,群桩内力表现为中心桩大于四周桩的非均匀性,且相对刚度系数越小,非均匀性越显著;对半刚性及柔性承台合理施加纵横向预应力,能够有效改善群桩内力分配不均匀性的问题。

矮塔斜拉桥索鞍区模型试验及设计探讨

为研究矮塔斜拉桥的双套管索鞍对连续通过拉索的粘结锚固性能,探讨索鞍区的合理构造设计方法,结合一座矮塔斜拉桥工程,在国内首次进行了索鞍区的节段足尺模型试验.模型平面轮廓尺寸为3m×2m,高2.8m;斜拉索由31根15.2mm环氧涂层钢绞线组成,选取了双套管索鞍的2种粘结锚固构造.通过对单侧拉索的低周反复加载,测试了不平衡索力的传递程度;此外还对索鞍区混凝土连续体的受力特征进行了分析研究.结果表明,这2种粘结锚固构造均有较强且稳定的抗滑移效果;在索鞍区设计方面,探讨了便于更换拉索的构造,并建议在套管外布置螺旋箍筋,并根据拉压杆模型所揭示的力流配置套管下的受拉钢筋.

结构混凝土拉压杆模型法配筋设计

对于钢筋混凝土结构 ,现行规范通常采用以截面为分析对象的极限状态法 (即截面内力法 )进行设计。此方法对于结构的有些区域比较适用 ,但对有些区域就不合理 ,甚至不能用此方法设计。近年来 ,欧美国家提出一种在有限元分析基础上适用于混凝土结构各部位配筋设计的拉压杆模型法 ,但国内对此方法还缺乏系统研究。该文主要介绍它的设计原理、一般准则及具体步骤 ,以引起国内学者的关注与兴趣 ,共同研究与探讨 ,推动我国在此方面的研究工作。

拉压杆模型在混凝土梁桥中应用与研究进展

在介绍拉压杆模型的概念和构形的基础上,讨论了混凝土梁桥中的常见D区和拉压杆模型的应用原理和构建准则,给出了应用该方法进行结构D区设计的一般步骤,作为示例,应用拉压杆模型方法并参照美国AASHTO LRFD(2004)规范,对一较典型的预应力齿板锚固区进行了配筋设计。阐述了拉压杆模型的起源、研究现状与进展,概括分析了当前国际上的研究动态和有待深化研究的方向。

体外预应力桥梁锚固结构的受力性能与配筋研究

通过两座不同截面类型的体外预应力桥梁锚固结构的空间应力分析,获得了其应力分布特点,指出了其薄弱环节。探讨了角钢、锚垫板、体外预应力钢管对锚固结构受力性能的影响。根据力流传递形式结合拉压杆模型方法,建立了锚固结构拉压杆配筋计算模型,提出了配筋建议。分析表明:在锚固结构与梁交接部位设置角钢,能有效地降低该位置混凝土的应力集中;按弹性材料分析得到的锚固结构附近区域混凝土的各应力值均不同程度地超出设计强度的若干倍,但考虑材料的非线性,考虑角钢、锚垫板、体外预应力钢管、钢筋网以及分布钢筋的作用,锚固结构混凝土的局部应力大为降低,满足规范限值要求。

高强轻骨料混凝土深受弯构件受剪性能试验研究

完成集中荷载作用下8根剪跨比0.26~1.04、跨高比为2和3的LC40级高强轻骨料混凝土简支深受弯构件受剪性能试验,分析该类混凝土深受弯构件的破坏过程、荷载-跨中挠度曲线、破坏形态以及钢筋应变等;重点研究剪跨比、跨高比对该类构件开裂荷载、极限荷载及破坏形态的影响;采用我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中深受弯构件承载力计算方法对本次试验8根试件进行计算,并与采用拉压杆模型的美国、加拿大和欧洲三个规范的计算结果进行对比分析。研究表明:该类混凝土深受弯构件主要发生剪切破坏和弯剪破坏两种典型破坏形态,随剪跨比增大,试件极限承载力显著减小,并且试件的弯曲效应逐渐明显,破坏形态随剪跨比和跨高比的增大逐渐由剪切破坏向弯剪破坏转化;采用拉压杆模型计算该类试件承载力较为合理,计算结果与试验值较为接近,而我国《混凝土结构设计规范》计算结果与拉压杆模型计算结果相比较为保守,尤其是对于跨高比为2的深受弯构件(深梁)。

基于软化拉压杆模型的钢筋钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力计算方法

在分析钢筋钢纤维混凝土梁柱节点受剪机理的基础上,提出由斜压杆、水平和竖向抗力机构组成的钢筋钢纤维混凝土梁柱节点软化拉-压杆模型,明确混凝土、钢纤维、箍筋对节点受剪承载力的贡献,建立钢筋钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力计算方法,并通过低周反复荷载下钢筋钢纤维高强混凝土梁柱节点和钢筋钢纤维普通强度混凝土梁柱节点的试验结果进行验证。结果表明:混凝土中乱向分布的钢纤维可等效为数量相等的水平和垂直配筋;节点受剪承载力随钢纤维体积率、柱端轴压比、核心区配箍率以及核心区垂直配筋在一定范围内的提高有增大趋势;建立的梁柱节点受剪承载力计算模型和方法能较好地分析和预测钢筋钢纤维混凝土梁柱节点的受剪承载力。

基于简化拉压杆模型的钢筋混凝土框架异型节点抗剪性能研究

在以往试验研究的基础上,建立了框架异型节点等效核心区在剪、压复合作用下的计算模型,应用简化拉压杆模型方法对等效核心区进行了受力分析。研究表明:基于简化拉压杆模型方法计算得到异型节点的抗剪承载力与现行规范建议方法计算结果相当,但简化拉压杆模型方法有明确的力学计算模型,基于该模型计算得到的抗剪承载力与试验结果吻合较好。在此基础上应用简化拉压杆模型方法就轴压力变化对异型节点受力性能的影响进行了初步分析。

薄壁花瓶墩的拉力计算实用方法

采用ansys有限元分析方法和应力迹线相结合的方法对薄壁花瓶墩建立"拉-压杆模型",提出了适用于薄壁花瓶墩的拉力计算实用公式,并探讨了影响薄壁花瓶墩"拉-压杆模型"中拉杆的抗力的相关因素,为薄壁花瓶墩设计和验算提供了有效而简便的计算方法.

PE-ECC短梁抗剪性能研究

设计制作了一根高强混凝土短梁和两根PE-ECC短梁,完成了其抗剪性能试验,通过应用拉-压杆方法、有限元方法及规范方法对其进行了抗剪承载力计算.结果表明:三根短梁均发生了剪切破坏,但剪切破坏形态并不相同,高强混凝土短梁发生剪压破坏,PE-ECC短梁发生弯剪破坏;与高强混凝土短梁相比,PE-ECC短梁的初裂荷载和极限荷载均有较大幅度提高,显示了较好的剪切延性;拉-压杆方法及有限元方法计算的抗剪承载力数值与实测值吻合良好,而规范方法计算值偏小,过于保守.

拉-压杆模型在钢筋混凝土深梁设计中的应用

为完善中国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)中关于钢筋混凝土深梁的承载力设计方法,根据美国ACI 318M—05规范D区拉-压杆模型方法,按中国规范的设计表达式,提出了钢筋混凝土深梁承载力的拉-压杆模型计算方法。基于所收集到的各国52个受剪破坏和29个受弯破坏的深梁试验数据,分别采用拉-压杆模型方法和中国GB 50010—2002规范深梁承载力计算方法,对试验结果进行了对比分析。结果表明,拉-压杆模型方法的计算结果比中国GB 50010—2002规范方法更准确。

预应力混凝土T梁桥端部锚固区拉压杆模型及配筋设计

根据有限元应力分析结果,抽象出力流传递路径,提出了T梁端部锚固区拉压杆模型的构形方法.通过对劈裂应力的数值积分,计算合力作用点位置,并将其作为拉杆位置确定的依据.分析表明,由于T梁端部锚固力的合力对截面形心的偏心距不大,劈裂应力合力作用点至锚固端的距离与梁高的比值,基本不受锚下预加力大小、梁高以及翼板宽度变化的影响,大小稳定在0.67~0.69之内.最后,应用该构形方法,得到了跨度为20~50m的T梁端部锚固区拉压杆模型,将由拉压杆模型计算出的劈裂力大小与精细化有限元分析结果进行了比较,其比值分布在1.16~1.34范围之内,由此可见,由拉压杆模型给出的劈裂力计算值与有限元分析结果之间相差不大,且偏于安全.