工字形钢梁-矩形钢管柱单向螺栓节点抗弯承载力理论计算方法

针对工字形纯钢梁和钢-混凝土组合梁分别与矩形钢管柱和矩形钢管混凝土柱采用单向螺栓(也称单边拧紧螺栓)连接形成的4种节点形式,对其在弯矩作用下的受力机理及破坏模式进行分析,讨论导致节点失效的因素。总结节点在弯矩作用下的9种失效模式,包括:单向螺栓拉断、端板受弯屈服、矩形钢管柱壁翼板受拉屈服、矩形钢管柱壁翼板受压屈服、矩形钢管柱壁腹板受压屈曲、混凝土楼板局部压溃、钢筋屈服、矩形钢管柱内混凝土局部压溃、矩形钢管柱壁腹板受压屈服,进而基于破坏模式给出节点各组件承载力的计算公式。对4种节点在不同破坏模式下的正弯矩承载力和负弯矩承载力进行分析,给出节点承载力计算公式。将节点抗弯承载力的理论计算结果与试验结果进行对比,验证理论计算方法的可靠性。

考虑强弱轴影响的矩形钢管网壳结构弹塑性稳定性分析

在单层网壳结构中,存在强弱轴的矩形钢管较圆钢管、方形钢管在结构受力合理性、材料性能充分利用上存在优势。首先通过一组算例对比分析了圆钢管、H型钢、方形钢管和矩形钢管四种杆件形式在网壳结构曲面内外承受双向压弯的稳定性差异,随后将矩形钢管带入装配式节点的弹簧单元有限元模型,对比刚接模型进行研究,得到了节点域、节点刚度、初始缺陷幅值、矢跨比等参数对结构稳定承载力的影响规律。结果表明,矩形钢管的稳定应力在两个方向上可以达到平衡,且在强轴方向的稳定应力要低于同截面面积的圆钢管和方形钢管的稳定应力;对于截面存在强、弱轴且在截面两个方向材料充分运用的杆件,其弱轴方向抗弯刚度的影响不可忽视。

矩形钢管K型节点复合型应力强度因子计算方法研究

相比圆形钢管桁架,矩形钢管桁架在施工方面具有一定的技术经济优势,并已广泛应用于桥梁工程中,鉴于断裂力学法评估该类结构疲劳性能的需要,该文探讨矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的应力强度因子计算方法。提出带表面裂纹矩形钢管K型节点有限元建模方法,并与试验进行验证;通过参数分析,研究节点和裂纹几何参数对节点几何修正系数Y的影响;多元回归分析拟合得到矩形钢管K型节点应力强度因子计算公式及其修正后的设计计算公式,并通过算例分析给出基于断裂力学的钢管节点剩余疲劳寿命评估方法。结果表明:有限元结果与试验结果比值均值为1.012,变异系数为0.034,两者最大差值仅为5.5%,表明有限元计算结果可靠;节点几何参数2γ、τ与Y呈正相关,θ与Y呈负相关,其原因主要在于节点相贯线处刚度和受拉荷载变化,改变了裂纹尖端应力场,从而影响了裂纹扩展速率,裂纹几何参数c/a与Y呈正相关,但影响不明显,a/t0与Y呈负相关;提出的应力强度因子计算公式与有限元计算结果吻合良好,且修正后用于设计的计算公式具有95%的可靠度;圆形钢管节点应力强度因子高于矩形钢管节点,平均提高24.9%,说明在相同荷载工况下,圆形钢管节点裂纹扩展速率更快,算例分析也进一步验证该结论,圆形钢管节点剩余疲劳寿命为2.1×105次,低于矩形钢管节点的剩余疲劳寿命2.3×105次。

考虑弯曲应力占比的矩形钢管K型节点疲劳评估

为提高S-N曲线法与断裂力学法等疲劳评估方法的准确性,探讨了矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的弯曲应力占比计算方法。首先建立了矩形钢管K型节点有限元模型并结合试验进行了验证,然后通过大量的参数分析得出了节点几何参数对弯曲应力占比的影响,最后通过多元非线性回归分析推导出弯曲应力占比的计算公式及考虑工程实际应用偏安全的修正公式,给出了基于断裂力学法的矩形钢管K型节点断裂评估算例。结果表明:建立的模型与试验值相比,弯曲应力占比平均值为1.051,均方差为0.167,两者最大差值仅为7.5%,说明建立的有限元模型可靠;提出的弯曲应力占比计算公式与有限元计算结果相比,其均值为1.073,均方差为0.055,变异系数为0.051,相对差值在10%之内,验证了拟合公式的可靠性;考虑实际工程偏安全应用,在99.73%的保证率下提出乘以0.93倍的安全系数对弯曲应力占比计算公式进行修正;当热点应力相近,弯曲应力占比降低39.3%时,疲劳寿命会降低10%,膜应力变大时会导致其裂纹尖端具有更大的应力强度因子而加快了裂纹扩展的速率。

往复荷载作用下矩形钢管混凝土构件力学性能的研究

以往 ,国内外学者对矩形钢管混凝土构件滞回性能的研究尚少见报道。本文以矩形钢管混凝土构件截面高宽比和轴压比为主要参数 ,进行了 3 0个构件滞回性能的实验研究。利用数值方法分析了矩形钢管混凝土构件的滞回性能 ,理论计算结果与实验结果吻合较好。利用数值方法 ,系统分析和考察了轴压比、长细比、含钢率、截面高宽比、钢材屈服强度和混凝土强度等参数对滞回曲线骨架线的影响规律 ,在此基础上 ,提出了矩形钢管混凝土构件弯矩 -曲率和P -Δ滞回关系模型 ,以及位移延性系数的简化计算方法。

矩形钢管高强混凝土中长柱轴压构件的试验研究与理论分析

进行了 10根矩形截面钢管高强混凝土中长柱轴压构件的试验研究 ,目的是分析长细比、含钢率和截面长宽比对中长柱轴压构件的影响。同时 ,采用数值分析的方法 ,编制了适用于矩形钢管高强混凝土轴压构件的非线性计算程序 ,理论分析结果和试验结果进行了对比 ,两者吻合较好。在此基础上 ,利用所编制的非线性分析程序 ,分析了含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度和截面长宽比等因素对轴压构件长细比 -稳定系数相关曲线的影响。研究结果表明 :构件的稳定承载力主要和长细比有关 ,随着长细比的增大迅速降低 ;截面长宽比在 1 0～ 1 6的范围内变化时 ,对稳定系数和相对跨中挠度的影响很小。

矩形钢管高强混凝土双向压弯构件截面强度

针对实际工程中方形和矩形钢管高强混凝土双向压弯构件受力时的两种典型加载路径,编制了非线性数值计算程序,对双向压弯构件截面进行了分析,材料本构关系以方形、矩形钢管高强混凝土轴压短柱试验为基础,并考虑了材料加卸载作用的影响.利用所编制的程序,分析了两种典型加载路径下双向压弯构件截面的荷载-变形关系全过程曲线,同时分析了残余应力对截面的荷载-变形关系全过程曲线的影响,讨论了截面长宽比、钢材屈服强度、混凝土强度、含钢率、加载路径及加载角度等参数对截面强度承载力的影响.最后给出了方形和矩形钢管高强混凝土双向压弯构件截面的三维强度承载力相关关系及其简化计算公式,并将简化计算公式计算结果与程序计算结果行了比较,两者吻合较好.

矩形钢管焊接空心球节点承载能力的简化理论解与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”的新型多面体空间刚架结构采用配合矩形钢管、且承受轴力与弯矩共同作用的焊接空心球节点,目前规范对该类节点的设计方法尚属空白。在有限元分析和试验研究的基础上,进一步研究轴力、弯矩及两者共同作用下矩形钢管焊接空心球节点的承载能力及设计方法。首先推导基于冲切面剪应力破坏模型的节点承载力简化理论解,从而得到节点承载力计算公式的基本形式。在此基础上,利用有限元分析和试验结果,建立了轴力、单向弯矩以及两者共同作用下节点承载力的实用计算公式。对双向任意弯矩作用的情况,提出了基于线性插值的简化计算方法。成果可供实际工程设计采用,也可供相关规程修订时参考。

H型钢梁与矩形钢管柱端板单向螺栓连接节点初始转动刚度性能

进行了6组平齐式、外伸式端板单向螺栓连接节点试验,并在现有研究成果的基础上,分别推导了单向螺栓抗拉刚度、受拉端板抗弯刚度、柱壁抗拉刚度、柱壁抗压刚度和受压外伸式端板抗压刚度的计算式.利用组件法推导了平齐式、外伸式连接节点在弯矩作用下初始转动刚度的理论计算公式.结果表明:给出的节点初始转动刚度的计算式与试验结果吻合较好,精度可满足工程设计的要求.最后,提出了H型钢梁与矩形钢管(RHS)柱端板单向螺栓连接节点的设计建议.

FRP布约束RC矩形空心桥墩抗震性能试验研究

为研究纤维增强复合材料(FRP)布约束钢筋混凝土(RC)矩形空心桥墩抗震性能,进行六个高宽比为4的矩形空心桥墩拟静力试验研究,分析FRP布约束矩形空心桥墩破坏形态、位移延性、耗能、最大水平承载力等抗震性能参数。试验结果表明:在轴压比0.2低轴压荷载作用下,采用FRP布加固可明显提高矩形空心桥墩的延性及耗能,位移延性系数及累计耗能分别提高65.4%,25.8%,但对最大承载力影响较小,仅提高3.0%。基于Clough退化双线性滞回模型,结合试验结果,建立考虑强度、刚度退化等FRP布约束RC矩形空心桥墩的简单滞回模型,给出其卸载刚度与再加载刚度的回归公式。

矩形钢管柱与H形梁端板对拉螺栓连接滞回性能研究

钢结构梁柱节点有多种形式,国内外学者研究多侧重在H形梁和H形柱的连接上,对于H形梁和矩形钢管柱(RHS柱)的连接研究则很少。由于矩形钢管柱是封闭截面,节点难以采用普通螺栓连接,采用对拉螺栓连接是这种节点的一种构造解决方案。基于理论模型、结合试验和有限元方法对矩形钢管柱与H形梁端板对拉螺栓连接的滞回性能进行研究,探讨该种连接形式的滞回特性。在试验滞回曲线的基础上,提出了节点的恢复力模型,该模型对钢框架的抗震设计具有较好的参考价值。

矩形钢管和矩形钢管混凝土T形不等宽受拉节点轴向刚度

为获得T形节点轴向刚度简化计算公式,根据节点受力特点,提出了适用于矩形钢管节点的平面框架模型和适用于矩形钢管混凝土节点的固端梁模型,并推导得到了2类节点的节点轴向刚度理论公式;运用有限元方法对节点轴向刚度理论公式中的节点域有效长度leff进行参数分析,拟合得到leff简化计算公式;将节点轴向刚度理论公式与试验及有限元结果进行了对比,并分析了主管内填混凝土对节点轴向刚度的影响。结果表明:主管高宽比和主管宽厚比对leff的影响较小,不予考虑;leff与主管宽度和支管高宽比均呈线性关系,且随之增大而增大;leff与支主管宽度比β呈非线性关系,且随之增大而减小;2类节点的轴向刚度理论公式计算结果与试验结果及有限元结果均吻合较好;主管内填混凝土可以提高节点轴向刚度,提高系数kc/h随着主管高宽比的增大而增大,随着β的增大呈现先增大后减小的规律,且当β=0.6~0.7时提高最大。

矩形钢管焊接球节点的有限元分析与试验研究

为了解轴力、弯矩及两者共同作用下矩形钢管焊接空心球节点的受力性能与承载能力,进行了有限元分析和试验研究.采用理想弹塑性应力-应变关系、Von-Mises屈服准则,建立了基于几何非线性的有限元模型,对承受轴力、弯矩及它们共同作用的矩形钢管焊接球节点进行了大量的有限元参数分析.对4个典型足尺节点进行了试验研究,直观了解节点的受力性能和破坏机理,并验证了有限元模型的可靠性.研究表明,轴力和弯矩共同作用的焊接球节点的轴力-弯矩相关关系与节点的几何参数无关,极大地简化节点承载力的计算方法.

厚壁方矩形管冷弯效应对比分析

为了对厚壁型钢管的冷弯工艺改进、性能分析、结构强度设计和数值模拟结果的验证提供重要依据,进行了冷弯厚壁钢管上截取的平板件、弯角件、母材和相应方、矩形截面短柱的力学性能试验研究,获得了短柱全截面屈服强度相对于母材强度的提高值。分别运用北美等国厚壁冷弯型钢规范、国内薄壁冷弯型钢规范以及相关文献中的修正规范,对我国厚壁冷弯方矩形型钢管全截面强度进行设计和对比分析。结果表明:因冷弯工艺不同,国外公式计算的结果高于国内短柱实测值,国内厚壁冷弯型钢的强度设计不能照搬现有的国外厚壁冷弯型钢设计规范;国内薄壁公式能否适用要视型钢的冷作硬化效应程度决定;原料的强屈比和冷弯应变程度越大,则冷作硬化效应越大;焊接热使板件受到低温"退火"的作用不可忽略,其常常导致竖直配辊冷弯厚壁矩形型钢时,两竖直侧平板件强度低于母材。

FRP约束RC矩形空心截面桥墩抗震性能

为了研究纤维增强复合材料(FRP)约束不同长细比中空截面墩柱的抗震性能,设计并制作了长细比分别为4和8的RC矩形中空截面墩柱,进行了单向水平低周反复荷载作用下的拟静力试验,分析了不同FRP约束墩柱的破坏特征、抗震性能和二次弯矩效应.研究结果表明:FRP约束对长细比较大墩柱的极限变形提高约16%,而墩柱最大承载力和极限承载力仅提高约5%,且减轻了短墩柱的捏缩效应和中长柱的二次弯矩效应;此外,对比分析了不同种类FRP约束不同长细比矩形空心墩柱的墩顶水平位移-力、塑性铰区截面的转动变形-弯矩的模拟值和试验值,其变化规律与试验结果吻合较好.

冷弯薄壁型钢轴压矩形空心管试验研究及承载力分析

对32根壁厚小于2 mm的冷弯薄壁型钢轴压矩形空心管构件进行试验研究,分析构件屈曲模式和极限承载力,采用GB50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和ABAQUS有限元程序计算构件承载力并与试验结果进行分析比较。结果表明:冷弯薄壁型钢轴压矩形空心管构件由于板件宽厚比较大易发生局部屈曲,通过GB50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》可用于壁厚小于2 mm的冷弯薄壁型钢轴压矩形空心管构件的承载力计算,Abaqus有限元程序能较好地模拟冷弯薄壁型钢轴压矩形空心管构件的屈曲模式和分析其极限承载力。

截面长宽比对矩形钢管高强混凝土力学性能的影响

采用数值分析方法分析了矩形钢管高强混凝土轴压短柱、偏压短柱、轴压长柱、偏压长柱及受弯构件的力学性能,理论分析结果和试验结果进行了对比,两者吻合较好。在此基础上利用数值分析程序,通过大量算例的计算,分析了截面长宽比对矩形钢管混凝土轴压、偏压构件及受弯构件力学性能的影响.研究结果表明：截面长宽比在1.0~1.6内变化时对矩形钢管混凝土轴压构件承载力的影响很小,对构件纵向应力-应变关系曲线的下降段有较显著影响;当长细比相同时,截面长宽比对压弯构件相关曲线的影响也较小;矩形钢管混凝土绕强轴的抗弯承载力和刚度随着截面长宽比的增加而增大,绕弱轴的变化规律正好相反.

基于双向拟静力试验的钢筋混凝土箱型薄壁墩抗震性能

对14个钢筋混凝土箱型薄壁墩进行了双向拟静力试验,考察了长细比、轴压比、配箍率等对箱型薄壁墩双向荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、位移延性、滞回耗能和极限曲率等特性的影响,讨论了箱型薄壁墩的双向滞回性能.结果表明:在水平双向反复荷载作用下,箱型薄壁墩以弯曲破坏为主,低墩破坏区域集中于墩底,高墩的破坏区域明显上移;长细比越大,轴压比越小的箱型薄壁墩滞回曲线越饱满,变形能力越大;在长细比为6.9～13.1的范围内,位移延性系数随长细比的增大而减小,长细比为16.3的试件位移延性系数明显增大;长细比大于13.1的试件塑性破坏范围明显增大,但极限曲率显著降低.

冷弯厚壁矩形型钢板材力学性能分析

为了对冷弯厚壁型钢管的生产工艺改进、产品性能分析、结构强度设计和数值模拟结果的验证提供依据,从母材性能分析入手,针对两批断面规格为200×300×9.2的冷弯厚壁矩形型钢管,对从辊式冷弯成型过程中长型材上截取的平板试件、弯角试件的力学性能进行了测试。在此基础上,结合冷弯生产工艺和母材性能,对平板、弯角试件力学性能随冷弯道次的变化规律作了较详细的讨论和分析,并将本文实测值与相关文献中厚壁型钢的冷作硬化效应作了对比。结果表明:型钢全截面上平板件的性能分布极不均匀,竖直配辊冷弯厚壁矩形钢管时,两竖直侧平板件强度低于母材;板材冷作硬化效应主要取决于母材的强度、伸长率和强屈比,其中强屈比对型钢的冷作硬化效应影响最大;为了改善冷弯型钢性能,还应保证热轧板带的质量。

矩形钢管混凝土柱的防火保护

简要介绍了关于火灾下矩形钢管混凝土柱力学性能的研究成果。对构件耐火性能的实验情况、影响耐火极限的重要因素和确定厚涂型方钢管混凝土保护层厚度的实用计算方法作了详细说明 ,并结合工程中矩形钢管混凝土柱的抗火设计实例 ,说明规程课题组提出的抗火设计方法的有效性。