钢-混凝土组合空腹板架静力特性理论研究

钢-混凝土组合空腹楼盖是一种新的构造形式。结合一算例,利用ANSYS有限元软件,建立了组合空腹楼盖的三种计算模型:空间梁单元与壳单元的混合元模型、空间壳单元模型、壳单元和块体单元模型三种理论计算方法,对这三种计算模型作分析对比,得到了静荷载作用下该类结构的内力分布规律及其他一些有价值的结论。

大跨度钢-混凝土组合空腹板的设计与施工

钢-混凝土组合空腹板是一种新型的组合结构形式。详细介绍并讨论了一跨度为19·5m、平面尺寸19·5m×31m、设计荷载较大的钢-混凝土组合空腹板楼盖的分析、计算、设计及施工,给出了结构的布置和主要受力性能,以及构件和节点构造设计。施工后的检测证明,理论分析可靠,工程效果良好。

基于有限单元法的钢-混凝土组合空腹板的优化设计

为了研究钢-混凝土组合空腹板最优截面几何尺寸,建立了四边简支条件下结构的有限元分析模型、优化参数模型和优化数学模型,通过对已建工程的优化设计分析,在给定条件下使造价减少24.7%,表明该方法优化效果显著,并且效率高,可广泛应用于钢-混凝土组合空腹板截面优化设计工程.通过对不同跨度的组合空腹板进行优化设计,获得在给定条件下的最优截面尺寸和最优网格尺寸,并探讨了长跨比的影响,给出组合空腹板优化设计的几何尺寸建议.

公铁合建斜拉桥钢桁-混凝土板组合梁受力特性

以某主跨808 m的公铁合建新型钢桁-混凝土板组合梁斜拉桥为背景,采用ANSYS软件建立局部组合梁细化的全桥多尺度有限元模型,分析其在不同工况下双层组合梁的受力传力特性和混凝土桥面板荷载分配比,并讨论混凝土桥面板厚度t_(b)、横梁刚度变化系数λ_(K)和钢与混凝土弹性模量比λ_(E)对组合梁受力传力的影响规律。结果表明:最不利组合工况下,钢桁架最不利Von Mises应力为183.6 MPa,混凝土桥面板最大拉应力为5.3 MPa,均满足结构受力要求;沿纵向路径,钢桁架和混凝土桥面应力在节间横梁间均呈“波形”分布;上下层混凝土桥面板顶、底面应力沿横向近似呈“W”和“M”状分布,表明桥面板承受一定沿横向不均匀分布弯矩;公路及铁路混凝土桥面最大剪力滞系数分别为1.45、1.36,更宽的公路混凝土桥面剪力滞效应更显著;公路及铁路混凝土桥面分别承担上、下层结构57.46%~79.99%和33.21%~62.81%的轴向荷载,为组合梁的主要传力构件;混凝土桥面板的应力随t_(b)及λ_(K)的增大而增大,随λ_(E)的增大而逐渐减小;混凝土桥面每层平均荷载分配比ξ与t_(b)成正比,与λ_(K)及λ_(E)成反比;当t_(b)、λ_(K)和λ_(E)参数的取值范围分别为0.8~1.4、0.4~1.6以及4~10时,组合梁混凝土桥面应力及荷载分配比ξ较为合理。

叠加空腹桁架的钢-钢骨混凝土组合转换桁架设计分析与监测

针对某上弦为钢骨构件、腹杆及下弦为型钢的钢-钢骨混凝土组合转换桁架结构,采用PKPM软件对组合转换桁架和其上空腹桁架进行了多个整体模型的弹性对比分析及静力推覆分析。结果表明,施工模拟方式、楼面板刚度模拟方式、混凝土空腹桁架构件徐变、中大震下出铰情况对转换桁架和空腹桁架分担的转换荷载计算值均有较大影响,相关因素应予包络、准确地考虑。对多个子结构组合而成的结构体系,应明晰各子结构在整体中发挥的作用,以及各子结构在相关因素变动情况下的定量变化情况,以保证各子结构性能稳定性和整体结构的安全。工程施工阶段监测表明,叠加空腹桁架的组合转换桁架结构变形及构件应变基本与设计预期相符,转换结构安全合理。

爆炸荷载作用下曲面钢-混凝土钢组合板的动态响应研究

为探究钢-混凝土-钢组合板(组合板)的抗爆性能,设计四种不同曲率的组合板;利用有限元软件ABAQUS对比研究这四种组合板在爆炸荷载作用下的损伤、位移和能量耗散情况。同时,以曲率为0.75的组合板为例,参数化分析了炸高、炸药量、钢板厚度、混凝土厚度、栓钉间距和直径对其动态响应的影响。研究表明:在相同爆炸作用下,组合板的最大动能和最大跨中位移均随着曲率增大而减小。当内外层钢板总厚度不变时,适度增大内层钢板厚度更有利于降低组合板的最大跨中位移。适度增加组合板的曲率,适度减小栓钉间距或增大栓钉直径均有利于提高组合板的抗爆性。根据非线性回归拟合得到了组合板的最大跨中位移与钢板厚度(或混凝土厚度)和炸药量的两种经验公式。

钢-混凝土-钢组合板爆炸冲击响应分析

基于钢-混凝土-钢(SCS)组合板爆炸试验,采用LS-DYNA显示动力分析程序对其抗爆性能进行数值模拟。通过与试验的对比验证了模型的可靠性,采用该模型分析了比例距离、混凝土厚长比、钢板厚度以及混凝土强度变化对SCS板动态响应的影响。结果表明,该有限元模型能够有效模拟SCS板在爆炸荷载下的动态响应过程;随着比例距离的减小,SCS板跨中位移逐渐增大,并由弹性变形转变为塑性变形;增加混凝土厚长比和钢板厚度能够有效降低SCS板跨中位移,而混凝土强度变化不会对SCS板抗爆性能产生显著影响。

波形钢-混凝土组合桥面板力学性能研究综述

介绍了波形钢-混凝土组合桥面板在实际工程中的应用概况及力学性能研究现状。研究成果表明:(1)与混凝土桥面板相比,该新型组合桥面板自重轻,且具有较高的抗弯承载力和刚度;与钢桥面板相比,该新型组合桥面板抗疲劳性能优异。基于以上优点,该新型组合桥面板具有广阔的应用前景。(2)目前针对波形钢-普通混凝土组合桥面板开展的研究主要集中在组合桥面板的静力性能上,需要对其疲劳性能开展更多的理论及试验研究;目前针对波形钢-超高性能混凝土组合桥面板的相关研究较少,需要对其开展更多的静力性能和疲劳性能研究。(3)将超高性能混凝土应用于该新型组合桥面板中,合理选择剪力连接件型式,在保证波形钢板与混凝土之间可靠连接的前提下,进一步减少焊缝数量,提高其抗疲劳性能,是该新型组合桥面板的发展方向。

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。

T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板疲劳性能分析

为研究T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板疲劳性能,以某座T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板体系的连续钢箱梁桥为研究对象,进行局部足尺模型的疲劳性能试验,并建立有限元模型。在验证有限元模型正确的基础上,通过有限元模型计算,确定组合桥面板疲劳细节最不利位置,并对比各疲劳细节最不利位置刚度、热点应力以及应力集中系数,分析混凝土桥面板和栓钉布置形式对组合桥面板疲劳性能的影响。研究结果表明:通过局部足尺模型试验的实测数据,验证了有限元模拟方法的相对误差均不超过10%,具有较好的精度;与无混凝土板的纯钢T型加劲肋钢桥面板试件模型相比,铺设混凝土组合桥面板试件的整体刚度更高,并且大幅降低了各疲劳细节的热点应力;采用“错焊”栓钉布置形式,可以有效降低钢顶板与T肋的双面角焊缝处应力集中系数,最大减幅接近20%,建议在实际工程中应避免将桥面板栓钉“正焊”于T肋上方。

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。

80m连续钢桁梁钢板-混凝土组合桥面板的设计分析

钢板-混凝土组合桥面板是轻薄型桥面板,混凝土用量低、承载能力高、施工无模板化、经济效益突出,能够适用于丰富的桥型和满足更大跨径桥梁的需求。以某80m连续钢桁梁为例,结合板桁组合结构的受力特性,对各个体系的受力情况进行具体分析,探讨钢板-混凝土组合桥面板在山区钢桁梁桥中的设计与应用。

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。

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。

钢-混凝土组合简支桥面连续结构横向应力分析

针对钢-混组合简支梁桥的桥面连续结构开裂等病害,围绕桥面连接板的横桥向应力问题,采用线弹性理论和板的偏微分方程进行分析,得出了桥面连接板挠度和应力的分布函数,建立非线性有限元模型,并进行实桥荷载试验.通过比较理论解、有限元解和实测试验结果,证实了理论解和有限元的有效性.根据得到的分布函数,发现横桥向和纵桥向上的最大拉应力出现在钢梁端部位置的连接板的上缘.此外,还分析了连接板区域尺寸变化对横桥向应力峰值的影响,包括纵梁端部距支座的长度、纵梁的间距以及连接板区域整体尺寸变化.结果表明:较小的纵梁间距和较长的纵梁端部与支撑之间的距离会导致连接板中的横向拉应力峰值增加,并提高横向拉应力在总应力中的占比,从而导致桥面连接板早于设计荷载开裂.因此对于纵梁间距较小、梁端长度较长的钢-混组合简支梁桥桥面连续结构,仅计算其纵桥向受力性能会导致计算结果偏危险,建议按照本文方法考虑横桥向应力对桥面连接板的影响.

含钢率对GFRP管-钢骨混凝土组合构件抗冲击性能的影响

为了研究含钢率对GFRP(glass fiber reinforced polymer)管-钢骨混凝土组合构件抗冲击性能的影响,建立15个组合构件的数值模型,在验证模型正确的基础上,通过分析典型构件的冲击全过程、截面弯矩发展以及破坏时应变分布规律,研究构件在侧向冲击荷载作用下的破坏模式;通过分析构件冲击力时程曲线、侧移时程曲线以及能量变化情况,探究含钢率对不同长细比构件抗冲击性能的影响。结果表明:与未配置钢骨的构件相比,GFRP管-钢骨混凝土构件的抗冲击承载力提高了7%~134%,侧向位移减小了13%~68%。在侧向冲击荷载作用下,构件的破坏模式以弯曲破坏为主,同时伴随着GFRP管和混凝土冲击区域的局部破坏,抗弯刚度是影响构件抗冲击性能的主要因素之一。构件的抗冲击承载力随着含钢率的增高而提高,随着构件长细比的增大而降低。含钢率相差1.5%时,截面惯性矩较大的窄翼缘型钢对构件的抗冲击性能更有利。对于长细比大于20的构件,钢骨耗能是组合构件总能耗的主要组成部分。

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。

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。