平面KK型矩形钢管节点静力试验研究

依托某主题广场月牙形艺廊单层网壳钢屋架结构,选取其最不利受力节点,设计了中心插板节点和毂节点两种KK型矩形钢管节点,分别对其足尺模型进行静载试验,测试分析模型节点区域的应变及应力分布规律,对比分析支管端部的位移变化。结果表明:1)设计荷载水平下,两个节点均满足受力要求;毂节点和中心插板节点的最大试验荷载约为等效设计荷载的2.85倍和3.25倍,节点安全储备较高;2)在最大试验荷载作用下,两个节点支管根部与中心构件相贯焊缝附近部分均不同程度地屈服,毂节点圆筒内加劲肋焊缝局部出现开裂;3)相同荷载作用下,中心插板节点相应位置应力应变水平相对较低,故中心插板节点的承载强度较高;4)由试验荷载-位移曲线分析得出毂节点的各肢平均位移比中心插板节点约大13.3%,表明中心插板节点弹性刚度较大。

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。

地铁车站矩形顶管壳-接头理论模型及纵向变形

针对矩形顶管隧道易受影响产生纵向变形、进而引发接头破坏的问题,提出一种矩形顶管隧道壳-接头理论模型,并以此研究隧道在不均匀沉降作用下的纵向变形。首先,通过室内模型试验,探究矩形顶管隧道接头力学特性;其次,建立壳-接头理论模型,给出接头力学元件的刚度矩阵及其计算方法;然后,建立数值模型,并与室内模型试验结果进行对比;最后,依托20环管节的矩形顶管隧道工程实例,研究不均匀沉降作用下的隧道纵向变形。结果表明:接头破坏表现为闭合间隙、钢套环受力和变形破坏3个阶段,接头的抗剪和抗弯均由钢套环承担;壳-接头理论模型的模拟计算结果与模型试验结果较吻合,验证了模型的实用性和准确性;矩形顶管隧道的纵向变形受地基刚度影响显著,砾砂、粉砂和黏土3种地层对应的隧道最大附加沉降分别为3.72,7.66和12.14 mm,随着地基刚度的减小,隧道接头受不均匀沉降的影响将会增大。

大直径矩形顶管砼管节制作工艺

随着顶管技术在市政工程中的广泛应用,大直径预制砼管节的应用越来越普遍。大直径矩形顶管砼管节具有断面尺寸大、自重大、结构强度要求高、制作工艺复杂、质量精度及抗渗要求高等特点,因此采用科学合理的管节预制工艺尤其重要。

Symmetric Equations for Evaluating Maximum Torsion Stress of Rectangular Beams in Compliant Mechanisms

There are several design equations available for calculating the torsional compliance and the maximum torsion stress of a rectangular cross-section beam, but most depend on the relative magnitude of the two dimensions of the crosssection(i.e., the thickness and the width). After reviewing the available equations, two thickness-to-width ratio Independent equations that are symmetric with respect to the two dimensions are obtained for evaluating the maximum torsion stress of rectangular cross-section beams. Based on the resulting equations, outside lamina emergent torsional joints are analyzed and some useful design Insights are obtained. These equations, together with the previous work on symmetric equations for calculating torsional compliance, provide a convenient and effective way for designing and optimizing torsional beams in compliant mechanisms.

双洞密贴顶管法装配式地铁车站建造方案及其力学性能研究

为解决采用较小断面的矩形顶管施工大断面装配式地铁车站的难题,以深圳市轨道交通12号线沙三站为工程背景,对双洞密贴顶管法装配式地铁车站建造方案及其力学性能开展研究。首先,介绍该新工法的设计理念及总体方案,包括车站断面分割、结构转换及施工工序等,结合新型结构体系特点,提出双洞车站子结构向整体车站结构转换的竖向、横向受力体系转换方法,并对相应的施工工序进行介绍;然后,介绍顶管法装配式地铁车站结构的管节分块、接头和结构防水体系等方面的设计;最后,采用ABAQUS有限元软件建立基于荷载-结构法的车站结构三维有限元模型,分析施工过程中车站结构的弯矩变化规律。研究表明:1)车站左、右洞子结构在各施工工况下弯矩峰值变化不大,说明了施工工序设计的合理性;2)由于左、右洞子结构接头位置的非对称设计和施工时边界条件的不同,其弯矩具有较大的差异,设计时需注意对控制截面的校核。

风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接疲劳性能研究

提出一种矩形钢管混凝土束风力机塔筒结构,并对该塔筒结构双盖板穿芯螺栓连接节点进行高周疲劳试验和有限元分析,得到节点的疲劳破坏模式和疲劳寿命。结果表明:矩形钢管混凝土束风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接节点疲劳破坏模式为高强螺栓受剪破坏,破坏集中在钢板连接处。螺栓在钢砼连接面和螺帽处产生疲劳裂纹,在剪切疲劳作用下,穿芯螺栓断裂为3段。有限元分析表明,螺栓规格对试件疲劳性能影响较大,增加螺栓直径,能提高节点的疲劳寿命,但疲劳极限值会减小;盖板厚度对疲劳性能影响不明显。

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。

拼装式矩形隧道环向接头抗弯性能试验

矩形隧道因空间利用率高、覆土浅和施工成本相对低廉等特点,成为市政隧道中较合适的断面形式,而环向接头性能对矩形隧道的抗弯承载力有重要影响。对一种矩形隧道的环向卯榫接头开展了大尺寸模型试验,探讨了拼装式隧道环向接头的结构变形和损伤模式。研究结果表明,卯榫接头在承受极限破坏前,接头的混凝土和钢筋应变均低于极限应变;螺杆接头的变形量比较小,主要原因是螺杆的锚固和止裂机制,使接头闭合和开裂阶段的最大张开宽度和压缩量都处于规范范围内;螺杆接头受力后表现出压缩弯曲破坏模式,其主要特征是前期承压,中期塑性变形与小扩张,后期接缝快速扩张,螺杆处混凝土受拉破坏;卯榫接头受力变形稳定、承载力高、控制裂隙能力强、塑性好而不发生脆性破坏,所以适合作为装配式框架隧道的接头方案。

矩形顶管隧道F型承插接头剪切性能研究

通过接头剪切试验研究在地基沉降、施工扰动及上部荷载变化等情况下矩形顶管隧道的F型承插接头剪切受力性能及变形特征.通过在管节底部布置等效地基弹簧的方式,模拟不同地层条件下土体对矩形顶管的支撑作用.结果表明:在管节接头发生剪切变形过程中,钢套环刚度与地基刚度越大,接头抗剪承载能力越强,错台量越小.钢套环焊缝强度严重制约管节的承载能力,裂缝出现使得接头的抗剪承载力下降29.5%~51.5%.在剪切作用下,接头钢套环容易发生翘曲变形或者焊缝开裂,接头处与钢套环接触的混凝土容易被压碎,接头根部混凝土容易开裂.

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。

矩形顶管隧道F型承插接头抗弯性能试验研究

为研究矩形顶管隧道在地基沉降及上部荷载变化等情况下F型承插接头的抗弯性能、变形规律及破坏特征,在管节底部布置不同数量的等效地基弹簧来模拟不同地质条件,开展不同地层条件下的接头弯曲试验。试验结果表明:1)加载初期,接头弯曲变形主要为钢套环变形,各等效地基下接头抗弯刚度差异较小。2)当位移加载至15~25 mm时,管节顶底板内侧与侧墙外侧出现裂缝,由于管节自身变形使得接头张开量随着加载位移的增大出现减缓,接头抗弯刚度曲线斜率增大,并以0.007 rad张开量为界线划分为2个阶段。3)根据拉线式位移计变化、接头混凝土应变及钢套环应变可知,顶底板中部及侧墙中部挠曲应力最大,且在上方荷载作用下,管节表现出被压扁的趋势。4)接头弯曲变形中,插口端混凝土会与承口端混凝土及钢套环发生挤压,顶板混凝土被压碎,钢套环由于挤压而发生翘曲。

装配式钢-UHPC组合桥面板湿接缝轴拉性能研究

为缓解钢-UHPC组合桥面板易开裂的问题,文中设定装配式钢-UHPC组合桥面板,并对其湿接缝轴拉性能进行研究:在试验室中完成试件制备,并应用轴拉实验装置对其性能进行测定分析。实验结果表明,装配式钢-UHPC组合桥面板轴拉性能高于基础施工桥面板与钢-UHPC组合桥面板,可对外界荷载进行平均分配,进一步缓解桥面开裂问题。

不均匀沉降下矩形顶管管节张开的预应力锚索控制方案研究

以预应力矩形顶管为研究对象,通过建立预应力矩形顶管的精细化荷载-结构模型,针对有无预应力锚索及施设不同数量与布置方式的预应力锚索等情况,研究顶管管节发生不均匀沉降时的接缝张开行为,探明预应力锚索方案在控制不均匀沉降下管节张开上的效果,并给出了预应力锚索在管节横断面上的合理排布方式及施设位置。

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。

弦管轴向应力对TX型和XX型矩形管节点轴向承载力的影响

管节点通常是弦管和支管都受到轴向力作用,弦管应力可能对节点轴向承载力有显著的影响.本文使用有限元软件ANSYS分析了弦管应力对TX型和XX型矩形管节点轴向承载力的影响,并与相应的平面T型和X型矩形管节点作了对比.采用Lu的方法判定节点承载力.结果表明,弦管拉力对节点承载力的影响可以忽略,而弦管压力则会降低节点承载力,本文计算结果与相关规范有一定差异.

肋板加强型管节点静力强度研究

在主管与支管相贯处设置肋板是提高圆钢管节点极限承载力的一种方法。本文采用有限元方法,通过对65个加强与未加强的T节点进行模拟和分析,研究了矩形肋板对节点的静力强度的影响。通过对矩形肋板的参数研究发现:在矩形肋板的长度、高度和厚度取值合适的情况下,矩形肋板能够有效地提高节点的承载力,同时给出了矩形肋板几何尺寸选取的建议。最后通过调查研究矩形肋板应力分布情况对矩形肋板进行了优化。研究发现将矩形肋板的一角按照一定的尺寸切割掉,加强节点的承载力基本不变,在实际工程中可采用将矩形肋板一角切掉的新肋板形式。

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。

矩形钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验研究与分析

通过9个节点模型的低周反复荷载试验,研究了方钢管混凝土柱与钢梁相接节点的抗震性能。试验结果表明,试件有很好的弹塑性变形能力和较好的耗能能力,滞回曲线比较饱满;达到最大承载力时,大部分试件的钢管柱转角即层间位移角超过1/100;承载力下降时,滞回曲线的捏拢不明显;含钢率对内隔板式节点承载力影响很大,尤其是柱壁厚度;内隔板节点比锚定式节点具有更好的承载能力,但延性比后者要小;T字形节点压弯性能比拉弯性能更好。用ANSYS程序对试验进行了计算机模拟对比。

矩形钢管混凝土T、Y型节点受压性能试验

为研究矩形钢管混凝土T、Y型节点受力性能,进行了7个矩形钢管混凝土T、Y型节点和1个矩形钢管Y型节点的受压试验,对节点的破坏模式及支主管宽度比β、内填混凝土对节点受压性能的影响进行了分析。试验结果表明:主管内填混凝土对矩形钢管混凝土T、Y型节点受压性能的影响明显,主管内填混凝土后,主管侧壁局部鼓曲这一破坏模式得到了避免,随支主管宽度比的减小,节点区域局部变形越明显,节点刚度越小;矩形钢管混凝土T、Y型受压节点承载力根据相应的破坏模式进行计算,当弦杆长度很短、支主管宽度比很小时,采用局部承压破坏模式进行计算;当弦杆长度较长时,往往发生弦杆弯曲破坏。