栓钉型弧形双钢板混凝土组合板的抗爆性能试验与数值分析

弧形双钢板混凝土组合结构由钢板、混凝土与连接件协同作用,具有更优异的抗震和抗爆性能,被应用于超高层结构、海洋平台和核电设施中。利用试验和数值分析方法研究了栓钉型弧形双钢板混凝土组合结构的破坏模式和损伤机理,参数化分析了爆炸距离、钢板厚度、拱高和栓钉间距对其抗爆性能的影响。结果表明:在爆炸荷载下,栓钉型弧形双钢板混凝土组合板整体表现良好,仍具有较高的承载能力。增加爆炸距离和钢板厚度能有效减小混凝土的损伤和组合板的跨中挠度;减小拱高,混凝土损伤区域从以压缩破坏为主逐渐转换为以拉伸破坏为主,混凝土损伤更严重,组合板跨中挠度变大;减小栓钉间距会增大混凝土塑性损伤程度,但组合板的跨中挠度减小。研究结果可为弧形双钢板混凝土组合结构的设计提供参考。

压型钢板-混凝土组合板纵向抗剪性能研究进展

压型钢板-混凝土组合板具有承载力高、自重轻、施工便捷等优点,广泛应用于工业厂房、高层建筑及桥梁中。压型钢板-混凝土组合板的纵向抗剪性能是一个重要的研究方向,通过其对理论研究、试验研究以及数值模拟研究三方面进行梳理,分析了目前国内外压型钢板-混凝土组合板纵向抗剪性能的研究成果。结果表明:目前对组合板的纵向抗剪性能研究主要是以试验与数值模拟相结合的方式,基于试验结果建立的有限元模型,能够有效模拟组合板的受力状况。并基于研究现状,对压型钢板-混凝土组合板进一步的研究方向和思路提出建议,以期对下一步的研究应用提供参考。

单钢板-混凝土组合板承载性能分析

为研究单钢板-混凝土组合板在公路桥梁中的应用,提出一种新的钢板与混凝土板组合形式。通过对其进行仿真模拟结合静力试验,研究其裂缝发展模式和破坏形态,分析该模式组合板受弯承载性能。试验结果表明:试件破坏模式为弯剪混合破坏,在试验过程中,试件截面纵向应变沿组合板高度上基本符合平截面假定,在破坏前有明显的变形特征,且承载性能较好。可见该形式的组合板基本能满足使用需求,对实际工程组合板的选型有一定的参考意义。

接触爆炸作用下双波纹钢板混凝土组合板抗爆性能数值研究

相较于普通的双钢板混凝土组合板,双波纹钢板混凝土组合板具有更大的平面外抗弯刚度、抗压承载力与抗剪承载力,在超高层建筑、海洋平台等结构中具有广泛的应用潜力。首先建立了双波纹钢板混凝土组合板有限元模型,利用ANSYS/LS-DYNA非线性软件对双波纹钢板混凝土组合板的破坏模式和爆炸响应进行了数值分析,并与双钢板混凝土组合板接触爆炸试验进行对比,验证了数值分析方法的准确性。参数化分析了波纹对齐方式、波纹深度和波纹密度对双波纹钢板混凝土组合板抗爆性能的影响规律。结果表明,接触爆炸作用下,双波纹钢板混凝土组合板的抗爆性能优于普通双钢板混凝土组合板的抗爆性能,钢板采用螺栓间上凸下凹形式,以及增加波纹深度和密度可以显著提高组合板的抗接触爆炸性能。

基于机器学习的单钢板混凝土组合板冲击响应预测及优化

单钢板混凝土组合(half steel-concrete composite,HSC)板的抗冲击性能十分出色,可有效抵挡落石冲击。在符合相关规范要求的前提下,可通过设计降低HSC板在落石冲击作用下的变形,以最大限度地保护山区基础设施和人民的安全。为快速、准确地处理HSC板的变形和设计参数之间的复杂非线性关系,基于三种机器学习算法分别建立冲击作用下HSC板最大变形的预测模型,并通过有限元结果对模型进行验证;在此基础上,以落石冲击下HSC板的最大变形、自质量和造价为优化目标,采用遗传算法对某山区建筑中某HSC屋面板进行优化设计,求解HSC屋面板的厚度、连接件尺寸等设计参数的最优解集。研究结果表明,高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)模型对HSC屋面板变形的预测精度最高,可代替复杂耗时的有限元计算,有效提高目标方程的计算效率,且最终的优化结果给出了多种优化方案,可有效降低HSC屋面板变形,为工程设计提供参考。

单钢板混凝土组合板冲击响应的数值模拟及计算方法

采用LS-DYNA软件建立了冲击作用下单钢板混凝土组合板(Half-SC板)的有限元模型,根据现有试验结果验证了模型的准确性,并进一步分析了冲击物质量、冲击速度和钢板厚度对Half-SC板位移响应的影响规律。在此基础上,推导了Half-SC板的抗力和刚度计算式,提出了Half-SC板的抗力函数,并建立了计算Half-SC板位移响应的等效单自由度模型。研究结果表明:Half-SC板在冲击作用下的破坏过程可分为弹性受力阶段,混凝土冲切开裂阶段,水平钢筋断裂阶段;冲击速度对Half-SC板位移响应的影响最大,冲击物质量次之,钢板厚度的影响最小;所提出的等效单自由度模型能够很好地预测Half-SC板的位移时程。

钢板混凝土板平面外弯剪性能试验研究

对5片剪跨比范围在2~5、距厚比为100和150的钢板混凝土板进行简支单点加载的平面外抗剪性能试验。试验结果表明:钢板混凝土板的破坏形式与钢筋混凝土结构类似;栓钉的间距对钢板混凝土(简称"SC")板的刚度有很大影响;随着剪跨比的增大,抗剪承载力下降,试件破坏呈现脆性破坏;当试件截面高度增加时,试件破坏形式为剪切破坏。同时采用ACI 349和JEAG 4618对试件弯曲承载力和抗剪承载力进行计算,计算值与试验值吻合较好。

基于ABAQUS的钢板混凝土板平面外弯剪性能的非线性有限元分析

以钢板混凝土板的平面外弯剪性能试验研究为基础,采用有限元软件ABAQUS建立了钢板混凝土板的非线性有限元模型,模拟弯剪破坏、剪切破坏、钢板剥离破坏3种破坏形态下构件的受力性能。模型考虑了材料的非线性、钢板与混凝土的接触和栓钉的滑移模型,计算结果与试验结果吻合良好。利用有限元模型,对影响钢板混凝土板面外受力性能的主要参数进行了分析,包括栓钉间距、钢板厚度。结合试验现象和有限元分析结果,指出了钢板混凝土板面外受力性能随参数变化的原因,并提出了在一定情况下不同破坏形态之间转化的参数临界值。结果表明:可以通过对栓钉间距与钢板厚度的控制来使得钢板屈服,从而保证无抗剪钢筋的钢板混凝土板在平面外可以达到弯剪破坏形式。

弧形双钢板混凝土组合板抗爆性能数值研究

依据规范设计了3种不同连接件的弧形双钢板混凝土组合板,基于ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序研究了弧形双钢板混凝土组合板在近场爆炸作用下的损伤模式、跨中位移变化以及能量消耗状况等,对比研究了3种不同板的耗能状况及损伤机理。以背爆面钢板跨中位移为指标,分析了用药量、混凝土强度和钢板厚度等参数对弧形双钢板混凝土板抗爆性能的影响规律。结果表明:在近场爆炸作用下,弧形板均保持良好的整体性,没有出现混凝土飞散现象,仍具有持续承载能力,比传统平面双钢板混凝土组合板具有更加优异的抗爆性能;重叠栓钉的连接性能强于栓钉,稍弱于对拉螺栓;提高混凝土强度不能改善混凝土的损伤状况,但能减小跨中位移;增加钢板厚度能显著减小钢板跨中位移,提高弧形双钢板混凝土组合板的抗爆能力。

闭口型压型钢板-混凝土组合板疲劳性能试验研究

为研究闭口型压型钢板-混凝土组合板的疲劳性能,完成14块闭口型压型钢板-混凝土组合板的疲劳试验研究。试验主要考察组合板端部栓钉布置、组合板板厚、疲劳荷载水平及组合板加载剪跨比等4个主要因素对组合板疲劳破坏模式及疲劳损伤程度的影响。试验过程中对组合板在各个关键阶段的动挠度、动滑移、压型钢板及混凝土应变、组合板残余挠度及组合板剩余承载能力等参数进行测量和分析。在试验研究基础上,根据组合板疲劳破坏形态及损伤发展情况,着重对组合板的疲劳性能进行较全面研究,初步提出组合板疲劳性能水平评估方法及组合板疲劳设计建议。试验研究结果表明,无栓钉组合板的疲劳性能明显差于带栓钉组合板,布置栓钉可大大提高组合板疲劳性能;无栓钉组合板的设计疲劳荷载上限可以取为40%的静力极限荷载,而带栓钉组合板的设计疲劳荷载上限可以取为60%的静力极限荷载。研究结果为闭口型压型钢板-混凝土组合板疲劳设计计算提供有利依据。

弧形与平面双钢板混凝土组合板抗爆性能对比研究

利用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序分别建立了弧形与平面双钢板混凝土组合板的数值模型,对比分析了两种不同形式的组合板在近场爆炸作用下的抗爆性能、耗能及损伤机理。从损伤模式、跨中最大挠度和能量耗散等方面详细研究了不同形式组合板的破坏模式和爆炸响应,参数化分析了炸药量、混凝土强度和钢板厚度对其抗爆性能的影响。结果表明:在近场爆炸作用下,两种组合板均能保持良好的整体性,无混凝土飞散现象,未丧失承载能力,其中弧形双钢板混凝土(CSCS)组合板整体变形更小,混凝土吸能占比高,跨中挠度也更小,表现出更好的抗爆性能。参数分析表明提高混凝土强度和增加钢板厚度可以减小CSCS组合板的跨中挠度,提高组合板的抗爆性能。

按部分剪力连接计算压型钢板-混凝土组合板承载力的简化方法

提出多种荷载作用下,简支压型钢板-混凝土组合板承载力的部分剪力连接简化计算方法。分析组合板纵向剪切破坏的部分剪力连接理论模型,阐明组合板纵向剪切破坏的机理,以及控制截面位置和极限荷载的求解思路。通过公式推导,分别得到了组合板在两点对称荷载和均布荷载作用下的承载力计算公式。在此基础上,提出点荷载和均布荷载共同作用下的组合板承载力计算方法,通过参数分析,对该方法进行简化,得到多个荷载作用下组合板承载力的简化计算公式。结合12个简支组合板的静力试验结果,进行公式验证,计算结果与试验值吻合良好。通过小比例滑块试验得到压型钢板与混凝土的界面强度参数,即可用该方法计算组合板的承载力。

缩口型压型钢板-混凝土组合板的承载力及变形(二):考虑滑移效应的折减刚度

压型钢板与混凝土之间的相对滑移对压型钢板-混凝土组合板的变形影响较大。现行有关规范在计算组合板挠度时,未考虑滑移效应,导致变形计算值偏低,偏于不安全。在钢-混凝土组合梁挠度计算的折减刚度法基础上,考虑组合板自身的受力特点,提出了考虑滑移效应的组合板折减刚度公式。试验结果表明,该法能较准确地预测组合板在正常使用状态下的挠度。

缩口型压型钢板-混凝土组合板的承载力及变形(一):试验研究及纵向抗剪承载力

共进行了8块组合板试验,研究了缩口型压型钢板-混凝土组合板的破坏特征、纵向抗剪、抗弯等力学性能。试验结果表明,对组合板承载力起控制作用的是纵向剪切破坏和弯曲破坏,对于端部无栓钉的组合板,随剪跨比Ls/dp的增大,破坏形态会逐渐由纵向剪切破坏向弯曲破坏过渡;端部栓钉可以有效改善组合板在极限状态时的受力性能。在试验研究的基础上,分别采用m-k法和部分剪力连接法回归得到了计算该类型压型钢板组合板纵向抗剪承载力的必要参数,同时分析了端部栓钉的有利作用。两种方法均能较准确地预测板的极限承载力。

压型钢板混凝土组合板抗弯承载力影响因素的分析

对开口型与闭口型压型钢板混凝土组合板抗弯承载力的四个影响因素:混凝土强度等级,压型钢板混凝土组合板的高度,组合板的含钢率和压型钢板的高度的分析比较,得出组合板的含钢率和组合板的高度对组合板的抗弯承载力具有决定作用及组合板高度与压型钢板高度的关系.为组合楼板的设计提供依据.

钢板-混凝土组合板在横向集中荷载作用下的破坏模式分析

采用ANSYS有限元与试验相结合的方法,研究了板件截面抗弯承载力与抗剪承载力随剪跨比变化的趋势,分析了在跨中单点(两点对称)加载下剪跨比对板件破坏模式的影响规律.结果表明:钢板剥离破坏仅发生在抗剪连接件不完全剪力连接时的板件;在跨中单点(两点对称)加载下,剪跨比小于7.5(7)时,截面抗弯承载力较抗剪承载力充足,试件发生剪切破坏;剪跨比在7.5(7)与10(9)之间时,截面抗弯与抗剪承载力均不足,试件发生弯剪破坏;剪跨比大于10(9)时,截面抗弯承载力较抗剪承载力不足,试件发生弯曲破坏.

考虑滑移效应的钢板-混凝土组合板刚度分析

采用折减刚度法分析了钢板-混凝土组合板在受弯状态下交界面的滑移情况,建立了界面剪力关于剪跨段长度的函数,进而推导了跨中一点加载和两点加载情况下组合板跨中挠度的计算式.此外,将钢板-混凝土组合板看作是底部纵向受拉钢筋锚固在底面的混凝土结构,基于钢筋混凝土梁的抗弯刚度计算式,并采用修正的折减钢板宽度系数法近似考虑钢板与混凝土滑移的影响,得到了组合板抗弯刚度计算式,进而利用材料力学公式进一步计算组合板跨中挠度.将这2种方法的计算结果与4组共9块简支组合板的试验结果进行对比,发现计算结果与试验结果吻合良好,2种方法均可用于计算钢板-混凝土组合板跨中挠度,且第2种方法具有一定的安全储备,方便实际工程的设计应用.

钢板夹芯混凝土组合板界面滑移计算分析

在钢板夹芯混凝土组合板中,界面滑移是影响组合板力学性能的一个重要因素。通过对界面滑移的理论分析,建立了其微分方程;根据截面剪力分布和边界条件求出了任意集中载荷和均布载荷作用下界面滑移的计算公式。采用实验结果对本文公式的合理性进行了验证,最大误差为22.22%。根据计算结果及其比较分析可知:界面滑移沿组合板纵向呈非线性变化,组合板端部界面滑移最大,沿组合板纵向向跨中逐渐减小,跨中界面滑移为零;剪力连接程度、含钢率对界面滑移影响较大,混凝土强度等级对其影响较小;界面滑移随着剪力连接程度的提高、含钢率的降低、混凝土强度等级的提高而减小。

压型钢板—混凝土组合板的组合效应分析

压型钢板-混凝土组合板构件中,压型钢板和混凝土的组合效应体现了两者之间共同工作的程度,也体现了构件的抗剪强度。为了研究工程中各种组合板的组合效应,提出了组合效应系数的概念,并通过对试验资料的分析,提出组合效应系数的计算式,根据计算结果初步判断组合板构件的破坏形态。现在用两个试验对算式进行验证,结果基本相符。

闭口型压型钢板—混凝土组合板受力性能研究

本文介绍了闭口型压型钢板—混凝土组合板较开口型压型钢板—混凝土组合板的优点;总结了闭口型压型钢板—钢筋混凝土组合板的破坏模式,并归纳了基于普通钢筋混凝土板承载力计算公式的闭口型压型钢板—混凝土组合板的的受弯承载力计算公式和纵向剪切承载力计算公式。