钢管混凝土双块式轨枕无砟轨道结构疲劳性能试验研究

新型钢管混凝土(CFT)双块式轨枕克服了桁架钢筋双块式轨枕存在的生产制造复杂、存放易锈蚀、运营阶段易开裂等问题,可广泛应用于高速铁路和城市轨道交通无砟轨道结构。为检验CFT双块式轨枕无砟轨道结构的疲劳性能,采用11根预制CFT双块式轨枕现浇制作足尺无砟轨道结构节段模型,开展橡胶隔振垫式减振轨道和现浇整体式轨道节段的疲劳试验,揭示其疲劳损伤特性,分析典型疲劳加载循环次数后静载作用下轨道结构应变和变形分布及其演化规律。研究结果表明:1.5倍静轴重的疲劳荷载累计作用500万次后,减振节段及整浇节段CFT双块式轨枕无砟轨道结构混凝土均未出现肉眼可见的裂缝,轨枕与现浇道床整体工作性能良好,疲劳性能满足规范要求;停机开展静载试验过程中轨道结构各测点混凝土横向应变值随荷载增大而近似线性增大,最大拉压应变值均远小于混凝土的极限应变值,工作状态良好;轨道整浇节段道床板中处于整体受拉的状态,可见设置层间连接钢筋实现了道床与底座的共同工作;疲劳试验过程中轨道结构测点竖向位移值总体随着静载的增大而逐渐增大,位移量级较小,满足规范要求,减振轨道节段竖向位移值及其变化率大于整浇轨道节段。研究结果可供类似研究及钢管混凝土双块式轨枕无砟轨道结构工程应用参考。

爆炸荷载下预制节段拼装双层钢管混凝土墩柱的动力响应数值模拟

为提升装配式公路桥梁的抗爆防护能力,提出了一种新型预制节段拼装双层钢管混凝土(PS-CFDST)组合墩柱.基于非线性显式动力分析程序LS-DYNA建立了新型PS-CFDST墩柱在爆炸荷载作用下动力响应分析的精细有限元模型,并通过已有试验结果验证了模型的准确性.对爆炸荷载作用下PS-CFDST墩柱的动力响应进行数值模拟分析,研究了PS-CFDST墩柱在爆炸荷载作用下的破坏过程、损伤机理和耗能机制.运用参数化分析方法,研究了爆炸距离、节段数量和预应力水平等关键参数对PS-CFDST墩柱动力响应的影响,并在此基础上提出了PS-CFDST墩柱的抗爆设计建议.结果表明:PS-CFDST墩柱除通过材料塑性损伤耗能之外,节段接缝界面滑移耗能机制对耗能贡献可达40%以上;增大墩柱可接近距离是提升墩柱抗爆安全性的有效手段,增大预应力有利于减小柱中最大水平位移和墩底剪切滑移,从而提升PS-CFDST墩柱的抗爆性能.

新型钢管混凝土枕式无砟轨道动力响应试验研究

采用钢管混凝土构件连接轨枕块形成钢管混凝土轨枕,基于钢管混凝土轨枕设计城市轨道交通用钢管混凝土枕式无砟轨道结构。为掌握钢管混凝土枕式无砟轨道结构在城市轨道交通列车运行条件下的力学性能,验证结构设计的安全性、合理性,分别在减振地段、普通地段铺设钢管混凝土枕式无砟轨道,通过行车试验,测试分析不同列车行驶速度下无砟轨道钢轨、轨枕、道床结构的动力响应。研究结果表明:在列车车速为40、60和80 km/h运行条件下,轮轨垂向力最大值为86.18 kN,横向力最大值为13.99 kN,脱轨系数最大值为0.21,轮重减载率最大值为0.23,测试值均明显小于相应的安全限值,无砟轨道结构满足行车安全性要求;在列车动荷载作用下,钢管混凝土轨枕钢管压应力最大值为3.55 MPa,拉应力最大值为3.77 MPa;轨枕块压应力最大值为1.32 MPa;道床钢筋压应力最大值为2.30 MPa,拉应力最大值为3.54 MPa;道床底压应力最大值0.22 MPa。这些动力响应结果均满足材料的的限值,表明结构保持了良好的力学性能,结构设计合理可行。

圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱偏压性能分析

目的研究圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱的偏压性能,提出其偏压承载力计算方法。方法以长细比、偏心率、混凝土强度、纵筋配筋率及外钢管直径为参数,利用ABAQUS有限元分析软件建立相应的有限元模型,考察不同参数对荷载-挠度曲线和荷载-弯矩曲线的影响,并进行工作机理分析;最后基于叠加理论给出偏压承载力计算方法。结果圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱在偏压状态下的受力全过程可分为弹性、弹塑性和塑性3个阶段;长细比和偏心率是影响偏压承载力的主要因素,其中长细比由40增加到50和60时,承载力分别降低9.4%和18.9%;偏心率由0.2增加到0.4和0.6时,承载力分别降低31.0%和50.3%;由偏压承载力计算方法所得的结果与有限元模拟结果吻合较好。结论圆中空夹层钢管混凝土叠合长柱在减轻自重的情况下具有一定的承载能力和延性,偏压性能良好。

中空夹层钢管混凝土构件轴压性能有限元分析

为探明中空夹层钢管混凝土(CFDST)构件轴压性能的影响因素,在已有钢管混凝土柱轴压试验基础上,构建数值分析模型,开展长径比、空心率、内钢管壁厚、夹层混凝土抗压强度等参数对中空夹层钢管混凝土构件轴压性能的影响规律的研究。研究结果表明:研究参数范围内,轴压极限承载力随内钢管壁厚、夹层混凝土强度的增大,空心率、长径比的减小而增大。内钢管壁厚增大1 mm,轴压极限承载力提高2.9%~3.7%,承载力增长系数增大约0.7%;混凝土强度从C40增加到C90,圆截面试件轴压承载力增大了68%;方截面试件轴压承载力增大了53%;空心率每增大0.1,轴压极限承载力降低3.4%~8.7%,承载力增长系数减小约5%;圆截面试件长径比从2.2增大到7.2,承载力下降了3%。方截面试件长径比从2.2增大到5.7,承载力下降10%。长径比对构件的极限承载力影响,明显低于空心率、内钢管壁厚和内填混凝土强度对构件极限承载力的影响程度。随着试件长径比的增加,试件承载力峰值有所下降,但其承载力达到峰值时的位移量不断增大,表明构件延性有所提高。随内填混凝土强度的提高,试件的承载力峰值和达到峰值时的位移都有所提高,说明增大内填混凝土强度在提高钢管混凝土承载力的同时还能改善试件的延性性能。

复式钢管混凝土柱-钢梁半穿心节点拉拔性能试验研究

对3种复式钢管混凝土柱-钢梁半穿心节点试件(腹板半穿心节点试件AJ1、腹板-翼缘半穿心试件AJ2和腹板-横隔板半穿心节点试件AJ3)进行了拉拔试验,探讨了节点的破坏形态和拉拔性能。结果表明试件AJ2、AJ3的承载力比试件AJ1分别提高了14.2%和13%,表明内外钢管间设置横向水平半穿心构件有利于改善节点抗拉传力机制并可明显提高其抗拉承载力。为进一步研究半穿心构件对节点拉拔性能的影响,进行了纯钢梁翼缘节点试件AJ1-R、AJ2-R、AJ3-R的拉拔试验。结果表明,3种半穿心节点试件AJ1、AJ2、AJ3的极限荷载较纯翼缘节点试件AJ1-R、AJ2-R、AJ3-R分别提高了60.1%、22.7%、73.8%,初始刚度提高约2倍;半穿心腹板为主要传力构件,保证了节点具有较强的承载能力和抗拉刚度;半穿心翼缘能直接传递梁柱之间拉力,而半穿心横隔板有利于发挥斜向腋板传递拉力的作用,达到与半穿心翼缘相当的承载能力,且能较好地保证核心区混凝土的密实性和节点变形性能。

中空夹层钢管混凝土风力机塔架风振性能研究

传统风力发电机组塔架大多为锥形单管钢薄壁细长结构,此类结构在叶片转动及风荷载作用下易发生大的变形和振动。为克服传统风电塔自身发展的局限性并发挥中空夹层钢管混凝土(CFDST)结构优良的力学性能,基于某锥形钢塔筒,通过承载力等效提出CFDST塔筒结构形式,利用ABAQUS软件建立其风振性能有限元模型,对比了两种塔筒的振动模态。从时域和频域对二者在不同荷载工况下的动力响应特征进行对比分析,并对塔筒与叶片是否共振及瞬态冲击荷载下的振动进行了研究。结果表明:CFDST塔筒在保证原有钢塔筒抗弯承载力和刚度的同时,底部截面尺寸减小了25.6%,且不会与叶轮转动产生的谐波激励发生共振;阻尼对风机塔筒位移、速度、加速度及应力响应幅值影响显著;与钢塔筒相比,CFDST塔筒在正常运行荷载工况下峰值位移、加速度幅值和最大等效应力分别降低21.1%、30.2%和41.6%,而在暴风荷载工况下,分别减小14.4%、32.2%和36.3%;研究成果可为相关塔筒的设计优化提供参考。

外包不锈钢管中空夹层钢管混凝土压弯构件N_(u)-M_(u)相关曲线研究

外包不锈钢管中空夹层钢管混凝土构件结合了中空夹层钢管混凝土(CFDST)与不锈钢的优点,在桥墩、海洋平台与输电塔结构中有广泛应用前景。为此,该文基于前期试验,采用自编纤维模型法程序对225个外包不锈钢管CFDST压弯构件进行了系统分析。研究了各参数对该类压弯构件典型N/N_(u)-M/M_(u)曲线的影响,并将相关曲线与普通外包碳素钢管CFDST构件进行了对比,最后提出了该类压弯构件N/N_(u)-M/M_(u)相关曲线方程。分析结果表明:该文自编纤维模型法程序可较好预测外包不锈钢管CFDST构件压弯承载力以及N/N_(u)M/M_(u)曲线的发展;混凝土强度、内管径厚比、钢材屈服强度、空心率、名义含钢率与长细比影响N/N_(u)M/M_(u)曲线的形状;由于不锈钢材料明显的应变强化效应,相比于外包碳素钢管CFDST构件,外包不锈钢管CFDST构件的N/N_(u)-M/M_(u)曲线接近于钢结构;基于试验与参数分析结果以及外包碳素钢CFDST计算公式,得到了外包不锈钢CFDST相关曲线特征点公式和曲线方程,与程序计算结果吻合较好。

风电混合塔筒中空夹层钢管混凝土转接结构轴压性能试验研究

在风电机组预应力钢-混凝土混合结构塔筒中,转接结构是用于连接上部钢塔段与下部混凝土塔段的过渡结构,其受力复杂,采用传统的钢筋混凝土结构形式容易产生裂缝甚至发生破坏。提出了一种中空夹层钢管混凝土转接结构,并进行了4个中空夹层钢管混凝土转接结构试件及1个钢筋混凝土转接结构对比试件的轴压试验。结合有限元及理论分析揭示了中空夹层钢管混凝土转接结构的承载能力及隔板、栓钉等因素对其受力性能的影响。结果表明:在相同用钢量下,中空夹层钢管混凝土结构形式显著提高了转接结构的承载能力及变形能力;隔板和栓钉的设置增强了钢与混凝土的连接,限制了内外钢板的局部屈曲、延缓了混凝土的压溃,进一步提升了结构的轴压受力性能;其中,栓钉对于增强结构整体性更为有利,使结构延性增加更为显著。

大空心率中空夹层钢管混凝土构件的抗撞性能研究

大空心率中空夹层钢管混凝土构件的抗撞击性能有其自身特点,利用有限元软件ABAQUS建立考虑初始几何缺陷的中空夹层钢管混凝土构件的侧向撞击模型,对比了不同初始几何缺陷组合下空心率范围为0.2~0.9构件的抗撞击性能;在此基础上讨论了初始几何缺陷对空心率为0.8构件撞击响应的影响,并对影响大空心率构件撞击响应的主要参数进行分析;最后基于参数分析结果和静态荷载作用下的荷载-局部压痕关系,给出大空心率中空夹层钢管混凝土构件在侧向撞击荷载作用下撞击力-局部变形简化预测公式。结果表明:与无几何缺陷构件相比,考虑初始几何缺陷时构件的撞击力平台值降低,局部变形增大,当空心率达到0.8时,几何缺陷的不利影响最显著,构件的撞击力平台值下降10.6%,跨中局部变形增大20.4%。提高名义含钢率和减小内钢管径厚比可有效减小初始几何缺陷对该类构件抗撞击性能的不利影响,而改变材料强度对该类构件抗撞性能影响相对较小。给出的简化计算公式可以较好地预测有无初始几何缺陷的大空心率构件在侧向撞击荷载下的撞击力-局部变形曲线。

方中空不锈钢管混凝土短柱轴压承载力性能

为促进方中空不锈钢管混凝土构件在土木工程中的应用,以不锈钢外管厚度和混凝土强度为变量的6组试件为研究对象,首先,进行轴压试验,得到了不同试件在轴压荷载作用下的破坏模式、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线,并进一步分析了不锈钢方管宽厚比、核心混凝土强度以及不锈钢方管约束效应系数对方中空不锈钢管混凝土短柱极限承载力的影响;然后,初步讨论了倒角对强度和延性的影响,提出了避免内管先于外管屈曲的最小厚度计算方法;最后,基于试验结果以及已有文献数据,采用拟合方法推导了方中空不锈钢管混凝土短柱的抗压承载力计算式,并与已有文献的简化模型及国外主要规范的计算结果进行对比.研究结果表明:试件宽厚比由34.9降至20.9,极限承载力的提升率平均为98.5%,核心混凝土强度由C40提升至C60时,试件极限承载力的提升率平均为7.3%;短柱的轴压极限承载力随约束效应系数近似呈线性增加,约束效应系数ξ越大,短柱的承载力越高;本文得到的计算式可以较好地预测方中空不锈钢管混凝土短柱的轴压承载力.

方中空夹层钢管陶瓷再生混凝土柱偏压力学性能研究

为研究粗骨料类型、空心率、长细比和偏心距对方中空夹层钢管陶瓷再生混凝土柱偏压力学性能的影响,进行了16根试件的偏压试验,其中粗骨料类型分别为废弃陶瓷和天然碎石。试验结果表明:所有试件均表现为弹塑性失稳破坏;试件的极限承载力和抗弯刚度随长细比和偏心距的增大而降低,其中中空夹层试件的极限承载力高于实心试件的相应值;陶瓷再生混凝土试件展现出了较好的延性和变形能力,其极限承载力与普通混凝土试件接近。使用有限元软件对试验进行模拟,模拟得到的荷载-跨中挠度曲线整体与试验曲线接近。采用T/CCES 7—2020和DB 36/J001—2007分别对中空夹层试件和实心试件极限承载力进行计算,计算结果接近试验值。

船舶碰撞中空夹层钢管混凝土导管架平台损伤分析

针对船舶与中空夹层钢管混凝土(CFDST)导管架平台碰撞问题,利用ABAQUS/Explicit非线性有限元软件建立中空夹层钢管混凝土导管腿导管架数值模型,对船舶碰撞进行数值模拟,对比分析1 m/s、2 m/s和3 m/s的3种碰撞速度下工况下导管架抗碰撞性能、耗能及损伤。从碰撞力、碰撞区域变形以及导管架能量耗散等方面详细研究中空夹层钢管混凝土导管腿作用下导管架整体的损伤模式和动力响应。结果表明:CFDST导管架在船舶碰撞荷载作用下主要由CFDST导管腿耗能,有效控制了结构整体位移变形,提升了整体刚度,有效发挥平台各构件之间组合耗能,结构抗碰撞能力得到明显提升。

预制节段拼装双层钢管-混凝土组合墩柱抗震性能分析

为研究预制节段拼装CFDST墩柱的抗震性能,开展了预制节段拼装CFDST墩柱拟静力试验,并采用有限元软件ABAQUS对墩柱力学行为进行数值模拟,分析素混凝土层、初始预应力度和节段数量对墩柱抗震性能的影响.结果表明:在水平往复荷载作用下,墩柱未出现明显破坏,滞回曲线呈明显旗帜形,最大残余偏移率为0.18%,具有良好的自复位性能;最大偏移率为5.25%时,轴向预应力损失约为10.20%,墩身变形主要来自接缝处开口,正、负向最大累计开口量分别达到10.70和12.35 mm,存在明显的多转角变形模式;数值模型可以较好地模拟墩柱的非线性力学行为;考虑节段间素混凝土层可以更为合理地模拟墩柱滞回性能,提高初始预应力度可增强墩柱强度和耗能能力,而节段数量则对墩柱滞回性能影响较小.

轴压比对圆中空夹层钢管混凝土抗撞性能的影响分析

轴压比是影响圆中空夹层钢管混凝土构件抗撞性能的一个重要参数,因此,在前期试验研究基础上,采用ABAQUS建立了圆中空夹层钢管混凝土构件在侧向撞击和轴力荷载耦合作用下的有限元分析模型,研究了不同轴压比下构件抗撞工作机理,并以名义截面含钢率、空心率与材料强度为主要参数,重点分析了轴压比对构件抗撞性能的影响。结果表明:在侧向撞击和轴力荷载耦合作用下构件主要发生受弯破坏,外钢管与混凝土的塑性变形是构件的主要耗能机制;当轴压比从0增大到0.5时,构件的抗撞性能先增强后减弱;随着构件名义截面含钢率、空心率和外钢管屈服强度的增大及混凝土强度的减小,轴压比对构件抗撞性能的有利影响范围分别减小约75%、57%、15%和18%。

圆中空夹层钢管再生陶瓷混凝土压弯构件力学性能研究

以空心率、混凝土类型、长细比和偏心率为参数变量,共进行12根圆中空夹层钢管再生陶瓷混凝土压弯构件和4根圆中空夹层钢管普通混凝土压弯构件的对比试验研究。试验结果表明:试件均为整体失稳破坏,中长柱外钢管屈曲出现在端部及中部截面附近,偏心率越大,挠度发展更快,同时承载力和刚度降低,延性增大;长柱未出现屈曲现象,与中长柱相比,其承载力和刚度降低,延性变化不明显;本次试验的空心率对刚度和延性影响不明显;与普通试件相比,再生试件在弹塑性阶段刚度略有下降,二者后期延性接近。采用本文提出受钢管约束的再生陶瓷混凝土本构关系建模能较好地模拟出本次试件的破坏形态,模拟的荷载-挠度曲线与试验结果接近,计算的峰值荷载与试验值的之比差值均在5%以内;采用再生陶瓷混凝土本构关系与普通混凝土本构关系进行有限元模拟对比:与普通试件相比,再生试件承载力略微降低,弹塑性阶段刚度有所下降,但后期延性略有增加。荷载达峰值时,随着偏心率增大,混凝土承担的荷载比例逐渐增大;与长柱相比,中长柱承担荷载比例更大;由于内管承担了部分荷载,中空试件中混凝土承担荷载小于实心试件。

方中空夹层钢管混凝土叠合长柱轴压性能

目的 基于方中空夹层钢管混凝土叠合长柱轴压性能有限元分析,阐述轴压长柱受力状态,提出轴压承载力计算方法。方法 建立并验证方中空夹层钢管混凝土叠合长柱有限元模型,定义荷载-变形曲线上6个力学特征点,分析不同特征点处柱中部截面应力分布。研究材料强度、配筋率、空心率、截面径宽比、钢管径厚比及长细比等因素对叠合长柱轴压性能的影响。运用叠加法和折减法计算长柱轴压稳定承载力。结果 方中空夹层钢管混凝土叠合长柱力学性能良好,轴压性能受外钢管径厚比、外部混凝土强度以及长细比影响显著;综合叠加法与折减法计算的叠合长柱轴压承载力与有限元计算结果之比的平均值和标准差分别为1.013和0.038。结论 方中空夹层钢管混凝土叠合长柱具有较好的轴压性能,基于叠加与折减理论提出的计算公式可较好地计算其轴压承载力。

装配式复式钢管混凝土节点抗震性能试验

提出一种便于灾后修复的装配式复式钢管混凝土节点。为明确端板厚度、柱轴压比、螺栓直径、混凝土填充度和内钢管截面形状对节点抗震性能的影响,对6个缩尺比为1∶2的节点试件进行拟静力试验,研究了节点的承载力、延性、刚度退化、承载力退化和耗能能力。结果表明:节点的破坏形态包含端板弯曲、钢梁翼缘屈曲、端板与翼缘间焊缝开裂和螺栓翘曲断裂;6个试件的荷载-位移滞回曲线饱满,表明节点具有较强的耗能能力;位移延性系数均大于4.89,具有良好的塑性变形能力和延性;强度退化系数基本保持在0.9~1.0,表现出良好的承载力稳定性;增大端板厚度,可显著提高节点的各项抗震性能指标;增大柱轴压比、提高混凝土填充度和方钢管代替内圆钢管均会提高节点承载力,而螺栓直径几乎不影响节点承载力;改变柱轴压比和螺栓直径对节点耗能影响极小,提高混凝土填充度和方钢管代替内圆钢管均会明显降低节点耗能能力。建立的非线性有限元模型得到的节点破坏形态、承载力与试验结果吻合良好。

带肋中空夹层钢管自密实混凝土轴压性能研究

设计5类带肋中空夹层钢管自密实混凝土结构以满足此类钢-混凝土组合结构运用于类似风电塔架等高耸结构的要求。对设计的5类结构试件进行轴压试验,研究了试件在试验过程中的变形情况、破坏形式、荷载与应变关系和肋板布置方式对试件承载力的影响;验证有限元计算模型有效性之后,对试件在全过程受荷中的刚度变化,延性特性和内、外钢管的工作机理进行研究分析。最后提出综合性能评价标准衡量5类试件在非线性工作阶段的受力性能。通过这一系列的研究表明,在钢管中焊接与试件相同高度的通长肋板对试件包括承载力在内的各方面受力性能有显著的提高,而在钢管中焊接分层肋板对试件除了延性性能之外的各方面受力性能都有不同程度的降低。

圆套圆中空夹层钢管混凝土压扭性能研究

为研究圆套圆中空夹层钢管混凝土的压扭性能,完成了12个该类构件在先压后扭受力下的静力性能试验,变化参数为空心率、含钢率和轴压比等。结果表明:构件的抗扭承载能力较好,在发生较大的扭转变形后,可以保持较高的承载力。钢管中截面三个测点的应变变化情况基本一致,弹性阶段外钢管测点的剪应变与构件扭转角呈线性关系。在一定的轴压比范围内(n≤0.3),构件的抗扭承载力随轴压比的增大稍有提高,构件的刚度也得到了一定程度的增强。利用ABAQUS有限元分析软件对构件的扭矩-转角曲线进行了模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。参数化分析表明:外钢管变形较为严重,承担大部分的截面扭矩,内钢管变形较小。外钢管与混凝土接触面的法向应力和剪应力较大。混凝土强度等级对构件的抗扭承载力影响很小。随着钢材的强度等级以及含钢率的提高,构件的抗扭承载能力提高很大。