Optimal Stiffness for Flexible Connectors on A Mobile Offshore Base at Rough Sea States

This paper investigates a simplified method to determine the optimal stiffness of flexible connectors on a mobile offshore base(MOB) during the preliminary design stage. A three-module numerical model of an MOB was used as a case study. Numerous constraint forces and relative displacements for the connectors at rough sea states with different wave angles were utilized to determine the optimized stiffness of the flexible connectors. The range of optimal stiffnesses for the connectors was obtained based on the combination and intersection of the optimized stiffness results, and the implementation steps were elaborated in detail. The percentage reductions of the optimized and optimal stiffness of the flexible connector were determined to quantitatively evaluate the decreases of the constraint force and relative displacement of the connectors compared with those calculated by using the original range of the connector stiffnesses. The results indicate the accuracy and feasibility of this method for determining the optimal stiffness of the flexible connectors and demonstrate the rationality and practicability of the optimal stiffness results. The research ideas, calculation process, and solutions for the optimal stiffness of the flexible connectors of an MOB in this paper can provide valuable technical support for the design of the connectors in similar semisubmersible floating structures.

模块化浮动平台非线性动力学响应特性研究

非线性耦合运动引起的共振效应是海洋平台设计中需重要考虑的因素,本文针对模块化浮动平台的非线性动力学响应特性开展研究。首先,考虑浮体运动对其恢复力系数和浮力的影响,建立单个箱式浮体的非线性耦合动力学模型,并开展水槽实验验证该数值模型的可靠性。其次,基于刚性模块柔性连接器(RMFC)模型,构建模块化浮动平台的非线性广义动力学模型。最后,采用通过实验验证的数值模型对两模块浮动平台开展动力学响应特性分析,揭示平台失稳发生的机理,探索失稳问题的解决方案。研究结果表明:合理设置连接器的横向或垂向刚度能够有效解决由于参数共振而引发的横摇失稳问题。

不同锈蚀程度下栓钉连接件的抗剪性能分析

为研究栓钉连接件锈蚀条件下的抗剪性能退化规律,建立ABAQUS有限元模型进行数值模拟.针对均匀圆环、受压区半环、受拉区半环及拉压区半环4种不同的锈蚀分布形态,考虑不同的锈蚀高度、锈蚀深度进行数值分析.结果表明,当锈蚀深度相同时,4种锈蚀分布形态的栓钉抗剪承载力随锈蚀高度的增加而降低,在锈蚀高度为10 mm时降到最小,且锈蚀深度越大,承载力降低程度也越大;当锈蚀高度相同时,随着锈蚀深度的增加,抗剪承载力和抗剪刚度基本上呈线性下降趋势;当锈蚀高度和深度相同时,均匀圆环锈蚀的抗剪承载力和刚度的降低程度最大,相比其他3种情况降低60%左右,受压区半环锈蚀的抗剪承载力和刚度的降低程度最小.研究成果可为钢混组合结构栓钉连接件耐久性设计提供参考.

CR连接件弹性抗剪刚度计算方法研究

当前对于钢混组合梁桥中CR连接件的研究主要集中于承载力,对其抗剪刚度研究较少,没有较为通用的理论计算公式。为建立合理的CR连接件抗剪刚度计算公式,笔者基于现有试验建立有限元模型并加以验证,模拟不同结构参数的剪力连接件弹性阶段的荷载-位移曲线,揭示不同参数下的连接件弹性抗剪刚度变化规律。利用等效弹簧模型和等效杆系弹簧模型,笔者分别研究了剪力键、混凝土榫以及混凝土榫内贯穿钢筋的抗剪刚度,结合弹性阶段刚度叠加关系,建立了CR连接件弹性抗剪刚度理论计算公式。理论计算与有限元拟合结果对比表明:连接件弹性抗剪刚度理论计算值与拟合值的误差在7.7%以内,结果吻合性较好,可作为结构设计的依据。

非线性铰接双浮体波能转换器的能量捕获特性研究

本文针对传统铰接浮体线性波能转换器捕获效率低、频带窄的固有瓶颈,提出一种可用于铰接浮体波能转换器的简易负刚度机构,可作为一种被动方法提高系统的波能捕获效率。首先,提出一款简单紧凑的负刚度装置,该装置通过在铰接浮体间布置简单的拉伸弹性元件实现;其次,基于线性波浪理论和Cummins方程,建立两模块非线性波能转换器的时域动力学模型,同时为提高计算速度,采用状态空间模型替代表征波浪辐射力的卷积积分项;最后,分析规则波作用下两模块非线性波能转换器的波能转换特性。数值结果表明,通过引入非线性负刚度机构,可有效降低系统的等效固有频率;当负刚度机构调整到适当参数时,系统的弹性力在纵摇运动的相平面上能形成一个椭圆势井,其长轴接近铰接双浮体纵摇运动的模态方向,由此可使两模块的纵摇运动趋于反向,起到被动相位控制的作用。基于上述机理,合适的非线性负刚度结构可有效提高能量的捕获效率和拓宽能量吸收的频带。

可拆卸抗剪连接件抗剪性能研究进展

在组合梁结构中,可拆卸抗剪连接件起到承担钢梁和混凝土板之间剪力传递的作用。在组合梁破坏或达到服役期后,通过更换可拆卸抗剪连接件可实现快速恢复结构正常使用功能。可拆卸抗剪连接件是未来组合桥梁和建筑实现可持续发展的一种有力途径。对可拆卸抗剪连接件的类型、破坏模式、抗剪承载力、刚度和延性进行了综述,并提出了目前可拆卸抗剪连接件存在的问题,最后对未来可拆卸抗剪连接件研究进行了展望。

采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的抗弯性能

为提高钢-UHPC组合结构的延性,本文提出一种采用装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板。设计并完成了不同抗剪连接程度的组合板的抗弯性能试验,分析了组合板试件破坏形态、极限承载力、刚度、裂缝发展规律和板端滑移,并与采用焊接栓钉的钢-UHPC组合板进行了对比分析,讨论了组合板试件的可拆卸性,最后对其极限抗弯承载力和抗弯刚度进行了理论分析并推导了计算公式。结果表明:装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板破坏模式为纵向水平剪切黏结破坏;降低栓钉间距能提高组合板的协同变形能力,从而提高组合板结构的极限承载力、弹塑性阶段的刚度和裂缝控制能力;与采用焊接栓钉连接的钢-UHPC组合板对比,其在发生较大变形的情况下钢板和UHPC板仍然可较容易地拆卸分离;推导了装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板的极限承载力计算方法和抗弯刚度计算公式,提出了抗弯刚度计算时应对UHPC板高度进行折减,折减系数(βU)在正常使用阶段建议为0.85,理论计算结果与试验结果吻合良好。本文研究成果可为采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的设计和应用提供理论依据。

型钢混凝土结构梁柱节点深化设计及施工技术研究

研究以工程实例为依托,论述了型钢混凝土结构中梁柱节点的深化设计方法及施工中的技术质量问题。通过对工程实例中3种复杂梁柱节点、设计方案及施工问题的探讨,以期为日后型钢混凝土结构梁柱节点的处理提供参考。

多模块超大型浮体中连接器刚度对其运动响应的影响

多模块超大型浮体一般由连接器连接,实现海上浮动机场等功能。实际操作中,为约束超大型浮体模块之间的相对运动,连接器通常将承受非常巨大的载荷,给连接器的制造带来巨大的困难。通过对不同环境力情况下不同刚度连接器的研究,分析了连接器刚度对超大型浮体模块之间相对运动与连接器自身承受载荷的影响。研究发现,随着柔性连接器刚度的增加,连接器对超大浮体模块之间相对运动的约束逐渐增强,同时连接器也将承受更大的载荷;此外,较大的连接器刚度,并不利于抵抗模块之间的冲击载荷;最后,连接器刚度的改变会影响其固有振动频率,因此需要尽可能避开共振区域,否则系统容易出现较大的振动,导致模块间相对运动过大,连接器过载。研究结果确定了连接器刚度最佳匹配原则,以指导连接器的工程设计。

栓钉连接件抗剪刚度对钢—混凝土结合梁自振特性影响研究

设计6片钢—混凝土结合梁,从理论分析、试验和数值模拟3个方面,研究栓钉连接件抗剪刚度对钢—混凝土结合梁自振特性的影响。结果表明:在常见的栓钉布置情况下,钢梁与混凝土板的界面存在滑移,二者变形不同步,振型存在明显相位差;随着栓钉连接件抗剪刚度的降低,结合梁整体刚度明显下降,与不考虑界面滑移的结合梁相比,完全连接和部分连接(连接度为60%)结合梁的刚度分别降低39%和48%,相应的1阶竖向自振频率分别降低22%和29%;栓钉连接件的抗剪刚度越小,结合梁的刚度折减越大,但各阶自振频率对应刚度的折减程度不同;少量的栓钉损伤对梁的竖向自振频率影响不明显。由于结构的基频对其冲击系数影响很大,因此在结合梁的动力性能分析及冲击系数计算中,应考虑栓钉连接件刚度的影响。

钢—混凝土组合桁架有限元计算模型

为探讨组合桁架的有效计算方法可将组合桁架视作桁架体系，利用有限元方法精确计算。在划分单元和推导单元刚度矩阵时，关键是连接件，个按其两大功能特征作为独立的特殊单元处理，结果是成功的。

钢-混凝土组合梁滑移及掀起的理论分析方法

根据钢－混凝土组合梁的特点，建立了连接单元模型并推导出单元刚度矩阵的表达式。利用有限单元法对钢－混凝土组合梁滑移、掀起进行分析。

T形开孔肋连接件基本力学性能的试验

在钢与混凝土组合结构中连接件是能够保证钢与混凝土协同工作的关键构件,不同的连接件形式其力学性能相差较大,对组合结构的受力产生较大的影响。提出了一种新型的连接件-T形开孔肋,并通过推出试验测试了这种连接件的基本力学性能,通过与开孔板连接件推出试验结果对比,表明T形开孔肋连接件的抗剪强度比开孔板连接件的提高20%,其抗剪刚度比开孔板连接件也有较大的提高,特别是达到极限荷载时T形开孔肋连接件的延性为开孔板连接件的3.5倍。

快速接头盾构隧道衬砌结构设计参数研究

管片接头受力性能是影响盾构隧道衬砌结构设计参数的关键因素,而采用快速连接件的接头受力性能尚不明确。文章参考国外盾构隧道衬砌快速连接件的研究和应用情况,结合上海市天然气管线过江隧道工程,通过管片接头荷载试验,对快速接头的纵缝转角刚度、纵缝抗剪刚度、环缝抗剪刚度进行研究。结合试验结果建立了基于梁弹簧法的三环错缝分析模型,给出了该模型关键参数的具体取值范围。最后通过计算对比提出了该种快速接头盾构隧道衬砌结构的修正惯用模型设计参数——刚度折减系数、弯矩传递系数。

多模块MOB连接器动力特性研究

以7模块MOB为研究对象,利用RMFC模型,基于势流理论对7个构成模块单元进行3D水动力性能分析,计算过程中考虑了由于遮蔽效应而导致的浮体间相互作用。编制基于频域的多浮体运动和柔性连接器载荷计算程序,计算在规则波和不规则波下的连接器载荷值,并比较不同连接器刚度下各柔性连接器载荷值。计算结果表明,波浪入射角、波频、连接器刚度和海况对连接器载荷响应具有显著影响。本文的计算结果可为MOB柔性连接器设计与模块耐波性设计提供参考。

考虑连接件刚度影响的多浮体漂浮光伏方阵运动响应分析

基于多浮体运动响应计算方法,采用OrcaFlex软件,针对光伏电站漂浮方阵模型多浮体连接件刚度与其运动响应进行数值分析研究。首先,通过与有关浮体连接件试验进行对比,验证数值模拟的合理性;然后,开展对漂浮式光伏方阵在不同刚度连接件下多浮体六自由度运动的数值计算,对横纵浮体六自由度运动进行评估;最后,分析浮体间相对运动对连接件载荷之间的影响。研究结果表明:该研究模型随连接件刚度的增加,横向浮体整体运动响应大于纵向浮体,应更关注横向浮体的连接加强问题。连接件刚度较小时,浮体间的运动约束能力较差;刚度较大时,不利于抵抗浮体间的相互冲击,造成不必要的实际工程成本。

钢管支架结点转动刚度的测定方法

本文提供钢管支架中固定式之直角扣件连接结点转动刚度的实测方法及理论依据。从而创造了对整个钢管支架系统建立切合实际的力学模型，进行定量分析的前提条件。

栓钉连接件剪切刚度试验研究

为研究栓钉剪切刚度的计算方法及剪切刚度的影响因素,对不同加载方式、不同混凝土配筋试件进行推出试验,根据国内、外栓钉剪切刚度计算方法对试验结果进行计算得到剪切刚度值,并对各方法的优缺点和适用性进行讨论分析。分析结果表明:国内、外栓钉剪切刚度计算方法差异较大,其中日本钢结构协会和Eurocode 4按弹性阶段计算得到的剪切刚度值较为合理;我国钢结构设计规范中抗剪连接件刚度系数的计算方法偏于保守;0.8mm割线法和近似公式法较适用于承载能力极限状态计算或塑性理论计算。栓钉剪切刚度除了与本身材料、几何尺寸等因素有关外,与混凝土强度、配筋形式及试验加载方法等因素也有关。

带约束构造的栓钉连接件组合板界面抗剪性能试验研究

钢−混凝土组合梁在负弯矩区混凝土受拉开裂的问题,将引起组合梁刚度的降低,承载力下降,成为制约组合结构发展应用的重要原因之一。针对该问题提出一种基于带约束构造栓钉连接件的组合板构造措施,即在组合梁负弯矩区混凝土翼缘板增加附加钢板,附加钢板和钢梁上分别焊接带约束构造的栓钉连接件,两者相互咬合交错布置在混凝土板两侧。通过双界面抗剪性能试验验证在负弯矩区采用附加钢板帮助混凝土受拉的可行性以及该组合板构造措施抑制混凝土板受拉开裂的有效性,并对组合板中带约束构造栓钉连接件的界面抗剪性能进行研究。研究结果表明:带约束构造的栓钉连接件能将裂缝约束在6倍栓钉直径范围内,避免混凝土板纵向贯通劈裂裂缝,充分发挥混凝土受压强度高的优点,且约束构造能有效提高栓钉的抗剪刚度;证明在负弯矩区采用附加钢板替代混凝土板及其内的受拉钢筋受拉切实可行,带约束构造的栓钉连接件能降低纵向抗剪横向钢筋的用量;提出带约束构造栓钉连接件的抗剪刚度计算公式以及能评价不同长径比栓钉的材料利用效率和抗剪效率的剪切刚度比−剪切角理论曲线,建议带约束构造的栓钉连接件弹性抗剪刚度极限值,为此类剪力连接件的工程应用奠定良好的试验和理论基础。

大跨径波形钢腹板连续箱梁桥设计与施工关键技术

桃花峪黄河大桥跨北大堤桥为(75+135+75)m波形钢腹板连续箱梁桥,对该桥设计与施工关键技术进行研究。设计阶段研究得出:与预应力混凝土连续箱梁桥相比,波形钢腹板连续箱梁桥具有景观效果好、抗震性能好、施工效率高等优点,确定该桥采用波形钢腹板连续箱梁桥;对比工程造价,确定高跨比取1/18;采用有限元法分析横隔板数量对箱梁抗扭刚度和畸变的影响,确定中、边跨分别设置8道、4道横隔板;对3种型式连接件进行试验研究,确定波形钢腹板与顶、底板分别采用Twin-PBL和角钢连接;预应力采用体内和体外混合配束方案,确保维护方便。施工阶段研究得出:随跨径增大,施工位移增量对波形钢腹板加工尺寸影响显著,加工时必须考虑其影响;采用"悬臂桁车技术"保证了钢腹板起吊和安装定位;采用先边跨后中跨合龙方案,确保了大桥顺利合龙。