钢-混凝土组合梁钢框架节点抗震性能试验

为了研究钢-混凝土组合梁钢框架节点的抗震性能,本文进行了3个1/2缩尺的钢-混凝土组合梁钢框架节点的拟静力试验,主要研究了节点类型(2个中柱节点、1个边柱节点)、混凝土板宽度等对组合节点抗震性能的影响,对节点的破坏模式、滞回曲线、耗能能力、延性、强度和刚度退化等性能进行了研究,并利用有限元软件ABAQUS对组合节点在单调荷载作用下弹塑性性能进行分析,对比可知理论分析与试验结果吻合较好.研究表明:组合节点的变形能力以及耗能能力较强,强度与刚度退化不明显,节点位置和混凝土板有效宽度对节点抗震性能影响较大.

部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点抗震性能试验研究

为研究不同连接构造的部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点(PEC梁柱节点)的抗震性能,对2个PEC梁柱节点试件进行了拟静力加载试验,研究了低周往复荷载作用下PEC梁柱节点试件的破坏现象、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。结果表明:强轴连接PEC梁柱节点的滞回曲线呈梭形和弓形,在达到极限承载力后仍能保持一定的延性和耗能能力;弱轴连接PEC梁柱节点牛腿与梁间的焊缝处发生破坏,未展现出预期的耗能能力,PEC梁仍在弹塑性状态,没有达到极限状态;PEC梁柱节点核心区混凝土替换为加劲肋板后,试件仍具有较好的承载力、延性和耗能能力,刚度退化规律无明显变化,且强轴连接节点与弱轴连接节点刚度变化规律基本一致;PEC柱牛腿设计过短会导致焊缝连接处断裂,试件延性和耗能能力得不到发挥,剩余刚度较大。

工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能影响的试验研究

为了研究工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁(大截面PEC梁)受弯性能的影响,对5根不同构造的大截面PEC梁进行了静力试验,研究了两点加载下主次梁腹板开洞方式对大截面PEC梁试件受弯性能、延性、破坏模式等的影响规律。结果表明:静力荷载作用下,各个试件均表现出良好的延性,腹部开孔对试件承载力和截面刚度有一定的削弱作用。型钢主钢件的应变与混凝土的应变沿截面高度方向均大致呈线性变化,符合平截面假定。按《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》(T/CECS 719—2020)计算得到的开工艺孔的大截面PEC梁抗弯承载力与试验值误差较小,受尺寸效应影响不大,所采用计算公式安全可靠。

局部半包裹部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

针对部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点区域后浇筑混凝土不易密实的问题,研究了受拉侧混凝土对局部半包裹部分包覆钢-混凝土组合梁(局部半包裹PEC梁)受弯性能的影响,进行了2根不同构造的局部半包裹PEC梁的四点弯曲试验,模拟局部半包裹PEC梁负弯矩区受力状态,对其受弯性能、延性、破坏形式等展开分析。结果表明:局部半包裹PEC梁表现出良好的延性,挠度达到l_(0)/50时截面抗弯承载力并未下降。型钢主钢件、混凝土的应变沿截面高度方向大致呈线性变化,可引用平截面假定计算受弯承载力及刚度。局部半包裹PEC梁受拉侧混凝土对其极限承载力与破坏模式影响不大,在计算局部半包裹PEC梁柱节点受力时可不考虑受拉侧混凝土作用,节点后浇筑区域可采用半包裹填充,以加快施工进度。此外,对局部半包裹PEC梁进行建模,进行梁受弯过程的有限元分析,对比模拟结果与试验结果,二者荷载-挠度曲线吻合较好,误差均在10%以内。

钢-混凝土组合梁螺栓连接件受剪性能试验研究

传统螺栓连接件的直径小于钢梁预留孔的孔径,导致螺栓与孔壁存在间隙,容易引发钢梁与上部混凝土板间发生相对滑移使组合梁挠度增大。为尽量减小或消除上述间隙,本文引入铰制孔螺栓和螺纹孔螺栓作为组合结构的剪力连接件,并提出锥套自锁螺栓连接件。设计并开展了8个螺栓连接件推出试验,基于各试件的荷载-滑移曲线,研究了3种螺栓连接件与传统螺栓连接件间的抗剪承载力、滑移能力及抗剪刚度等受剪力学性能的具体差异。研究结果表明:3种螺栓连接件的破坏形态与传统螺栓连接件表现一致,均为螺栓杆剪断,混凝土无压溃现象;3种螺栓连接件的抗剪承载力均接近于传统螺栓连接件的抗剪承载力;基于试件的荷载-滑移曲线,3种螺栓连接件均可分为弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段;3种螺栓连接件的延性系数和抗剪刚度均明显优于传统螺栓。综合考虑力学性能、施工性能和经济性,本文建议选用铰制孔螺栓用于组合结构的剪力连接件。

新型部分填充钢-混凝土组合梁受剪性能试验及有限元模拟研究

采用合理的材料本构关系,利用ABAQUS有限元软件建立足尺有限元模型,对新型部分填充钢-混凝土组合梁进行受剪承载力分析。结合试验研究,通过改变剪跨比、型钢强度等级、梁高度、型钢腹板厚度、翼缘栓钉间距等因素对新型组合梁组合截面受剪承载力进行了研究。结果表明,新型组合梁有较好的受剪承载力,混凝土强度等级和新型组合梁高度对峰值承载力的影响不显著,但混凝土显著提高了新型组合梁的整体稳定性;而新型组合梁高度每增加50mm,其峰值剪力值约提高7%~21%;型钢腹板厚度每增大2mm,新型组合梁峰值剪力就提高10%左右,腹板对其受剪承载力影响较大。运用叠加原理,结合腹板、翼缘内侧混凝土、翼缘栓钉和箍筋的受剪贡献,对《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)中组合梁截面受剪承载力计算公式进行了优化。结果表明,修正后的计算公式具有良好精度。

车辆荷载作用下钢-混凝土组合梁疲劳应力分析

【目的】随着桥梁服役期延长和车辆荷载增加等多种因素的影响,结构承载力会变得越来越弱,疲劳寿命不断降低,最终可能导致低应力疲劳破坏。因此有必要对车辆荷载下拱桥钢混组合梁的疲劳细节应力进行研究。【方法】采用数值模拟的方法,利用Midas FEA NX软件建立3个标准长度的三维实体精细有限元模型,分析钢混组合梁易损疲劳关键点的位置,并研究车辆荷载横向最不利加载位置和纵向加载下的疲劳细节应力变化规律。【结果】结果表明,组合梁次横梁与中纵梁交点处有三处疲劳关键点;靠近桥梁中线位置是车辆荷载下钢梁疲劳最不利的横向加载位置;四种不同标准的纵向车辆加载时,三个疲劳关键点均出现两次应力峰值,且最大应力幅值均低于常幅疲劳强度的极限值。【结论】研究成果可为钢-混凝土组合梁试验和相关研究提供参考。

高强度钢-混凝土组合梁静力性能分析

为研究高强度钢-混凝土组合梁在跨中荷载作用下的静力性能,设计并制作了组合梁足尺试件。根据静力加载和测点布置方案进行加载试验并获取试验数据,并绘制组合梁整体荷载-挠度曲线和混凝土结构的荷载-应变曲线。分析结果表明:最大挠度出现在荷载为150kN时,试验加卸载过程中,荷载与挠度基本成正比关系;混凝土梁顶部全部受压,底部C1-1处基本受压,C2-1处受拉。利用有限元软件建立三维实体模型进行数值模拟,有限元结果与试验结果吻合较好,表明了有限元模型的合理性和准确性。

可拆卸钢-混凝土组合梁抗弯性能有限元分析

为了研究可拆卸钢-混凝土组合梁的抗弯性能,文章采用ABAQUS有限元软件建立可拆卸钢-混凝土组合梁梁式试件的有限元模型,选取钢梁强度、混凝土板强度、插块强度和螺栓强度等级这四个参数,对比分析这四个参数对可拆卸钢-混凝土组合梁抗弯性能的影响。结果表明,H型钢梁的强度对可拆卸钢-混凝土组合梁的抗弯性能的影响最为明显;混凝土板强度对可拆卸钢-混凝土组合梁抗弯性能存在较小影响;混凝土插块强度对可拆卸钢-混凝土组合梁抗弯性能几乎没有影响。

收缩徐变对钢-混凝土组合梁界面行为影响的有限元分析

为研究混凝土收缩徐变对长期荷载作用下钢-混组合梁界面剪力和相对滑移的影响,提出一个简单实用的有限元分析方法。在假定荷载-滑移为线性以及钢梁与混凝土层之间无掀起的前提下,基于混凝土收缩徐变分析的初应变法,建立部分剪力连接钢-混凝土组合梁长期性能分析的有限元模型,其中界面行为通过建立混凝土板与钢梁之间对应节点的主从关系及特殊单元予以模拟。对比集中荷载作用下简支梁的计算结果与已有文献,验证所提方法的有效性。在此基础上研究收缩徐变对钢-混组合梁界面剪力和相对滑移的影响。结果表明,收缩徐变共同作用使得简支钢-混组合梁的界面滑移随着时间有较大程度地增加,但单独的收缩效应反而使界面滑移减小,尽管变化量可忽略不计;同时,由于界面剪力与滑移的正相关性,收缩徐变效应也使得端部界面剪力随时间增大,呈现出前期增长很快而后期增长缓慢的特点。

钢-混凝土组合梁剪力连接件损伤识别研究

为研究曲率模态差指标(D)和柔度曲率变化率指标(R)的损伤识别方法在钢-混凝土组合梁剪力连接件损伤识别上的可行性,采用有限元软件MIDAS建立钢-混凝土组合梁模型,通过有限元软件对钢-混凝土组合梁不同损伤程度的剪力连接件进行模拟分析。分析结果表明:在简支梁情况下两种方法各有优劣,在连续梁情况下模态曲率差指标(D)识别效果更好。

钢-混凝土组合梁中栓钉连接件抗剪承载力研究

采用数值方式研究了钢-混凝土组合梁中栓钉连接件的抗剪力学性能。主要分析了栓钉直径、栓钉抗拉强度、混凝土强度及混凝土板厚对栓钉连接件抗剪承载力的影响。其研究结果表明:栓钉直径、栓钉抗拉强度、混凝土强度对栓钉连接件的抗剪承载力影响较大,而混凝土板厚对栓钉连接件抗剪承载力影响较小。目前各国现行规范中,美国规范对栓钉连接件的承载力评估较为可靠,其余各国规范均过于保守。

外包内翻U形钢-混凝土简支组合梁负弯矩区有效翼缘宽度分析

外包内翻U形钢-混凝土简支组合梁作为一种新型组合梁,其负弯矩区有效翼缘宽度被研究得甚少。为了探索该种新型组合梁负弯矩区有效翼缘宽度的影响因素,在本课题组负弯矩区受弯性能试验研究的基础上,采用有限元软件ABAQUS分析了有效翼缘宽度的变化规律,并针对跨中截面详细研究了荷载类型、宽跨比(b_(f)/L_(0))和高厚比(h/h_(f))对弹性和弹塑性阶段有效翼缘宽度的影响规律。研究结果表明:不同荷载类型下,均布荷载作用下的有效翼缘宽度大于非均布荷载作用下的有效翼缘宽度;当b_(f)/L_(0)<0.40时,有效翼缘宽度系数β近似等于1.00且不随宽跨比变化,当0.40≤b_(f)/L_(0)≤1.00时,β随宽跨比的增大而近似线性减小,弹塑性阶段的β略大于弹性阶段的β,且减小率小于后者;高厚比对有效翼缘宽度的影响可以忽略。基于有限元分析结果,提出了有效翼缘宽度的简化计算公式,并与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中的公式进行了对比。对比结果表明:相较于《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的计算结果,本文公式的计算结果与有限元计算结果吻合得更好;规范计算结果与另外2种方法的计算结果差别较大,偏于保守。

基于数字孪生的装配式钢节点混凝土框架结构建造技术

与传统现浇框架结构相比,装配式钢节点混凝土框架结构建造速度更快,但框架钢连接节点处存在应力突变,因此,有必要采用基于数字孪生的手段监测该实际工程结构的施工过程,以获得钢节点对结构性能的影响。基于BIM、有限元和传感器等技术搭建了基于数字孪生的新型装配式钢节点混凝土框架结构的智能建造框架,从物理数据收集、虚拟模型建立、模型信息交互3个方面提出基于数字孪生的建筑结构智能建造实现方法。在新型装配式钢节点混凝土框架实际工程建造阶段,采用传感器技术实现工程中关键点数据的实时监测,并将其与BIM和有限元数据进行比较,进一步调整与修正物理模型中的框架结构受力情况,最终实现装配式钢节点混凝土框架数字孪生模型的建立和应用。研究表明,该数字孪生模型能有效对新型装配式钢节点混凝土框架结构进行实时监测,实现基于传感器网络和时空参数分析的危险点预测,有效减少资源消耗,为该结构的应用提供有效数据信息。

考虑滑移的钢-混凝土组合箱梁畸变效应研究

通过引入滑移转角位移函数,建立考虑滑移的畸变翘曲正应力,基于势能驻值原理,推导考虑滑移效应的畸变微分方程。定义了一个畸变的滑移影响系数κ,此系数仅与混凝土与钢材材料特性、栓钉类型及栓钉布置形式有关,并给出均布荷载和集中荷载作用下的微分方程初参数解。建立一个考虑滑移的钢-混凝土组合箱梁的Ansys有限元模型,均布荷载作用下畸变应力与畸变角与本文理论吻合良好,验证了本文理论的正确性。将考虑滑移与不考虑滑移的结果进行对比,分析表明,均布荷载作用下考虑滑移的畸变角与畸变翘曲均小于不考虑滑移的情况,且考虑滑移的畸变角更加接近于有限元计算结果。重新定义了考虑滑移的畸变矩和畸变双力矩且考虑滑移影响的结果均大于不考虑滑移的结果。

部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁负弯矩下抗剪强度

为研究部分充填式窄幅钢箱-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)组合梁在负弯矩下的裂缝开展、局部屈曲和竖向抗剪强度,对5根不同UHPC翼板层厚和钢箱不同充填高强混凝土(high strength concrete,HSC)高度的组合梁试件进行反置正向加载,得到了试件在加载过程中的破坏过程、荷载-裂缝宽度曲线、荷载-跨中挠度曲线、跨中应变分布和腹板应力应变等并进行分析。结果表明:相比于普通混凝土(normal concrete,NC)翼板试件,半UHPC和全UHPC翼板试件其抗剪承载力提升不大,仅8.3%和11.6%;相比于未充填试件,半充填和全充填试件其抗剪承载力分别提升了61.7%和87.2%。用UHPC替换部分NC翼板后试件能有效地控制裂缝发展,钢箱内充填HSC能有效地减小腹板局部屈曲。考虑翼板、钢梁和充填HSC对抗剪承载力的贡献,通过分项叠加法确定试件的抗剪承载力计算方法,能较准确地计算试件的抗剪承载力。

拉筋对两层两跨钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响

该文开展了2榀2层2跨缩尺比例为2/5的水平往复荷载下方钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁平面框架滞回性能试验研究,分析了柱端拉筋强柱构造对钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响。运用有限元软件ABAQUS建立该平面框架有限元模型,在试验验证的基础上开展柱端拉筋等效配箍率对组合平面框架抗震性能影响规律的研究。分析结果表明:柱端拉筋降低了钢管与混凝土之间的滑移、约束混凝土并加强了钢管对混凝土的约束作用,进而提高了柱端抗弯承载力与耗能能力,间接改变了梁柱线刚度比和抗弯承载力比,挖掘了钢梁的耗能潜力;柱端拉筋强柱构造措施有效提高了钢-混凝土组合平面框架结构的刚度、承载力和耗能能力,分别达70%、20%和50%以上。

装配式双拼槽钢-混凝土组合梁受弯性能试验与承载能力分析

提出一种由两个预制模块组成的模块化装配式双拼预制槽钢混凝土组合梁,设计以不同宽跨比、抗剪连接件间距、槽钢型号为研究参数的7根组合梁,并对其进行静力受弯试验。研究各试件的破坏模式、跨中平面外分离、承载能力及应变分布等,分析组合梁受力机理及各参数对抗弯承载力的影响规律。基于简化塑性理论,提出该组合梁的极限抗弯承载力计算方法。研究结果表明:2块预制模块应变协调发展,表现出良好的整体协同工作性能;组合梁最终均发生弯曲破坏;当宽跨比从0.15增加至0.20、0.25和0.30时,抗弯极限承载力分别提升7.9%、14.2%和18.8%;当抗剪连接件间距由250 mm增加至750 mm时,极限抗弯承载力降低1.8%;槽钢型号对组合梁承载力有明显影响;当型号由32b增大至40b时,试件DDCB-40-1、DCCB-40-2的极限抗弯承载力相较于试件DCCB-32-3分别提升100.34%和95.65%,且开裂荷载大幅提升。采用所提出的该组合梁极限抗弯承载力计算方法所得理论计算值与试验值较吻合。

长期效应下不同边界钢-混凝土组合梁挠度分析

为了研究长期荷载效应对钢-混凝土组合梁挠度的影响,本文对不同边界钢-混凝土组合梁进行分析。考虑组合梁的剪切变形、层间滑移及剪力滞效应,引入长期荷载下的混凝土收缩徐变作用,运用能量法和变分原理推导出均布荷载作用下不同边界条件的组合梁长期挠度解析解,并通过有限元和试验结果验证了解析解的正确性。通过简支组合梁、固结组合梁和连续组合梁3个算例的挠度分析结果表明:长期荷载作用对组合梁总挠度影响较大,对两跨连续梁尤其显著;除长期荷载影响外,简支组合梁挠度主要受层间滑移作用的影响,两端固结梁挠度主要受剪切变形和层间滑移作用的影响,两跨连续组合梁挠度主要受层间滑移作用的影响;3种不同边界条件的钢-混凝土组合梁挠度受剪力滞效应的影响最小。

部分包覆T形蜂窝钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

进行了2个主钢件为T形蜂窝钢的部分包覆钢-混凝土组合梁(PECCS-T梁)的静力单调弯矩加载试验研究,并将其与已有的部分包覆H形蜂窝钢-混凝土组合梁(PECCS梁)的试验研究结果进行对比,考察主钢件受压翼缘对组合梁受弯性能的影响,并研究用钢量相近情况下增大蜂窝式主钢件截面扩张比对PECCS-T梁受弯性能的影响。研究结果表明:PECCS-T梁的破坏模式与PECCS梁的破坏模式不同,表现为受拉钢翼缘屈服后受压区混凝土被压碎。组合梁中的受压钢翼缘能有效地约束混凝土,显著提高组合梁的抗弯承载力、变形能力和延性。PECCS-T梁按主钢件最大削弱截面计算得到的理论值Mu与试验值Mtest比较接近。增大T形主钢件的截面扩张比,能够有效提高PECCS-T梁的抗弯承载力,且保持变形能力不降低。