基于剪切变形宽翼薄壁工字形梁剪滞效应的分析

分析了宽翼薄壁工字形梁竖向弯曲时的翼缘和腹板剪力流分布规律,利用剪切变形来定义剪滞翘曲位移函数,采用基于最小势能原理的能量变分法,建立了宽翼薄壁工字形梁剪滞效应分析的剪力滞控制微分方程和边界条件。以剪力滞广义位移、竖向挠度、竖直平面内转角、剪力、弯矩及剪力滞广义力矩作为6个初参数,给出了任意集中荷载作用下微分方程的初参数解。对简支工字形截面梁模型进行计算,应力和挠度计算结果与有限元较吻合,证明该方法有效。

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。

纯弯等截面焊接工字形梁整体稳定系数研究

为配合《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)的修订工作,对纯弯等截面焊接工字形梁的整体稳定系数进行了研究。对各国钢结构规范中关于梁整体稳定系数问题的计算方法做了简要介绍,比较了各国规范对焊接工字形梁稳定承载力计算结果的差异;对等端弯矩作用下等截面焊接工字形梁的整体稳定性进行了大量数值模拟,其中考虑了梁构件的初始几何缺陷及残余应力分布。通过对比正则化长细比与梁整体稳定系数曲线可以发现,现行《钢结构设计规范》在计算梁稳定系数时对构件初始几何缺陷及残余应力考虑不足,规范计算结果在较大范围内高出有限元数值分析结果,会产生不安全的设计,故建议对规范公式进行修订。

波纹钢腹板组合工字形梁静力学特性研究

研究目的:本文综合考虑组合工字形梁腹板褶皱效应、剪滞翘曲应力自平衡条件,以及铁木辛柯剪切变形等因素,研究中设置2个不同的剪滞纵向翘曲位移差函数,且以能量变分原理为基础建立工字形梁弹性控制微分方程和自然边界条件,进而开展工字形梁力学特性分析,研究获得组合工字形梁竖向弯曲力学性能的精细化分析方法。研究结论:(1)褶皱效应对工字形梁上翼板影响相对较小,而对下翼板影响较大,并且组合工字形梁剪力滞后效应突出,但均布荷载相对较小,而集中荷载剪力滞效应更加显著;(2)本文方法与传统组合结构分析理论相比较,结果显示本文理论计算精度明显提高;(3)本文方法是对现行组合结构分析理论的丰富和发展,对该类结构设计具有一定的指导作用。

局部荷载作用下工字形梁腹板的弹性屈曲分析

钢结构工程中经常遇到一定宽度的均布荷载通过翼缘传递到腹板上的情况,这种荷载称为局部荷载。本文对工字形梁腹板在局部荷载作用下的弹性屈曲进行了有限元分析,得到了不同宽度的荷载作用下工字形梁腹板的弹性屈曲系数,着重考虑了翼缘的转动约束对腹板屈曲的影响。通过数据拟合得到了物理意义明确、精度很高的计算公式。

集中荷载作用下矩形钢管高强混凝土上翼缘工字形梁屈曲分析

为获得矩形钢管高强混凝土上翼缘工字形梁的屈曲荷载和屈曲模式,文中共设计14根简支梁,考察主要参数为混凝土强度等级、钢管翼缘高宽比、腹板厚度及高度、加劲肋和跨度。利用ANSYS软件建立有限元模型,对14根简支梁开展特征值屈曲分析,获得组合梁的前5阶屈曲荷载和模式,明确混凝土强度、钢管翼缘高宽比、腹板厚度及高度、加劲肋和跨度对屈曲荷载的影响规律。结果表明增加钢管翼缘高宽比、减小跨度及设置加劲肋均会显著提高梁的屈曲荷载,增加腹板的厚度对梁的屈曲荷载影响不明显,增加腹板高度和提高混凝土强度并不能有效提高梁的屈曲荷载。为进一步开展该类组合梁的非线性屈曲分析奠定基础。

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。

工字形梁的CO2气体保护焊工艺

介绍了10t天车工字形轨道梁利用的加工制作情况。通过对其结构的焊接性能和焊接变形分析,确定了使用CO2气体保护焊的焊接方法,编制了具体的焊接工艺和变形矫正方法,并以此工艺加工制作了1台LDA10t天车的轨道梁,顺利安装投运,具备广泛的推广价值。

预应力混凝土矩形、T形、工字形梁的优化设计

本文是文献[1]的发展与完善化。同样以现行规范TJ10—74为依据。把张拉控制应力、截面高度、宽度,配筋数量及、上、下翼缘厚与梁高之比X_1,X_2、腹板与梁宽之比X_3作为设计变量。以梁的单位长度成本为目标函数。考虑了九个约束条件,对预应力混凝土矩形、T形和I字形梁进行了优化设计,对X_1,X_2,X_3采用了Powell法进行优化取值,当这三个参数确定后,即可按文献[1]中提出的可行区几何判别法与可行区几何调整法进行优化设计。

高强度钢材焊接工字形梁局部稳定性及设计

加工性能优良的高强度钢材应用日益广泛,文章重点关注高强度钢构件的稳定性能,采用合理的方法对高强度钢材工字形梁局部稳定性能进行分析,并采用通用有限元软件ANSYS模拟高强度钢材的力学性能、几何初始缺陷、焊接残余应力、初始加载偏移的有限元模型,进行局部压力加载条件下的工字形梁参数分析,以及高强度钢材工字形梁局部稳定性设计。

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。

工字形钢吊车梁上部区域疲劳性能与加固研究

在冶金工业厂房中重级制吊车的运行区域,工字形钢吊车梁腹板与上翼缘连接处经常出现疲劳损伤,对生产安全带来了极大的威胁,所以确认钢吊车梁该处发生疲劳损伤的原因并进行加固具有重要意义。本篇文章以某实际项目为例,建立全尺寸全系统的有限元计算模型,分析吊车梁腹板与上翼缘连接处出现损伤的原因,并且确定加固方案后,对比加固前后以及不同加固方案下的腹板抗疲劳性能,为吊车梁的抗疲劳设计提供有效的指导。

双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁受弯性能研究

对6个单肢冷弯薄壁型钢C形截面梁和18个双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁进行了受弯性能试验研究，考察梁跨高比、翼缘宽厚比、截面高宽比、螺钉连接间距以及腹板开孔对双肢拼合工字形截面梁破坏模式和极限受弯承载力的影响，验证双肢拼合截面梁受弯承载力具有“1×2≥2”的拼合效应，并采用ANSYS有限元软件进行数值模拟与影响因素分析。结果表明：试件的破坏模式为翼缘及腹板局部屈曲和畸变屈曲的相关屈曲形式。改变翼缘宽厚比和截面高宽比对双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁的承载力影响最大，而改变螺钉连接间距（300～600mm范围内）和梁跨高比对工字形梁的承载力影响较小。在实际工程设计中，建议腹板开孔采用圆形孔洞形式，腹板开孔截面积比例取为35％～50％之间，同时腹板开孔间距应不小于400mm。在双肢拼合工字梁受弯承载力折减强度法的基础上，提出了适用于腹板开孔双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁受弯承载力计算的强度折减修正法。

竹质复合材料工字形梁的抗弯性能试验

为了探索竹质复合材料在桥梁建筑结构方向应用的可能性,对4根竹质复合材料工字形梁的抗弯力学特性进行了初步的四点抗弯模型试验研究,其中一根模型试验梁仅配置体外钢筋而不施加预应力,另一根模型试验梁施加体外预应力,并通过试验得到了模型试验梁的屈服承载力、极限承载能力、腹板与翼缘板的连接方式与结构抗弯刚度之间的相互关系。研究结果表明:该类竹质工字形梁的破坏模式有腹板撕裂破坏和腹板受压区局部屈曲破坏;梁的整体工作性能优良,能够提供较高的承载力和结构刚度,但是其后期结构变形较大,结构延性较好,工字形梁的承载力取决于结构变形量值;另外腹板与翼缘板之间采用螺栓连接和结构胶连接的连接方式也有待于进一步深化研究。

宽翼薄壁工字形梁剪滞效应分析的能量变分法

设置了2个不同的剪滞纵向位移差函数(U1(x),U2(x))以准确反映工字形梁(b1≠b2)不同宽度翼板的剪滞变化幅度,提出了一种能对工程中常用的宽翼薄壁工字形梁力学特性进行分析的方法。该文以能量变分原理为基础,建立了工字形梁静、动力分析的控制微分方程和自然边界条件,获得了相应广义位移的闭和解。在算例中,该文解析解与板壳有限元结果吻合较好,证明了该方法的有效性。

宽翼薄壁工字形梁动力反应的能量变分法

采用四个独立的广义位移w(x,t)、θ(x,t)、u1(x,t)和u2(x,t)对宽翼缘薄壁工字形梁的动位移进行了准确描述,同时考虑剪滞翘曲应力的轴向自平衡条件,提出了一种能对工程中常用的上翼板、下翼板具有不同宽度工字形梁动力反应的分析方法。以能量变分原理为基础,推导出了工字形梁动力反应的控制微分方程和自然边界条件,获得了相应广义动位移的闭和解,据此对薄壁工字梁的动力反应特性进行了研究,揭示了工字形梁动力反应的规律。算例中,该文解析解与有限元数值解进行了比较,证明了该文分析方法的有效性。

刚性固定法焊接工字形钢梁的焊接变形控制

刚性固定法操作简单,但实践中设置加固位置时具有一定的盲目性,借助焊接模拟能否确定相对合理的加固位置有待于深入研究。把预测到最大焊接变形的模型作为无中间加固模型,把在最大焊接变形处设置刚性加固的模型作为有中间加固模型,基于ABAQUS有限元模拟平台,采用自编双椭球体热源模型的热源子程序DFLUX,并通过精细化网格划分方法建立有限元模型,基于顺序耦合的分析方法得到有、无中间加固模型的焊接应力场和应变场,进而比较分析两种模型在不同路径下的焊接残余应力和残余应变。结果表明在可能产生最大焊接变形处设置加固的方案,使焊接变形得到有效控制,且经济;采用合理的加固方案后,可以将焊接残余应力的增加幅度控制在较小范围内。

拉伸工字形截面梁腹板中心裂纹的应力强度因子

工字形梁是工程中最常见的结构,其中的任何裂纹都将成为结构失效的隐患。带有裂纹的工字形梁是典型的三维结构,用经典方法求解其裂纹的应力强度因子通常是相当困难的。利用裂纹张开能量释放率得出了一个求解拉伸工字形截面梁中心裂纹的应力强度因子的新方法。给出工字形截面梁裂纹张开能量释放率的G 积分表征,以及与应力强度因子的关系。同时也给出了G 积分与载荷、几何参量以及机械性能参数的关系,得到工字形截面梁腹板中心裂纹的应力强度因子。不仅适用于一般结构型材的裂纹问题,也适用其他有限边界薄壁结构中的三维裂纹问题。

美国高性能钢工字形钢板梁新型截面形式研究

高性能钢(HPS)在美国钢桥建设中得到了越来越广泛的应用。与传统桥梁用钢相比,HPS强度高、可焊性好、断裂韧性强、耐腐蚀耐候,较适于公路桥梁。为进一步充分利用HPS的优点,需要开发新型的优化截面形式,取代常规的箱形截面与工字形截面。介绍北美3种新型高性能钢工字形钢板梁的研发与应用情况,即:波纹腹板工字形钢板梁、钢管混凝土翼缘工字形钢板梁、双层腹板工字形钢板梁。上述新型截面形式提高了腹板稳定性,同时又易于制造、加工、安装,可以降低工程造价。

两个侧向支承下工字形钢梁临界弯矩的有限元验证

对单轴对称工字形截面钢梁在跨中布置2个侧向支承、荷载类型及荷载位置不同的情况下钢梁的整体稳定性进行研究,并利用ANSYS通用有限元分析软件中的SHELL181单元,对规范和近似解析解的精度进行验证。研究结果表明,在跨中有2个支承的条件下,钢梁临界弯矩的规范与近似解析解与FEM解答之间的误差较大,需要引起设计者和规范编制者的关注。