多腔式多边形钢管混凝土柱偏心受压承载力研究

以天津高银117大厦巨型柱为原型,按1/20缩尺设计制作11根多腔式多边形钢管混凝土柱偏压试件,通过静力试验研究其偏心受压性能,包括破坏形态、荷载-侧向挠度关系曲线和荷载-应变关系曲线,采用ABAQUS软件拓展分析钢管壁厚、长细比、偏心率和混凝土强度等参数对试件极限承载力的影响规律。研究结果表明:多腔式多边形钢管混凝土柱偏心受压试件主要发生弯曲型失稳破坏;提高混凝土强度或钢管壁厚,可提高试件的极限承载力;腔内钢筋笼可显著提高其延性及后期承载力;当长细比从24增加到70,其极限承载力下降38.6%;当偏心率从0.2增加到1,其极限承载力下降54.1%;基于有限元结果,参考相关的承载力计算方法,建立适用于六边形六腔及五边形四腔的钢管混凝土柱偏心受压承载力计算公式,可为实际工程应用提供参考。     

扣件式钢管模板支架的试验和数值模型研究

目前模板支架的设计计算理论尚不完善,模板支架的安全使用难以保证,导致近年来模板支架的坍塌事故时有发生。该文对模板支架进行足尺试验研究,得到其极限承载力和失稳模式,发现模板支架在竖向荷载作用时,由于杆件缺陷和节点特性,横杆和剪刀撑仍然承受一定的内力,并提出了广义初始缺陷的概念。在数值计算时,采用通用有限元软件ANSYS根据试验中的模板支架建立三维杆系计算模型,将广义初始缺陷等效为假想水平力,进行非线性稳定承载力分析,试验和数值分析结果表明:在进行模板支架的计算时应该考虑广义初始缺陷对结构稳定性的影响,也表明建立的三维有限元模型是合理的,为开展系统的研究打下了良好的基础。     

高大模板支架中人为过失发生规律及其对结构安全性的影响

该文收集近年模板支架坍塌事故原因,提出20种人为过失,选取30个以高大模板支架为主的工程,对其在搭设和混凝土浇注期出现的人为过失进行现场调查,通过数据分析给出人为过失的发生规律,对一些发生概率较大的人为过失如扭紧力矩不足、立杆壁厚不足和立杆超出顶层水平杆长度过大等进行了测量和统计分析,分析典型人为过失对结构承载力的影响,计算了带有多个人为过失的模板支架的可靠度,并分析了人为过失对结构可靠度的影响。     

高大模板支架极限承载力的计算方法

主要研究搭设参数和构造措施对扣件式高大模板支架极限承载力的影响。计算分析竖向剪刀撑间距和搭设参数对失稳特征的影响,提出立杆超出顶层水平杆长度、立杆步距、立杆间距和竖向剪刀撑间距是影响临界荷载的主要因素;在考虑立杆间距和竖向剪刀撑间距对临界荷载和失稳模态的影响后,提出了合理的构造措施;按照普通钢结构的验收标准,进行模板支架的非线性(包括几何非线性和材料非线性)极限承载力计算,给出立杆计算长度计算公式;最后考虑较低的检查和验收标准,提出极限承载力的计算方法。     

初始扭转轴压杆弹性弯扭屈曲性能研究

根据初始扭转轴压杆的变形规律导出了相应的弹性弯扭屈曲方程。方程表明:由于初始扭转角的存在,两抗弯主轴方向上的弯曲屈曲变形相互耦合;且由于截面剪心和形心不重合,弯曲屈曲变形与扭转屈曲变形也相互耦合。而对于具有双轴对称截面的初始扭转轴压杆,弯曲屈曲变形与扭转屈曲变形相互独立。同时,对不同初始扭转角的轴压杆进行有限元分析,指出Frisch-FayR错误的分析假定,验证了双轴对称截面的初始扭转轴压杆弹性弯曲屈曲变形曲线是一条空间曲线,且随着初始扭转角的增加,该曲线对平面曲线的偏离变大。最后,进行了初始扭转杆的有限元参数分析,得出初始扭转轴压杆弹性弯曲屈曲承载力与初始扭转角和截面抗弯刚度比参数的变化关系。初始扭转角的存在使强轴对压杆绕弱轴的屈曲位移产生"抵抗"作用,从而提高了杆的弹性弯曲屈曲临界承载力;截面抗弯刚度比μ越大,初始扭转角使这种"抵抗"作用越强,弹性屈曲承载力越高。     

空间结构压杆的套管加固失效模式试验研究

空间结构压杆失稳是结构失效的重要原因之一。利用套管加固空间结构压杆以抑制压杆屈曲,增加构件的极限承载能力和延性。通过对不同壁厚、套管与内压杆间隙和内压杆外伸段长度的12根试件进行轴压试验,得到加固前后试件的极限承载能力、破坏模式和延性变化。加固后试件的极限承载能力最大提高了147%,且外套管壁厚越大,内压杆外伸段越短,承载力越高;内压杆与外套管间隙越大,承载力略有下降。加固试验中构件的破坏模式由加固前的整体屈曲失稳变化为加固后的整体失稳、内压杆端部外伸段失稳和两种耦合失稳,且壁厚越小,易发生整体失稳,外伸段越长,易发生内压杆端部失稳,间隙对失稳形态影响不明显。此外,加固后试件延性均大于未经加固内压杆,经过合理设计延性指标能够增加一倍以上。     

模拟酸雨腐蚀钢管混凝土构件静力性能研究

该文讨论了模拟酸雨腐蚀环境下钢管混凝土构件静力性能的退化规律,具体包括模拟酸雨腐蚀后:钢材材料力学性能;钢管混凝土构件轴压力学性能;钢管混凝土构件纯弯力学性能;钢管混凝土构件偏压力学性能。分析了腐蚀率对钢材屈服强度、弹性模量、极限抗拉强度和极限延伸率的影响,采用钢管壁厚折减以及壁厚折减耦合材性折减的模拟腐蚀损伤方法,结合有限元ABAQUS软件、规范公式,分别计算了构件荷载-变形关系曲线、极限承载力,并和试验结果进行了比较,发现钢管壁厚折减方法优于壁厚折减耦合材性折减方法,地方标准严于国家标准。     

承插型盘扣式钢管模板支架极限性能分析

针对在公路现浇箱梁施工中,选用承插型盘扣式钢管模板支架结构容易导致屈服破坏和屈曲失稳破坏现象产生的问题,对其进行极限承载力和稳定性研究。以具体公路建设项目为例,建立公路现浇箱梁承插型盘扣式钢管模板支架模型,计算立杆承载力,研究稳定性,对支架力学性能进行建模与分析。在此基础上,分析节点刚度对支架极限承载力、稳定性影响和支架杆件布置对极限承载力、稳定性影响。根据得到的分析结果,对承插型盘扣式钢管模板支架结构进行优化可以有效提高支架和箱梁整体的稳定性,尽可能避免屈服破坏和屈服失稳问题。     

CFRP约束钢管-活性粉末混凝土短柱轴压性能

为研究圆碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束钢管-活性粉末混凝土(RPC)短柱的轴压性能,以CFRP粘贴层数和钢管壁厚为参数进行了12根CFRP约束钢管-RPC短柱、4根钢管-RPC短柱及4根钢管短柱的轴压力学性能试验。通过荷载-位移曲线分析了CFRP层数和钢管壁厚对试件极限荷载和变形能力的影响,探讨了提高系数、CFRP应变效率和延性系数等相关性能指标,最后通过提高系数关联套箍率提出了CFRP约束钢管-RPC短柱承载力模型。结果表明:CFRP约束能有效地增强钢管-RPC短柱的承载能力和变形能力。与CFRP约束钢管-混凝土相比,CFRP约束钢管-RPC表现出CFRP应变效率的下降,并且其延性不如CFRP约束钢管-混凝土。在钢管-RPC承载力的基础上提出了实用的CFRP约束钢管-RPC短柱轴压承载力计算模型。      

基于部分侧移单杆稳定理论的无支撑扣件式模板支架承载力研究

首先对12组不同搭设参数并考虑了初始缺陷的模板支架模型进行了非线性有限元分析,得到了相应的模板支架的承载力和失稳模态。在有限元分析结果基础上,提出了基于部分侧移单杆稳定理论的模板支架简化模型并给出了相应的简化计算公式,得到无支撑扣件式模板支架的理论承载力。其次,对上述12组不同搭设参数下的模板支架进行了原型试验,试验结果与有限元计算结果基本吻合。最后,对简化模型所得结果与试验和有限元结果进行了分析比较,结果表明该文所提出的无支撑扣件式模板支架的简化模型及相应的计算公式具有较高的计算精度,能够满足实际工程应用的要求,建议考虑将其应用在模板支架规范中。     

基于套管屈曲约束的拉挤型GFRP管轴压性能

为解决复合材料空间桁架结构部分关键压杆失稳引发的连续性倒塌问题,提出了一种由不锈钢套管及螺栓连接系组成的玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管整体失稳套管屈曲约束装置。为分析该套管屈曲约束装置对拉挤型GFRP管轴压性能的影响,对3个GFRP管试件和4个套管屈曲约束GFRP管试件进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,对比研究了两者的极限承载力和破坏模式,同时利用有限元模型分析了不同内核长细比、内核与套管间隙及套管壁厚对GFRP管轴压性能的影响。结果表明:该套管屈曲约束装置能有效约束GFRP管整体失稳变形,其极限承载力和延性均得到提升,并使GFRP管从失稳破坏向材料强度破坏发展;内核长细比越大,套管屈曲约束GFRP管极限承载力相比于内核失稳临界荷载的相对提升幅值越高,约束效果越好;内核与套管间隙越大,GFRP管延性越好,但其极限承载力会降低;套管壁厚过薄会降低GFRP管极限承载力,过厚则约束效果不明显。      

带翼缘剪力墙截面曲率分析及延性的计算

通过对非对称截面带翼缘剪力墙的弯矩-曲率分析,分别计算了翼缘受拉和翼缘受压方向的截面屈服曲率和极限曲率,分析了轴压比、纵筋配筋率、腹板竖向分布钢筋配筋率、翼缘宽度与腹板高度比、混凝土强度、配箍特征值、腹板截面高厚比对截面曲率的影响,并结合受压区高度的变化详细阐述了截面曲率随各影响因素的变化规律。通过对4941个工况下计算结果的回归分析,建立了带翼缘剪力墙截面屈服曲率和极限曲率的简化计算公式,并进一步推导了曲率延性和位移延性的计算公式。通过与试验结果的比对,验证了计算公式的准确性。该文公式不仅将翼缘受拉和翼缘受压状态进行了区分,并择取了影响截面曲率的关键因素,可为带翼缘剪力墙的变形能力计算以及基于位移的抗震设计提供依据。     

横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压力学性能研究及承载力计算

为研究横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱的双向偏压力学性能,对两根横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱试件展开了双向偏压加载试验,探究了不同偏心距对试件在双向偏压荷载下的荷载-变形曲线、破坏模态和截面应变发展状况的影响,分析了波纹板与钢管、混凝土之间的相互作用机理。在试验基础上运用有限元模拟,分析了偏心距、加载角度、钢管厚度、波纹板厚度等多种参数对横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压荷载下承载力、延性、刚度等力学性能的影响规律,得出钢管厚度增大柱的极限承载力显著提高,加载角度对极限承载力影响不大等主要结论。最后,参考欧洲《EC4》规范钢混组合柱承载力的计算方法,提出了横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压承载力实用计算公式,以期为工程实践提供参考。     

考虑杆件初弯曲的网壳弹塑性稳定性的弱形式求积元分析

初始缺陷是影响网壳稳定性的主要因素之一。技术规程建议的一致缺陷模态法综合考虑了结点的位置偏差与杆件的初弯曲,但现有计算方法难于便捷地单独全面体现初弯曲的影响。该文基于几何精确梁理论构造了一种弱形式求积元模型。通过引入纤维模型模拟材料非线性,结合柱面弧长法实现了对空间曲梁结构的弹塑性大位移分析,通过算例验证了提出模型的有效性。该模型构建不需具体指定位移形函数,避免了使用有限元软件中的复杂建模过程。运用该模型计算了几类典型网壳在杆件初弯曲方向随机分布,不同弯曲挠度下的极限承载力。计算结果表明,在现有钢结构生产工艺下杆件初弯曲的缺陷对于网壳稳定性的影响较小,不起控制作用。通过与一致缺陷模态法的计算结果和空间网格结构技术规程计算的承载力进行对比,对规范的承载力计算公式提出了考虑特殊网壳形式及材料屈服强度的改进建议。     

内配圆钢管的钢骨混凝土核心柱承载性能参数分析

采用非线性有限单元法,考虑钢管对核心混凝土和箍筋对外围混凝土的约束作用,计算了内配圆钢管的钢骨混凝土核心轴压柱完整的荷载-应变曲线,详细分析了纵筋配筋率、箍筋配箍率、混凝土强度和钢骨配骨率等参数对轴压极限承载力和延性的影响,提出了使核心柱达到最佳承载和变形能力的参数范围,可直接应用于工程设计。最后根据所提出的合理参数范围推导了计算内配钢管壁厚的简化公式,从而使内配圆钢管的截面得以优化。工程实例计算表明简化公式具有良好的适用性。     

非加劲板抗剪极限承载力

重点研究了板的初始几何缺陷、残余应力、高厚比及边长比等影响因素与抗剪极限承载力的关系,推导出铰接刚性边界焊接板抗剪承载力计算公式。研究表明,初始几何缺陷分布模态、大小和残余应力对板的抗剪极限承载力的影响程度可以忽略不计,从而大大地简化了抗剪板承载力的计算;在经过大量塑性塑动后,较小高厚比受剪板的屈曲后强度有一定的提高,而薄板基本保持不变。     

地铁车站STS新管幕构件抗弯承载力试验研究

某地铁车站采用STS新管幕结构作为初期支护。为研究新管幕构件在跨中集中静载作用下的抗弯性能,共进行8榀新管幕构件的对比试验。主要变化参数为横向连接螺栓、上下翼缘板是否焊接、连接螺栓通长、钢管间距、翼缘板厚度和混凝土强度等级。试验结果表明:下翼缘板焊接显著提高了新管幕构件的刚度和极限承载力;横向螺栓连接、翼缘板厚度加大、混凝土强度等级提高、连接螺栓通长对新管幕构件的极限承载力影响较小,但对新管幕构件的刚度影响较大;上翼缘板焊接、钢管间距减小对新管幕构件的刚度和极限承载力影响均不明显。建议给出新管幕构件正截面抗弯承载力的计算公式,计算结果和试验结果吻合较好。     

钢管混凝土柱-双面组合作用梁框架节点抗震性能试验研究

为了研究钢-混凝土双面组合作用梁框架节点的抗震性能,设计了3个钢-混凝土双面组合作用梁十字形框架节点和1个普通钢-混凝土单面组合作用梁十字形框架节点,并对其进行低周往复加载试验,对比分析其破坏模式、极限承载力、初始刚度、耗能能力、延性、刚度退化等抗震性能指标;通过改变下部混凝土板厚度和传力方式,研究下部混凝土板不同厚度和不同传力方式对双面组合作用梁力学性能的影响。结果表明:与普通钢-混凝土单面组合作用梁框架节点相比,钢-混凝土双面组合作用梁十字形框架节点具有更高的承载力和刚度,适用于荷载较大的结构,但在延性、刚度退化和耗能能力等方面无明显优势;下部混凝土板采用集中传力和均匀传力的方式对双面组合作用梁抗震性能的影响无明显区别;下部混凝土板采用预制法制作和螺栓连接更加方便、可靠。     

钢管自应力自密实高强混凝土柱偏心受压性能试验研究

为提高钢管内混凝土的密实度,减小混凝土的收缩,以保证钢管与混凝土更好地共同工作,满足实际工程需要,该文提出采用钢管自应力自密实高强混凝土柱,考虑偏心距、长径比和初始自应力等参数的影响,设计制作21根钢管自应力自密实高强混凝土柱和3根钢管自密实高强混凝土柱试件,通过偏心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-挠度曲线和荷载-应变曲线,分析各参数对偏心受压试件受力性能的影响。研究表明:偏心受压试件主要发生弯曲失稳破坏;试件极限承载力随偏心距或长径比增大而减小,当初始自应力为3 MPa~5 MPa时,钢管自应力自密实混凝土偏心受压柱的极限承载力提高9.2%~11.7%。参考国内相关规范,通过试验数据回归分析,提出钢管自应力自密实高强混凝土柱偏心受压承载力计算公式,可供工程设计参考。     

Effect of structure and texture on the anisotropy of strength properties arising in the rolling of steel tubes

Studies are made of the laws governing changes in the structure and crystallographic texture of tubes of austenitic (12Kh18N10T) and martensitic (38Kh5MSFA, 42Kh2N5SMA) steels that affect the anisotropy of the ultimate and yield strengths of these materials. These changes take place with a directional change in the strain characteristics of the rolled tubes. Features of transformation of the main components of texture in relation to initial structure and level and direction of plastic deformation are examined for rolled thin-walled tubes of austenitic and the same tubes when also heat-treated after rolling. The anisotropy of the strength properties is substantiated from the viewpoint of the effect of the crystalline orientation of the tension axis on the rate of strain-hardening of the material. For high-strength tubes made of martensitic steels, the measure of anisotropy of ultimate strength in longitudinal and transverse tension is determined to be dependent on the volume fraction of crystallites that form the secondary texture. The volume fraction of crystallites is determined by a quantitative relation linking the strain components over the diameter and wall thickness of the tube during rolling. Translated from Problemy Prochnosti, No. 1, pp. 121–132, January–February, 1997.