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。

计算长度反推法在钢压杆整体稳定试验中的应用

钢压杆的整体稳定承载力与构件的初始几何缺陷、残余应力、钢材弹塑性以及端部的约束情况密切相关。试验观测表明,实际测得的压杆稳定极限承载力高于按压杆几何长度确定的屈曲荷载。这主要是由于压杆两端支座实际上很难达到理想的铰接状态,较强的支座约束情况引起构件计算长度取值变小,钢压杆的稳定极限承载力随之提高。根据传统的构件稳定理论,利用了压杆整体稳定承载力试验弹性阶段的荷载-位移关系,提出了一种反推计算长度的方法。借助可靠的有限元模型分析验证了该方法的正确性。将此方法应用于实际的钢压杆整体稳定承载力试验数据分析,不仅合理解释了试验现象与结果,还消除了不同支座形式对钢压杆整体稳定承载力大小的影响。相关结论可为钢压杆整体稳定承载力试验研究提供参考。

应用霍普金森压杆试验分析柠条动态力学特性

为研究柠条的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对柠条的横纹、顺纹试件进行动态压缩试验。通过改变驱动气压,使撞击杆分别以12、19、26 m·s^(-1)的初速度对入射杆撞击,比较不同应变率时,柠条试件的应力表现、破坏形态。结果表明:在相同的冲击能作用时,柠条顺纹试件的动态屈服应力强于横纹试件;随着应变率的提升,顺纹试件的动态屈服强度变化程度高于横纹试件,且应变率效应亦强于横纹试件。由动态应力-应变特性可知,柠条横纹试件经历弹性变形和弱强化两个阶段,顺纹试件经历弹性变形和压溃两个阶段。对柠条横纹试件动态屈服点后的应力-应变特性曲线,采用修正后的Johnson-Cook(J-C)本构模型进行拟合,获得良好的拟合度。

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.

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.

分离式霍普金森压杆试验中金属材料端面摩擦效应误差分析

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验结合有限元模拟方法计算重构38CrMoAl高强度钢的应力-应变曲线,研究了端面摩擦因数(0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)、子弹入射速度(20,30,40 m·s^(-1))、试样长径比(0.25,0.50,1.00)和试样形状(圆柱体,立方体)对端面摩擦效应引入的峰值应力、峰值应变测试误差的影响。结果表明:测试误差随端面摩擦因数的增大而增大,随长径比的增加而减小;截面面积相同的圆柱体和立方体试样的测试误差差值小于2%;端面摩擦因数较大时,控制子弹入射速度不能有效减小误差;将端面摩擦因数降到0.1以下,或是选用长径比1.00以上的试样,可以有效减小端面摩擦效应误差;试样中部和端面边缘处发生应力集中,随着试样长径比增大,应力集中部位占试样总长度比例减小,端面摩擦效应影响减小。

长圆杆风致压差阻力及其阻力系数的测定

针对位于风场中的长圆杆所受的风致压差阻力及其阻力系数的测定设计了综合性实验。自制风场均一的吸入式风洞,测量处于匀流场中的长圆杆的杆周风压,计算得到杆周压强系数分布及长圆杆单位长度所受的压差阻力。基于实验参数,利用Fluent软件模拟杆周风压分布,所得到的模拟结果与实验结果较为吻合,证明了模型的准确性。以此为基础,数值模拟了风速、杆直径等因素对长圆杆在风场中所受的压差阻力的影响,并确定该实验环境下的阻力系数。

关于剪切变形对压杆屈曲影响的分析

利用压杆剪应变与轴向应变、弯曲挠度的微分关系建立了压杆弯曲微分方程,推导出了压杆发生弹性失稳时的屈曲载荷公式。计算分析表明:剪切变形对实心等截面压杆屈曲载荷的影响可忽略不计,格缀压杆的屈曲载荷则要考虑剪切变形的影响。同时,还指出有关文献认为深梁在轴力作用下与初等梁一样也有稳定问题这一说法不妥。

基于霍普金森杆的水下爆炸壁压测量系统研究

采用霍普金森杆测量系统对气泡载荷进行测量。根据应力应变对应关系,对霍普金森杆测量原理进行表述,其为通过测量HPB上应变推算得到杆端部应力;对HPB测量系统组成进行说明,分析HPB材料、尺寸选取方法,给出应变测量信号与壁压信号间换算关系;采用高速摄影、压力传感器测量系统、霍普金森杆测量系统在实验室条件下对气泡载荷进行测量,分析比对测量结果。结果表明,高速摄影与HPB测量系统获取的气泡峰压时间、气泡脉动周期基本一致;无量纲爆距大于0.33时,压力传感器和HPB测量结果获取的物面载荷数据基本相同;近距离实验时,HPB测量系统抗电磁干扰能力更强。通过实验比对分析,验证了霍普金森杆测量系统的有效性及准确性。

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。

带金属挤压套管铰接连接FRP轴心压杆整体屈曲性能研究

本文针对拼装式桁架结构中两端设有金属挤压套管连接的FRP受压杆件,通过轴向压缩试验和有限元分析方法研究了此类组合杆件两端铰接时的整体屈曲性能,并通过参数化分析揭示了金属连接段对不同长度FRP杆件屈曲临界承载力的影响规律。基于试验和有限元结果,对目前工程中常用的五种FRP杆件整体屈曲临界承载力计算公式进行了比较验证,明确了适用于此类组合杆件整体屈曲临界承载力的计算方法。结果表明:相比于未设置端部金属加强段的杆件,FRP圆管在金属外套管端部发生剪切断裂,而非杆件中部断裂,即金属外套管局部构造对杆件整体破坏模式有较大影响。另外,端部设有金属段的杆件整体临界屈曲荷载得到了一定提升;随着长细比的增加,端部金属区段对FRP杆件整体屈曲临界荷载影响的增幅逐渐减小。建议采用Engesser或Haringx修正公式作为两端设有挤压型金属套管铰接连接的FRP压杆的设计计算公式。

基于拉压杆件模型的公路桥梁下部结构优化设计研究

研究通过引入拉压杆件理论,对公路桥梁的下部结构进行系统性的优化设计。首先分析了传统桥梁设计中存在的问题。通过建立数学模型,将桥梁下部结构简化为一系列的拉压杆件。通过对比分析优化前后的结构性能,验证了基于拉压杆件模型的优化设计方法的有效性。研究为公路桥梁下部结构设计提供了一种新的思路和方法,对于推动桥梁工程的技术进步具有重要意义。

基于拉压杆模型理论方法的桩基承台受力特性研究

为了研究多桩基承台在直接荷载作用下的拉压杆模型分析模式,与传统拉压杆模型相比,考虑了飞边比对阻力的影响。首先介绍了两种拉压杆模型(MBT-1/MBT-2)的理论方法及计算公式;然后在混凝土块冲切分析的基础上设计了冲切试验,并进行了4组24个试件的冲切试验,依次对比了冲切试验荷载记录值与Gutiérrez R提出的理论公式值以及改进公式;基于拉压杆模型提出了多桩基承台的冲切公式,调整了表征承台内桩基桩帽失效的参数。研究表明,原有Gutiérrez R提出的拉压杆模型公式与试验值存在一定的误差范围,而改进后的拉压杆模型公式与试验值有较好的匹配度;此研究方法可在原简单多桩基承台设计的基础上进行了扩展,并将其应用于复杂荷载作用下多桩基承台设计当中。

应用于方矩管生产的扁方吹杆压管机的设计研究

为了解决方矩管在实际生产过程中出现顶吹杆生产效率低、安全系数低的问题,基于生产实际设计了一款扁方吹杆压管机,设计的扁方吹杆压管机由底座、安装板、压管机构等组成,通过对设计的设备进行应用研究,发现扁方吹杆压管机能够有效解决方矩管在生产过程中的吹杆问题,同时提升了方矩管的生产效率,减少了设备的磨损损耗。

考虑轴向均布荷载的细长压杆临界荷载近似解析解

计算细长压杆临界荷载时,若考虑轴向均布荷载,则只能求得数值解,不能得到解析解。为获得近似解析解,建立了细长压杆屈曲时的势能函数,由势能驻值原理导出稳定方程进行求解。受既有2种细长压杆的傅里叶级数型挠曲线的启发,采用数学软件Maple 18对基本三角函数或其乘积进行循环测试,逆向筛查出另外8种既满足位移边界条件又满足内力边界条件的傅里叶级数型挠曲线,求得10种细长压杆临界荷载的近似解析解。结果表明:临界荷载与轴向均布荷载成准线性关系。若在所得解答中令轴向均布荷载为零,则可得细长压杆的欧拉临界荷载;若令上端中心轴向荷载为零,则可得细长压杆的均布临界荷载。若考虑轴向均布荷载,支座位置互换后临界荷载一般会有特别显著的变化。比较所得解答与有限元数值解发现:所有细长压杆的两种解较一致,即所得解答能满足预期要求。

考虑轴向变形下的细长压杆屈曲分析

用简化弹性力学方法建立了轴压下细长压杆的屈曲微分方程,推导出了轴压下细长压杆的挠曲线方程及屈曲载荷公式。研究结果表明:在轴向压力作用下,轴向压力小于或等于屈曲载荷时,压杆始终是保持直线状态。当考虑细长压杆轴向变形时,利用线性屈曲微分方程,可以确定细长压杆的中点挠度。当细长压杆表面没有孔洞且为整体连续时,剪切变形对屈曲载荷的影响可以忽略不计。对于格构式细长压杆的屈曲载荷,剪切变形的影响较大,不能忽略剪切变形对屈曲载荷的影响。

铝合金结构轴心压杆稳定性研究

以 5 0 0m口径射电望远镜主动反射面支撑结构体系的研究为依托 ,在试验研究的基础上 ,分析研究铝合金轴心压杆的工作性能 ,同时综合分析了国内外有关规范及研究文献关于铝合金轴心压杆稳定性的计算方法 ,提出了一组新的更接近试验结果的计算公式 .这组公式不仅具有工程实用价值 ,而且对国内铝合金结构工程的应用开发、规范的制订与实施 。

冲击波壁面反射压力的压杆测试法

为测量爆炸容器壁面反射压力,设计了一种压杆测压系统,对应力波在压杆中的传播进行了数值模拟,分析了压杆测压系统的频响、可测量下限和有效测量时间。对于直径为8 mm的钢质压杆系统,其频响约为115 kHz,使用电阻应变片可测量下限约为3.6 MPa.将压杆测压系统成功应用于小比距离爆炸冲击波测试,获得了较理想的结果,测量最大压力约1.2 GPa.研究表明压杆测压是一种原理简单、量程大、频响高、成本低、抗干扰能力强的方法,可用于爆炸近区壁面反射压力测试。

冲击矿压巷道支护锚杆杆体材料优选

针对目前冲击矿压巷道锚杆支护存在变形量大、锚杆易破断的问题,在实验室对HRB400,HRB600和CRM600三种锚杆杆体材料进行了常规力学性能试验和冲击载荷下力学性能试验。试验结果表明,CRM600锚杆材料不仅能够满足常规巷道支护的要求,在冲击载荷作用下表现出优越的瞬时延伸性能和吸能能力。在瞬时冲击载荷作用下,CRM600锚杆材料总变形量为HRB600锚杆材料的7.9倍,为HRB400锚杆材料的1.5倍;冲击全过程总吸收能量为HRB600锚杆材料的4.2倍,为HRB400锚杆材料的2.1倍。CRM600锚杆在冲击矿压巷道支护井下工业性试验中克服了锚杆破断的问题,巷道变形得到有效控制。