Progressive Collapse Analysis of Concrete-Filled Steel Tubular Frames with Semi-rigid Connections

A 9-story concrete-filled steel tubular frame model is used to analyze the response of joints due to sudden column loss. Three different models are developed and compared to study the efficiency and feasibility of simulation, which include substructure model, beam element model and solid element model. The comparison results show that the substructure model has a satisfying capability, calculation efficiency and accuracy to predict the concerned joints as well as the overall framework. Based on the substructure model and a kind of semi-rigid connection for concretefilled square hollow section steel column proposed in this paper, the nonlinear dynamic analyses are conducted by the alternate path method. It is found that the removal of the ground inner column brings high-level joint moments and comparatively low-level axial tension forces. The initial stiffness and transmitted ultimate moment of the semi-rigid connection are the main factors that influence the frame behavior, and their lower limit should be guaranteed to resist collapse. Reduced ultimate moment results in drastic displacement and axial force development, which may bring progressive collapse. The higher initial stiffness ensures that the structure has a stronger capacity to resist progressive collapse.

重庆官栈河大桥主桥主墩基础锁口钢管桩围堰加固

重庆官栈河大桥主桥为(62+110+62)m三跨连续刚构桥,主墩基础采用锁口钢管桩围堰施工。围堰施工正常水位+325.300 m,施工期控制水位+330.500 m。在该桥主墩围堰完成四周锁口钢管桩插打及前4道内支撑安装后,因极端天气原因,长寿湖水位上涨到+332.200 m,危及围堰安全。为解决钢管桩围堰的安全问题,提出采用水下施工内支撑的加固方案。待围堰内部水头与外部保持一致后,将已经插打的锁口钢管桩加高至标高+334.000 m,拆除已安装好的4道内支撑,重新安装6道内支撑。采用MIDAS Civil软件分别建立加固前、后钢管桩围堰结构有限元模型,分析钢管桩及内支撑的受力安全与稳定性。结果表明:施工控制水位+330.500 m下,围堰结构最大正应力由加固前的162.6 MPa下降到加固后的82.3 MPa,下降了49.3%;承载水位可从施工控制水位+330.500 m增加到目标控制水位+333.500 m,且强度和刚度等均留有一定储备。水下施工内支撑的加固方案可提升围堰的承载能力。该桥围堰加固后整体受力效果良好,已顺利完成承台浇筑施工。

基于有限元分析的单榀变截面门式刚架稳定性研究

某门式钢结构厂房进行建筑改造,需对原结构进行稳定性分析。应用ABAQUS软件对某单榀变截面H型钢门式刚架进行了线性屈曲、非线性屈曲以及粘钢加固的分析研究。对改造前结构进行屈曲分析,得到屈曲模态以及荷载-位移曲线。结果表明:刚梁易发生Y轴方向的扭转破坏;结构施加几种微初始缺陷对承载能力影响不大;在结构材料应力达到屈服应力时,荷载系数均小于1.0,结构发生失稳破坏。对梁上下翼缘粘贴钢板以及梁柱节点处全焊接加劲板进行加固补强,将加固前后的荷载-位移曲线、结构应力云图进行对比得到:当结构材料的应力达到屈服应力时,所施加初始缺陷为0 mm时,结构加固后的荷载系数相比加固前提升了61%;当初始缺陷为50 mm时,加固后结构的荷载系数相比加固前提升了52%,且加固后结构荷载系数均大于1.0,梁的应力情况得到明显改善,并且结构的跨中挠度满足规范要求。

半刚接柱脚自复位装配式钢框架拟动力试验研究

为解决刚接柱脚自复位装配式钢框架结构在中震或大震下底层柱可能发生较大的塑性变形的问题,设计一种半刚接柱脚自复位装配式钢框架结构。对其子结构进行拟动力试验,对比框架在Taft地震波、LOS000地震波和El-Centro地震波输入及不同等级地震下的节点开口、耗能能力、刚度退化、预应力损失和应变变化。试验结果表明,钢框架在大震作用下具有良好的自复位功能和耗能能力。钢绞线平均预应力损失最多仅为1.58%,说明施加预应力的方法是可靠的。钢框架柱脚能够始终保持弹性状态,因此震后仅需修复钢梁,大大降低了修复成本。

华南大桥墩柱加固设计与施工

华南大桥为110 m+190 m+110 m三跨连续刚构桥,经检测墩柱存在开裂现象并持续恶化,主要原因是墩身刚度相对主梁刚度较大,需尽快对主墩进行加固处置。主墩防撞设施采用混凝土墙结构,墩与墙之间空间狭小。墩柱加固常采用增大截面法,涉水加固施工常采用钢围堰形成干环境。为避免墩柱加固后过大增加墩柱截面刚度,提出了型钢骨架外包UHPC增大截面法进行墩柱加固,计算分析表明加固设计方案对桥梁其他构件受力较小。墩柱加固施工原设计方案为先拆除混凝土防撞墙再采用钢围堰,后期再重建混凝土防撞墙,针对原设计方案存在环境影响大、经济性差和水下作业难的问题,提出改造混凝土防撞墙并形成干环境在狭小空间内进行墩柱加固施工的方案。工程顺利实施为类似工程设计与施工提供借鉴。

德清门户型人行景观桥梁设计

德清门户型人行景观桥梁为三跨等高变宽刚构钢箱梁桥,平面呈多段圆曲线布置,桥南侧设置一倾角为10°的钢管桁架拱门,拱门辅以吊索与梁体相接。介绍了该桥的设计要点,包括桥跨布置、结构形式、附属设施、景观设计、施工步骤示意及结构分析要点,可为类似景观桥梁的设计提供借鉴。

半刚性钢框架优化设计研究综述

钢框架作为一种优良的结构形式,传统设计中一般把梁柱连接简化为两个理想的极端,即完全刚接或者理想铰接,然而连接实际上具有明显的半刚性变形特性。同时,结构优化是工程界永恒追求的目标,如何得到既安全可靠,又经济节约的优化方案,是结构设计中非常重要的研究课题。本文梳理了半刚性钢框架优化设计的研究进展,总结前人的可行之处,以期为后续的研究提供一定的参考。

基于大跨度门式刚架的外露式钢柱柱脚施工技术

以东风本田联合厂房项目的门式刚架为例,对外露式钢柱柱脚的主要做法和技术措施进行了研究,提出了通过增加一套用于对地脚螺栓进行定位的定位机构,解决了现有技术中地脚螺栓定位不准确的问题。进一步介绍了外露式钢柱柱脚的新技术包括柱脚底板、地脚螺栓、抗剪键、定位机构、灌浆料、混凝土基础等,详细说明了新技术的特点、工艺流程、操作要点等,总结了新技术与现有技术相比的有益效果,为大跨度门式刚架的外露式钢柱柱脚施工安装提供了施工经验,可在类似工程中借鉴和推广。

海洋复杂气候多塔公铁同层斜拉桥主梁施工控制关键技术

珠海西江公铁大桥为(58.5+116+3×340+116+58.5)m公铁同层斜拉桥,两中塔塔梁墩固结,两边塔塔梁固结、塔墩分离。主梁采用单箱三室截面钢箱梁,总宽49.6 m,梁高4.676 m;全桥钢梁共划分为47个节段,标准节段长24 m;钢梁节段接头除顶板为焊接外,底板、腹板均为高强度螺栓连接。考虑既有施工机具和桥址环境特点,钢梁节段均为超大、超重、超高结构。边跨、次边跨钢梁节段最长80.25 m、最大吊重2600 t,利用大型浮吊吊装,通过“分段顶升(下降)、逐端合龙”的施工控制方法,3个大节段钢梁无折角拼接;中塔两侧主梁采用一侧钢梁节段吊装时另一侧配水袋压重的“小步快走,多轮次平衡”异步悬拼施工,将结构抗倾覆稳定系数控制在1.5以上;利用在中中跨合龙口施加主动顶推力结合改变合龙口结构构造的保障措施,实现大桥在高温条件下的高精度合龙。成桥结构内力、线形状态均达到设计理想状态。

横州飞龙大桥主桥设计

横州飞龙大桥主桥为(100+2×185+100)m波形钢腹板连续刚构桥,主梁为单箱单室波形钢腹板组合箱梁,桥面宽13 m,中支点梁高10.9 m,跨中及边跨梁端梁高4 m。腹板采用1800型波形钢腹板,相比传统1600型腹板具有更高的整体屈曲应力;波形钢腹板防屈曲构造采用内衬混凝土和纵、横向加劲肋混合布置的方式,减少了内衬混凝土长度,减轻了结构自重;波形钢腹板与顶板采用长孔型开孔板连接件,与底板采用外包型连接,提高了结合部施工便捷性和耐久性。主梁采用波形钢腹板悬臂自承重施工工法,先边跨后中跨合龙,采用研发的钢架吊篮与智能吊机组合的挂篮形式,提高了施工效率。

65 m+110 m+65 m连续刚构计算分析

某特大桥中65 m+110 m+65 m连续刚构采用预应力变截面混凝土箱梁,文章阐述了该桥的箱梁构造、预应力钢束的布置,并结合相应的施工工艺,采用桥梁结构有限元软件Midas Civil对该桥进行建模分析,以保证其设计安全、合理。

钢混组合梁连续刚构桥施工控制影响因素研究

以浙江省宁波市舟山港跨海大桥北通航孔桥工程为项目背景,采用Midas civil软件建立桥梁有限元模型,选取结构几何形态参数、截面特征参数、时间特性参数、荷载参数和材料特性参数作为施工控制参数,并考虑桥梁施工工艺进行施工控制参数敏感性分析。分析结果表明,采用支座顶升施工工艺的钢混组合梁连续刚构桥,在成桥阶段结构线形和结构应力易受预应力钢束初始控制预应力和混凝土重度这两类施工控制影响因素的影响;在施工过程中采用支座顶升施工工艺调整桥梁结构线形,会导致初始控制预应力参数和年平均相对湿度参数敏感性分析结果在支座顶升位置处发生突变。研究结果可为钢混组合梁连续刚构桥的施工控制提供参考依据。

大跨度波形钢腹板PC连续刚构桥内衬混凝土参数优化设计研究

波形钢腹板组合梁桥因具有“手风琴效应”逐渐成为大跨度桥梁发展的新方向,为研究内衬混凝土参数对波形钢腹板预应力混凝土(Prestressed Concrete,PC)连续刚构桥抗剪性能的影响规律,采用ANSYS软件建立波形钢腹板PC连续刚构桥有限元模型,通过对比实测数据与数值模拟数据验证了该有限元模型的准确性,并分析了内衬混凝土参数对波形钢腹板剪力及承剪比的影响规律,通过研究可知,内衬混凝土长度、厚度、厚度变化率3个参数的适宜取值分别为9.5 m、0.5 m和0.3。相关结论可为大跨度波形钢腹板PC连续刚构桥的设计和施工提供一定参考。

连续刚构桥箱梁底板预应力钢束张拉径向力研究

为了研究连续刚构桥底板预应力钢束张拉径向力的大小,在经典径向力计算公式的基础上,考虑底板预应力钢束的布束范围以及实际桥梁尺寸,对不同跨径范围内的5座桥梁进行径向力参数敏感性分析。研究发现,无论何跨径,当底板曲线抛物线指数从1.5、1.8到2.0变化时,径向力变化均有较大差别;其次,考虑定位误差以及“以直代曲”的施工方法对径向力的影响,修正了经典径向力计算公式。研究结果表明,不同跨径下径向力增大系数不同,径向力的大小与施工段长度的划分成反比,防崩钢筋应分区域差异设置。相关研究可较为准确地计算径向力的大小,能为下一步的连续刚构设计工作提供参考。

大跨度曲线UHPC连续刚构箱梁桥的设计研究与实践

以上海市松江区外下洋路油墩港桥为研究对象,研究基于UHPC的大跨度曲线连续刚构桥的总体设计和构造设计;结合体内及体外预应力布置方式,研究节段箱梁及下部桥墩的装配化施工方案。分别建立空间梁单元模型和整梁空间实体单元模型进行计算分析,并对计算结果进行对比分析。分析结果表明空间实体单元模型的应力分布与空间梁单元相比趋于均匀,采用空间梁单元模型的计算结果进行分析验证偏于安全,结构受力完全满足要求。该工程首次提出采用钢结构横隔板代替传统混凝土横隔板,钢结构横隔板构造简单,便于节段箱梁的预制施工。从空间实体单元模型计算结果来看,钢横隔板与UHPC横隔板的作用效果基本一致,满足结构整体受力性能的需求。

贵州两渡水湘江大桥主桥设计关键技术

贵州两渡水湘江大桥主桥为(72+120+72)m波形腹板钢槽组合梁大跨变截面连续刚构桥。针对传统波形钢腹板组合箱梁桥底板混凝土结构自重仍然偏大、底板易开裂、下翼缘混凝土与波形钢腹板易脱离等问题,该桥主梁采用自重轻、底板抗裂能力强的波形腹板钢槽组合梁结构。主梁顶板宽20.25 m,单箱双室变截面。为解决组合梁根部钢底板受力复杂、抗压稳定性差的难题,在负弯矩区组合梁钢底板上设置混凝土层,形成顶、底板双重组合结构。为提高混凝土桥面板和钢主梁之间的抗剪承载力、有效防止桥面板横向角隅弯矩导致的竖向掀起问题,剪力连接件采用开孔钢板的双PBL键。主梁墩顶0号块采用全混凝土结构,钢-混结合段采用后承压式构造。主梁横隔板采用实腹式和桁架式两种结构形式,在提高结构抗畸变和抗扭转能力的同时,大幅降低了工程用钢量。主墩采用壁厚1.8 m的双肢实体薄壁墩。结构整体和局部计算分析表明,桥梁具有较好的安全性和适应性。

混合梁刚构桥钢-混结合段的构造优化与试验

为了研究钢-混结合段的破坏模式及承载力,为局部构造优化提供依据,采用有限元模型分析钢格室高度变化对结合段受力的影响,设计制作2个结合段缩尺模型,分别测试现有工程和优化后的结合段在压剪耦合作用下的受力性能,得到结合段的受压极限承载力和破坏模式。研究表明:钢格室高度的变化对结合段后承压板承担的轴力比例的影响不大;现有工程的结合段的极限破坏状态由钢梁过渡段控制,钢梁过渡段和结合段的安全储备系数分别为3.30和6.65;优化后的钢-混结合段,钢格室高度降低1/3,局部钢板厚度减小1/3,其极限承载力仍高于钢梁过渡段,且安全储备系数为5.58。在设计混合梁刚构桥的钢-混结合段时,建议合理降低钢格室的高度,且将U形开孔剪力板改为O形开孔剪力板,以提高对填充混凝土的面外约束效应。

拼接外套筒式方钢管柱-H形钢梁框架静力性能研究

为解决传统钢结构梁柱节点焊缝过多、现场施工复杂等问题,提出一种全螺栓现场拼接节点。采用该新型拼接外套筒式方钢管柱-H形钢梁装配式半刚性节点,设计和制作了一个单层单跨门式框架,并完成了梁跨中静力加载试验和有限元分析,考察框架荷载-位移曲线、应变发展规律、破坏模式和承载机制,并通过有限元参数分析,研究带肋角钢厚度及长边尺寸、框架柱距、梁上荷载分布形式、柱轴压比对框架静力性能的影响规律。结果表明:钢框架试件遵循“梁跨中-梁端部-柱及节点区”的变形和破坏顺序。梁跨中应变最大,发生严重屈曲,梁端部及节点区除局部出现轻微变形外,总体应变较小。增设带肋角钢可使梁端塑性铰外移,有效地保护节点区各部件,其上加劲肋的设置是影响框架整体静力性能的关键因素,而带肋角钢厚度及长边尺寸对承载力的提高效果有限。框架柱在高轴压比下,受压侧壁应力较大,建议对该部位进行重点关注并适当采取加强措施。

足尺柱承重模块化钢框架稳定承载力试验研究

为研究竖向荷载作用下柱承重模块化钢框架的受力性能、破坏机理及模块间节点对结构整体受力性能的影响,进行了模块间节点静力受弯试验与足尺2层单跨模块化钢框架竖向静力加载试验,分别得到模块间节点的刚度属性及模块化钢框架的整体稳定承载力与破坏模式。最后,考察了模块间节点对模块化钢框架结构整体性能的影响,并验证了结构稳定承载力理论计算模型与数值分析模型。结果表明:模块间节点的半刚性属性对模块化钢框架的稳定承载力影响较大,设计时应加以考虑;竖向荷载作用下模块化钢框架破坏模式为上下层模块角柱整体失稳;子结构模型能够较好地计算柱承重模块化钢框架的整体稳定承载力。

半刚性框架-密肋防屈曲钢板剪力墙抗震性能研究

通过对一个缩尺比例为1∶3的单跨四层半刚性钢框架-密肋网格防屈曲钢板剪力墙的振动台试验研究,并借助数值分析模型,分析了剪力墙的破坏历程、试验模型的振型、结构阻尼比以及刚度的退化规律。研究结果表明:密肋防屈曲支撑可提供较好的支撑作用,避免钢板剪力墙出现整体剪切屈曲;部分网格内钢板形成独立的拉力场,且各网格拉力场逐渐扩展,形成一条贯穿剪力墙的拉力带;直至经历9度罕遇地震作用,结构的侧向刚度未出现明显的退化,与处于初始状态的试验模型相比,降幅为18.95%;结构的塑性发展充分,阻尼比增幅接近1倍。通过对密肋防屈曲刚度的分析,提出了防屈曲约束刚度的计算参考公式。