基于赫兹理论的销轴连接修正设计方法研究

工程设计中销轴连接的接触应力峰值及应力分布模式大多以赫兹接触理论为准则进行分析。一般认为,作用于销轴的荷载在耳板范围内均匀分布或以等效集中力形式作用于耳板中线处,但实际工程中销轴连接的边界条件并不完全符合赫兹理论的假定。为得到更为精确的销轴连接应力计算式,在有限元模型中各相关参数的设置得到验证后,对销轴连接进行了参数分析。研究摩擦系数、耳板厚度、耳板间隙和销轴直径等参数对处于弹性工作状态的销轴连接的接触应力数值及其分布规律的影响,并对大量有限元分析结果进行拟合,提出了基于赫兹接触理论修正的销轴局部接触应力峰值计算式及销轴的最大弯曲应力计算式。在建议的尺度范围内,采用修正后的应力计算式的计算结果和有限元分析结果吻合较好,且具有较高的精度,可为工程应用提供参考。     

空间角柱端板连接节点有限元分析

利用有限元分析软件ANSYS建立强轴和弱轴连接均存在的空间端板连接角柱节点及仅强轴连接存在的平面端板连接节点模型,分析空间端板连接角柱节点与平面端板连接节点性能的差异和在空间荷载和平面荷载作用下,空间角柱节点强轴连接的初始转动刚度和弯矩承载力的变化。研究表明,与平面节点相比,空间角柱节点强轴方向的初始转动刚度和承载力均有大幅提高;与平面荷载相比,空间荷载作用下,空间节点的初始转动刚度变化较小,但对节点域柱腹板产生不利影响,降低了空间角柱节点的弯矩承载力。     

单调水平荷载作用下钢筋混凝土柱受弯性能尺寸效应试验研究

为了研究钢筋混凝土柱的受弯性能尺寸效应,对6个钢筋混凝土柱试件进行不同轴压比下的单调水平加载试验。试件的轴压比和截面尺寸不同,剪跨比和配筋率保持一致。分析名义极限弯矩、延性、中和轴高度和塑性铰长度等受弯性能随截面尺寸的变化规律。结果表明：名义极限弯矩、峰值荷载时混凝土压应变、延性、中和轴高度和塑性铰长度都表现出明显的尺寸效应,随截面尺寸的增大而减小;轴压比越高,名义极限弯矩和峰值荷载时混凝土压应变尺寸效应越明显;轴压比较低时,位移延性系数的尺寸效应更明显。在试验基础上,提出考虑截面尺寸影响系数的钢筋混凝土柱受弯承载力计算式,使大小尺寸试件计算结果的安全储备系数趋于一致。     

索结构中销轴耳板连接破坏形式及承载力研究

销轴耳板连接是索结构节点常用的连接形式,然而现阶段针对销轴耳板连接的破坏性试验研究相对较少,其破坏机理尚未明确。为探究销轴耳板连接的破坏形式和承载力,设计7个销孔直径为45 mm,端距与边距比值不同的足尺销轴耳板连接试件,并进行拉力破坏性试验。采用有限元软件ABAQUS对其受力性能进行数值模拟,模拟得到的破坏形式与承载力同试验结果基本一致,验证了有限元方法的正确性。基于有限元模型对销轴耳板连接进行参数化分析,研究销孔直径(93、136 mm)、耳板端距(0.5～4倍销孔直径)、耳板边距(0.5～1.5倍销孔直径)等参数对销轴耳板连接破坏形式和承载力的影响,结果表明耳板端距和边距是影响销轴耳板连接破坏形式和承载力的主要因素。通过理论推导和线性拟合的方法得到了孔壁承压破坏、净截面拉断破坏、端部截面剪切破坏下的承载力计算式。通过算例对比分析提出的设计方法与我国GB 50017—2017《钢结构设计标准》、欧洲BS EN 1993-1-8、美国AISC 360-10在相同设计荷载下设计销轴耳板连接时尺寸的差异,并对我国GB 50017—2017《钢结构设计标准》的改进和完善提出相关建议。     

Study on failure pattern and bearing capacity of pin-plate connection in cable structures

销轴耳板连接是索结构节点常用的连接形式，然而现阶段针对销轴耳板连接的破坏性试验研究相对较少，其破坏机理尚未明确。为探究销轴耳板连接的破坏形式和承载力，设计7个销孔直径为45 mm，端距与边距比值不同的足尺销轴耳板连接试件，并进行拉力破坏性试验。采用有限元软件ABAQUS对其受力性能进行数值模拟，模拟得到的破坏形式与承载力同试验结果基本一致，验证了有限元方法的正确性。基于有限元模型对销轴耳板连接进行参数化分析，研究销孔直径(93、136 mm)、耳板端距(0.5~4倍销孔直径)、耳板边距(0.5~1.5倍销孔直径）等参数对销轴耳板连接破坏形式和承载力的影响，结果表明耳板端距和边距是影响销轴耳板连接破坏形式和承载力的主要因素。通过理论推导和线性拟合的方法得到了孔壁承压破坏、净截面拉断破坏、端部截面剪切破坏下的承载力计算式。通过算例对比分析提出的设计方法与我国GB 50017—2017《钢结构设计标准》、欧洲BS EN 1993-1-8、美国AISC 360-10在相同设计荷载下设计销轴耳板连接时尺寸的差异，并对我国GB 50017—2017《钢结构设计标准》的改进和完善提出相关建议。     

不同桩头约束下微倾单桩纵横向受荷响应计算的三参数法

为研究桩头转动约束及桩身初始微倾斜对纵横向组合荷载作用下桩身侧向响应的影响,基于三参数形式的地基水平抗力系数,通过矩阵运算提出了桩身变形和内力的半解析解,并与模型试验结果及已有解计算结果进行对比以验证其可靠性。计算结果表明:桩头转动刚度增加时,桩顶位移和地表以下桩身最大弯矩减小,桩顶弯矩和地表以下桩身最大弯矩距离桩顶的距离增大。桩身初始倾角增加时,桩身最大位移和最大弯矩均线性增大,且随纵向荷载的增加其变化速率逐渐增大;纵向荷载增加时,桩身最大位移和最大弯矩均增大,且随纵向荷载和桩身初始倾角的增加其变化速率逐渐增大,而地表以下桩身最大弯矩距离地表的距离呈线性减小。     

梁端柔性对装配式框架结构的内力影响

通过采用有限单元法进行分析,研究了柔性连接对框架结构内力的影响。研究表明,在竖向荷载作用下,相比较于刚性连接,梁端弯矩和柱脚弯矩均减小,而梁跨中弯矩变大。在水平荷载作用下,相比较于刚性连接,梁端弯矩减小,底层柱脚弯矩明显增大,此时梁跨中的弯矩几乎没有变化。当水平荷载和竖向荷载共同作用时,刚性连接与柔性连接之间的内力差别也是显著的。     

半刚性对预应力自复位框架结构的抗震性能影响分析

预应力自复位混凝土框架节点(简称PTED节点)是半刚性节点,节点的转动刚度对PTED框架结构的弹塑性性能影响较大。引入节点固定系数的概念,给出其理论表达式,并通过PTED节点试验和PTED框架结构的动力弹塑性分析,研究节点转动刚度的变化对PTED框架结构弹塑性性能的影响。研究结果表明:随着节点转动刚度的减小,在侧向荷载作用下,框架结构的最大顶点位移增大而最大基底剪力相应减小;在竖向荷载作用下,梁跨弯矩的分布从负弯矩向正弯矩转化。在半刚性结构设计中必须考虑节点转动刚度对结构弹塑性性能的影响。     

古建筑木结构柱脚节点受力性能试验研究

在古建筑木结构中,将木柱直接平摆浮搁于础石之上,形成连接上部结构与台基之间的柱脚节点,其只承受压力而不承受拉力。在反复荷载作用下,木柱会沿柱脚边缘转动。为研究柱脚节点在地震、风荷载等作用下的受力性能,参考宋代《营造法式》制作了3个七等材足尺柱脚节点模型。通过低周反复荷载试验对柱脚节点的受力特点、滞回特性、转动刚度、刚度退化、柱脚截面等效半径和柱脚边缘点应变等特性进行研究,并分析了竖向荷载对上述性能的影响。试验结果表明：在反复荷载作用下,柱脚边缘出现受压变形,其转动支点交替变化;滞回曲线呈反Z形,产生捏拢现象;柱脚节点恢复弯矩和柱脚截面等效半径首先随转角增加而增加,而后逐渐趋于稳定;柱脚节点的初始转动刚度较大,随后刚度随转角增加逐渐减小;在反复荷载作用下,柱脚节点产生刚度退化现象,加载过程中,柱脚转动刚度为正值,表明其具有较好地转动性能;柱脚恢复弯矩、转动刚度、边缘点应变随竖向荷载增加明显增加,柱脚截面等效半径随竖向荷载增加而减小;通过试验拟合得到了竖向荷载对恢复弯矩和转动刚度的影响系数。     

双-三耳板销轴连接耳板厚度比例研究

对于双-三耳板销轴连接形式,从销轴受力角度出发,分别按最大剪力最小和最大弯矩最小的原则推导出三耳板的中、两侧和双耳板的厚度比例关系,并通过具体实例对两种方案进行对比,指出两种方案的适用情况。     

基于主动式纠偏的曲线顶管施工力学特性研究

曲线顶管施工技术在市政管线工程中得到越来越广泛的应用。在分析曲线顶管施工机理的基础上,提出并对比分析了3种管节纠偏方案,进而结合主动式纠偏方案的施工特点,对三维曲线顶管施工过程中管土间挤压作用力进行计算分析,并推导了管节顶进摩阻力计算公式,其后对管线平面夹角、管线半径及管径大小3个摩阻力影响因素进行单因素分析。考虑管外注浆对管土接触状态的影响,进而引入土压力作用系数对顶进摩阻力计算公式进行修正,并通过对比分析顶进摩阻力的现场实测值、规范建议值及公式计算值,给出了土压力作用系数的建议取值范围。研究表明:主动式纠偏方案在管节姿态调整、施工扰动控制及管身衬砌受力等方面优于其他两种纠偏方案;顶管施工过程中管土间的挤压作用力呈三维复杂状态,不能进行简单的叠加;管线平面夹角对管节转动摩阻力有显著影响,管线半径对侧向顶推摩阻力和管节转动摩阻力均有一定的影响,而管径大小则主要影响地层土压力摩阻力的数值;管土接触状态是真实存在的,其土压力作用系数的取值范围大致在0.2~0.6之间。     

钢框架梁柱高强螺栓连接节点的滞回性能

通过对钢框架梁柱高强螺栓连接节点在循环荷载作用下的拟静力试验,分析了各类连接的刚度、承载能力、延性系数和能量耗散机制,并讨论了剖分T型钢连接、顶底角钢腹板双角钢连接和顶底角钢连接的差别。试验结果表明,T型钢翼缘厚度是影响剖分T型钢连接节点性能的主要因素;在计算顶底角钢腹板双角钢连接的连接刚度和抗弯承载力时,应考虑双腹板角钢的影响。     

Evaluation of Interface Shear Strength between Geosynthetics Under Wet Condition

This paper presents direct shear testing data for interfaces between a nonwoven geotextile or two types of geosynthetic clay liners (GCL) (reinforced and unreinforced) and two types of geomembranes (smooth and textured). In this study, the effect of moisture on interface shear behavior was investigated by performing shear tests in both dry and wet (or hydrated) conditions because the geosynthetic interfaces in a landfill are easily exposed to rain, leachate and groundwater beneath the liners. The degree of strength reduction with increasing displacement and the effect of the normal stress level on friction angles were examined, and the modified hydration method applied for the GCL was also validated. The test results showed that the normal stress level, interface water presence and hydration methods dominated the interface shear strength and behavior. The relationship between the peak secant friction angle and the normal stress demonstrated that the friction angle decreased with increasing normal stress, implying that the shear strength for safe design should be determined by using the maximum value of the normal stress applied in landfills. Finally, comparisons with a few published test results were presented and some design implications for the geosynthetic-installed landfills were discussed.     

绿片岩各向异性蠕变特性试验研究

 为了解锦屏二级水电站引水隧洞绿片岩的各向异性流变力学特性,通过对层状脆性绿片岩试件进行单轴压缩蠕变试验,研究脆性层状岩石材料的各向异性蠕变规律。按层理面倾角大小共加工6个试件,分级加载均为4个应力水平,最大值与初始地应力接近。试验结果表明,绿片岩试件蠕变曲线存在瞬时应变、衰减蠕变和稳定蠕变,未出现加速蠕变阶段。根据试验结果得到瞬时弹性模量和稳定蠕变阶段的蠕变速率。分析表明,绿片岩试件的瞬时弹性模量随着应力水平的提高而提高,并趋于稳定,其中层理倾斜的试件瞬时弹性模量更高;蠕变速率随着应力水平的提高而提高,并随着层理面倾角的增大而增大,层理面倾角接近材料的破裂角时,试件的轴向蠕变速率最大。     

无粘结预应力混凝土平板-T形中柱节点抗震性能试验研究

在6个1:1.5缩尺无粘结预应力混凝土平板-T形中柱节点试件的试验基础上,本文对各试件在低周反复荷载作用下的受力过程和破坏特性进行描述,分析了无粘结预应力钢筋应力增量变化特点、板暗梁面筋和节点区附近板暗梁箍筋的应力变化特点,对比了T形柱不同截面参数和不平衡弯矩不同加载方向对该节点抗震性能和不平衡弯矩分配的影响,对该节点的抗震性能进行了评价。试验结果表明,节点的不平衡弯矩主要靠板的弯曲作用来传递,T形柱腹板长度c1对节点的抗震性能和不平衡弯矩分配系数等方面具有决定作用。文中采用隔离体方法对板柱节点进行受力分析,推导了节点剪力传递弯矩系数的计算公式,提出了节点理论抗弯承载力的计算方法。试验结果对工程设计有一定的参考价值。     

Behavior of bolted angle connections subjected to combined shear force and moment

In this paper, the effect of web angle dimensions on moment-rotation behavior of bolted top and seat angle connections, with double web angles is studied. Several 3D parametric finite element (FE) models are presented in this study whose geometrical and mechanical properties are used as parameters. In these models, all of the connection components, such as beam, column, angles and bolts are modeled using solid elements. The effect of interactions between components, such as slippage of bolts and frictional forces, are modeled using a surface contact algorithm. To evaluate the behavior of connection more precisely, bolt pretensioning force is applied on bolt shanks as the first load case. The results of this numerical modeling are compared with the results of experimental works done by other researchers and good agreement was observed. To study the influence of shear force on behavior of these connections, several models were analyzed using different values of shear force. The effect of important parameters, especially the effect of web angle dimension, is studied then. An equation is proposed to determine the reduction factor for initial rotational stiffness of connection using connection initial rotational stiffness, yield moment, the expected shear force and web angle dimension. The proposed equation is compared with other existing formulations and it was observed that the proposed model is a better estimator of connection behavior.     

Post tensioned tendons for seismic retrofitting of weak bolted T-stub connections

Current design philosophy for conventional steel moment resisting frames (MRFs) in high seismic regions is that the frames should not collapse for major earthquakes. However, significant structural damage and residual drift due to inelastic deformations in beams and columns may cause loss of building occupancy or operation after major earthquakes. On the other hand, Selecting the optimum technique for rehabilitation of existing structures with weak connections has been a challenge for engineers in the recent years. In this study, the authors proposed using post-tensioned tendons for rehabilitation of bolted Tstub connections with weak bolts or weak T-stub flange as well as a technique for changing pinned connections to moment connections. Six corner connection specimens are made and tested under SAC cyclic loading protocol. The results of this study show that this rehabilitation technique not only modifies the cyclic behavior of weak rigid connections and changes simple bolted connections into moment connections, but also it improves the behavior of the rehabilitated connections in a way that their behavior is more desirable than that of the reference rigid connection designed according to AISC. For example, flexural capacity and rotational stiffness of the retrofitted connections are higher than those of the reference connection by 18 and 26% in average respectively. Besides, rehabilitation using post tensioned tendons add self-centering ability to the retrofitted connection that has a major role in preventing permanent deformations in frame and thus, the possibility of using frictional dampers in self-centering frames for increasing the energy absorption capacity is provided. This rehabilitation technique in bolted connection with weak T-stub flange has better cyclic behavior compared to that of a connection with weak bolts, since the T-stub participates in energy absorption and higher energy absorption is reached.     

形状记忆合金橡胶层状力学模型研究

形状记忆合金橡胶是一种具有复杂多孔结构的隔振和减振阻尼材料,根据其微观结构进行层状分解,结合试块压缩刚度非线性特征得到其力学本构模型。通过引入微曲梁接触对单元,建立模型物理量与材料细观及工艺参数之间的关系,得到形状记忆合金橡胶基本单元的接触刚度;由试件非线性刚度分析得到加载、卸载过程中材料内部微曲梁接触点数量的变化,进而建立形状记忆合金橡胶层状压缩本构模型。结果表明：该模型可以考虑形状记忆合金橡胶的材料参数、加工工艺参数以及加、卸载过程中静摩擦力和滑动摩擦力的影响,更接近形状记忆合金橡胶内部微弹簧线匝的受力状态;参数分析结果表明,形状记忆合金橡胶的弹性模量随着名义密度、形状记忆合金丝直径和摩擦系数的增大而提高。