各国规范钢框架结构抗震设计方法对比研究(Ⅱ):承载力、延性与侧移要求

在对比欧洲、美国、日本和中国规范的设防目标和地震作用的基础上,对钢框架结构的设计地震力、延性、侧向刚度和强度等开展系统地对比研究。结果表明,短周期结构按欧洲、美国和中国规范计算的侧向地震力分布相同,与按日本规范计算的亦十分接近;而中、长周期结构按欧洲规范计算的侧向地震力小于按其他规范计算的,尤其是结构的顶层;尽管各国规范规定的材料和构件延性要求差别不大,美国规范针对钢框架规定的地震力折减系数大于欧洲和日本规范的,而中国规范采用了与结构形式无关的较保守的折减系数,导致按中国规范设计的钢框架侧向刚度和强度基本上均比欧洲和美国规范的大20%~150%,但由于日本规范采用的弹性反应谱远大于其他规范,折减后设计地震力也更大,使得按日本规范设计的钢框架侧向刚度和强度比中国规范的还大;总体上,按欧洲规范设计的钢框架侧向刚度和强度与按美国规范设计的结果相当。     

栓钉剪力连接件滑移性能试验研究及受剪承载力计算

根据3组栓钉剪力连接件推出试验,研究栓钉直径和栓钉屈服强度对试件受剪承载力的影响。应用ABAQUS有限元分析软件对栓钉剪力连接件进行精细三维实体有限元分析,栓钉、钢梁和混凝土均采用C3D8R单元,计算结果与试验结果符合较好。基于有限元法进行参数分析,研究栓钉直径、数量、长径比、屈服强度、混凝土强度和横向配筋率等对栓钉剪力连接件荷载-滑移性能的影响,有限元计算结果表明,栓钉受剪承载力随着栓钉直径、屈服强度和混凝土强度的增大而提高。提出了考虑栓钉直径、屈服强度和混凝土强度影响的单个栓钉受剪承载力计算式和荷载-滑移关系计算方法,计算结果与文中试验结果和收集到的81组栓钉剪力连接件有效试验结果进行对比,吻合较好。建议的受剪承载力计算式与现行规范建议公式进行比较,建议的计算式具有较高的精度。荷载-滑移曲线实用计算方法与Ollgaard提出的计算方法比较表明建议计算方法具有较广泛的适用性。     

基于直接强度法的薄壁轴压构件局部屈曲临界荷载实用计算式

为建立适用于直接强度法的局部屈曲临界荷载实用计算式,分析了用于计算薄壁轴压构件局部屈曲极限荷载的直接强度法和有效宽度法所建立的依据,明确了两种方法中局部屈曲临界荷载P_(cr,L)的物理意义,并提出了P_(cr,L)的选取准则。提出了考虑板组效应的P_(cr,L)实用计算式,并通过与广义梁软件GBTUL的精确值对比,验证P_(cr,L)实用计算式的精度,证实P_(cr,L)选取准则的正确性。基于文中的P_(cr,L)实用计算式和直接强度法计算C形轴压构件的极限荷载,进一步验证了P_(cr,L)实用计算式的精度,同时与GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中公式计算结果进行对比。研究表明:采用直接强度法计算极限荷载时,应选取考虑板组效应的局部屈曲临界荷载计算式,文中的P_(cr,L)实用计算式的形式简单且具有较高的精度。     

体外预应力混凝土梁受剪承载力计算方法研究

为研究体外预应力对混凝土梁受剪承载力提高的作用机理和体外预应力混凝土梁受剪承载力计算方法,分析钢筋混凝土梁和体外预应力混凝土梁微元体受力特点的区别,探讨体外预应力对受剪性能影响的机理,求解体外预应力对混凝土和箍筋抗剪贡献的提高系数,得到体外预应力混凝土梁受剪承载力理论计算式。采用已有体外预应力混凝土梁剪切破坏的试验数据对理论计算式进行验证,并与各国规范计算结果进行对比。结果表明,理论计算式得到的受剪承载力计算值与试验值的比值均值为0.950,标准差为0.125,提出的计算式可较好地预测体外预应力混凝土梁的受剪承载力,并可以考虑梁的几何尺寸、剪跨比、预应力筋弯起角度、纵筋率、配箍率、纵筋及腹筋屈服强度、混凝土强度等影响因素。     

方、矩形钢管混凝土试件界面抗剪强度及横隔板的作用分析

对国内外进行的47个方钢管混凝土、18个矩形钢管混凝土试件的界面抗剪强度试验进行分析,根据试验数据的下限,提出界面抗剪强度标准值的计算式。同时通过日本的一个试验验证横隔板在增强钢管与混凝土共同工作上的重要作用:阻止了钢管内混凝土与钢管的相对滑移,起到了抗剪件作用。     

箍筋约束作用下再生混凝土-钢筋黏结理论研究

首先研究了劈裂和拔出两种破坏模式的再生混凝土的黏结强度理论,推导了箍筋约束作用下的黏结强度计算式。其次,根据钢筋与再生混凝土界面处径向变形与滑移之间的关系建立了劈裂和拔出两种破坏模式的黏结滑移曲线方程。最后将黏结强度及黏结滑移曲线方程理论模型与试验数据进行了对比,发现理论值与试验值吻合良好。     

塔式起重机动态响应分析和测试

本文讨论了自升式塔式起重机动态响应分析的有限元法和动强度测试。介绍了建模方法及起升工况下动态响应的计算及动载系数的测试。总结了有限元计算中的一些体会,同时将计算结果与测试结果进行了对比,为今后塔机的设计提供了一定资料。     

玄武岩纤维混凝土抗压和抗折力学性能试验研究

通过不同体积掺量(0. 1%、0. 2%、0. 3%、0. 4%、0. 5%、0. 6%)的玄武岩纤维混凝土和普通素混凝土的标准立方体抗压试验、抗折试验,对比试验现象、破坏形态、峰值挠度和峰值荷载,结合美国ASTM-C1018与日本JSCE-SF4的韧度指数方法和断裂能,分析玄武岩纤维的掺入对于混凝土韧性的影响,并建立抗压强度、抗折强度、韧度指数、断裂能与玄武岩纤维体积掺量之间的关系式;通过对比普通混凝土折压比计算方法,引入与纤维物理参数、力学参数以及体积掺量相关的玄武岩纤维混凝土增强系数,建立了适用于玄武岩纤维混凝土的折压比计算式。     

基于刚塑性极限理论新型复合砌块砌体抗剪强度计算方法研究

通过试验研究新型复合砌块砌体的抗剪强度,并利用刚塑性极限理论和最小耗能原理对此种新型复合砌块砌体抗剪强度进行了理论分析,提出抗剪强度理论计算公式.通过试验数据的回归分析,确定了理论计算式中的各系数,得到实用计算式,且与试验值对比,拟合良好.     

基于三维形貌特征的岩石节理峰值剪切强度准则研究

引入3个在一定范围内独立于测量尺度的三维形貌参数表征岩石节理形貌,并基于形貌参数建立了新的岩石节理峰值剪切强度准则。同时采用新准则和Barton公式计算了23对岩石节理的峰值剪切强度并与室内直剪试验结果对比,新准则的计算值与试验结果较为接近而Barton公式在一定程度上低估了节理剪切强度,表明新准则能更好地描述节理峰值剪切强度。新准则的三维形貌参数反映了不同形貌特征对剪切强度的贡献,物理意义明确,并且形貌参数可在一定范围内采用任意尺度测量,因而有利于新准则的工程应用。进一步分析表明：在规则齿形节理情况下,新准则可退化到Patton公式的形式,因而新准则实质是Patton公式的三维推广。     

蜂窝梁挠度的简化计算

在介绍蜂窝梁挠度计算的基础上，提出了一种实用简化的挠度计算方法，并通过3根蜂窝梁试验，验证了简化计算公式的可行性。     

蜂窝梁挠度的实用计算方法

本文利用大量国内外试验数据，通过理论分析、结构试验和电算，提出了一个蜂窝梁挠度计算的精确公式和一个仅用二个图表即可查得蜂窝梁挠度扩大系数的简化计算方法。数理统计和试算证明：本文提出的计算公式具有较高的精度。     

Interaction of buckling modes in castellated steel beams

This paper investigates the behaviour of normal and high strength castellated steel beams under combined lateral torsional and distortional buckling modes. An efficient nonlinear 3D finite element model has been developed for the analysis of the beams. The initial geometric imperfection and material nonlinearities were carefully considered in the analysis. The nonlinear finite element model was verified against tests on castellated beams having different lengths and different cross-sections. Failure loads and interaction of buckling modes as well as load-lateral deflection curves of castellated steel beams were investigated in this study. An extensive parametric study was carried out using the finite element model to study the effects of the change in cross-section geometries, beam length and steel strength on the strength and buckling behaviour of castellated steel beams. The parametric study has shown that the presence of web distortional buckling causes a considerable decrease in the failure load of slender castellated steel beams. It is also shown that the use of high strength steel offers a considerable increase in the failure loads of less slender castellated steel beams. The failure loads predicted from the finite element model were compared with that predicted from Australian Standards for steel beams under lateral torsional buckling. It is shown that the Specification predictions are generally conservative for normal strength castellated steel beams failing by lateral torsional buckling, unconservative for castellated steel beams failing by web distortional buckling and quite conservative for high strength castellated steel beams failing by lateral torsional buckling.     

蜂窝梁的稳定性能研究进展

对蜂窝梁破坏模式的研究表明，失稳是其结构性能失效的重要破坏模式。为此，在回顾蜂窝梁结构特性研究的基础上，总结归纳了蜂窝梁失稳的3种主要模式：整体弯扭失稳、梁墩屈曲、畸变屈曲。结合国内外近30多年来对蜂窝梁稳定性的试验研究成果，对影响蜂窝梁稳定性的主要因素进行分析。采用蒙特卡洛法得到纯弯简支蜂窝梁弯扭失稳临界荷载的概率分布和影响因子的敏感度。将部分具有代表性的试验成果与欧洲规范EN 1993-1-1计算结果进行对比，根据中国规范GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》提供的抗力分项系数，计算了不同荷载组合下蜂窝梁整体弯扭失稳临界荷载的可靠度指标，为国内规范的制订提供依据。最后，总结了当前蜂窝梁稳定性研究中存在的不足，指明了进一步研究的方向。     

圆孔蜂窝梁的力学性能

为了进一步推广蜂窝梁在实际中的应用,针对中国结构设计规范尚未对此结构作出规定的现状,通过ANSYS有限元分析软件,采用板壳元建立不同参数的圆孔蜂窝梁计算模型,对圆孔蜂窝梁的静力性能进行研究,探讨了跨度、开孔率、孔间距等参数对梁强度、刚度和稳定性能的影响,并将计算结果与相同截面的实腹式构件对比,给出了较为简化的实用设计公式,为圆孔蜂窝梁的进一步研究与应用提供了参考。     

蜂窝梁挠度计算方法研究

蜂窝梁是一种腹板开孔的新型钢梁,与普通实腹梁相比具有节省材料、便于铺设管道、平面内刚度增大、承载能力高等优点,特别适用于现代工业厂房屋盖结构。蜂窝梁由于腹板开孔其抗剪能力降低,与相同截面的实腹梁相比受剪力影响较大,在挠度计算中不仅要考虑剪力引起的剪切挠度还要考虑剪力次弯矩引起的挠度。本文作者以费氏空腹桁架理论为基础,考虑蜂窝梁孔高比和距高比的影响,根据面积等效和惯性矩等效的原则,提出简支蜂窝梁的实用挠度计算公式。以简化计算公式为依据分别对不同蜂窝梁挠度进行计算,同时利用有限元软件AN-SYS对相同条件下的蜂窝梁进行仿真分析,将公式计算结果与有限元分析结果对比,以验证计算公式的准确性。     

蜂窝形组合梁的挠度分析和试验比较

本文对蜂窝形组合梁的挠度进行了理论分析和试验验证．在分析中考虑了弯矩、剪力、混凝土非线性和滑移对挠度的影响。通过试验验证，计算值与实测值吻合良好；同时，本文也提出了近似的挠度计算式，可作为设计参考．     

Rotational capacity of castellated steel beams

This paper numerically studies the behavior of castellated beams with two simply supported ends under moment gradient loading and investigates the effect of beam and braced lengths on rotational capacity of castellated beams. To assure the ability of numerical models in predicting the complex behavior (especially at the location of opening) as well as the failure modes, numerical models of two experimentally tested specimens are developed. Comparison of force–displacement curves and failure modes shows that neglecting the boundary condition of the specimens, the numerical method can properly predict the behavior of castellated beams. All geometrical properties of the beams are the same as the study parameters so that the finite element model of the corresponding plain‐webbed beams can be easily created by filling the web openings in castellated beams. The accuracy of finite element models of plain‐webbed beams is evaluated by comparing the moment–rotation behavior with that of numerical models developed by other researchers. Rotational capacity of castellated beams derived from numerical models is compared with that of the corresponding I‐shaped plain‐webbed steel beams, and it is observed that in the case of short beams, web openings reduce energy absorption and plastic moment capacity of the beams compared with that of long ones. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

蜂窝梁动力特性的有限元分析

以正六边形蜂窝梁为研究对象,利用Rayleigh法对其固有频率进行分析,并用有限元分析软件对蜂窝梁的自由振动进行数值模拟。考虑了不同开孔率、孔口扩高比、高跨比及不同位移约束条件对其固有频率的影响,并与相同截面尺寸的实腹梁以及扩高前的H型钢梁进行对比,结果表明:与原梁相比,蜂窝梁有更出色的抗震性能;大跨度条件下,应用蜂窝梁代替相同截面高度的实腹梁有更好的经济效益。     

Bracing requirements for inelastic castellated beams

Lateral-torsional buckling can be avoided by properly spaced and designed lateral bracing. Bracings are usually assumed to be elastic, and so may be characterized by their elastic stiffnesses. It is well known that an elastic lateral brace restricts partially the lateral buckling of slender beams and increases the elastic buckling moment. However, a full study of the effect of lateral braces on inelastic buckling has not been made especially for castellated beams, and it is not known whether the limiting stiffness for elastic buckling can be applied to castellated beams that buckle inelastically. This paper develops a three dimensional (3-D) finite-element model using a finite-element program and uses it to investigate the effect of elastic lateral bracing stiffness on the inelastic flexural-torsional buckling of simply supported castellated beams with an elastic lateral restraint under pure bending. It was found that for inelastic castellated beams, the effect of bracing initially is increased to some extent as the lateral unbraced length increases and then decreased until the beam behaves as an elastic beam. In other words, the effect of bracing depends not only on the stiffness of the restraint but also on the modified slenderness of the beam. Also, the results show that Winter’s simplified method to determine full brace requirements cannot be applied to inelastic castellated beams. Therefore, a general equation is proposed to determine the value of optimum stiffness in terms of the beam’s slenderness, applicable to all castellated beams under pure bending.