结合卓越工程师计划的钢结构课程设计教学探索

钢结构课程设计是土木工程本科教学中的重要设计训练环节,着重培养学生运用钢结构基本理论解决工程设计问题的能力。文章结合"卓越工程师教育培养计划",在考虑当前钢结构发展形势的情况下对钢结构课程设计的教学内容、教学组织和设计题目开展了改革探索,同时对教学指导环节进行了探讨。     

铝合金轴心受压构件局部整体相关稳定试验研究

铝合金轴压构件局部与整体相关稳定性能,在国内外尚无系统的研究。为此,该文对12根铝合金6061-T6和6063-T5工形截面轴心受压构件的局部整体相关稳定性能进行试验研究,包括其破坏形式、变形性能以及极限承载力等。将试验结果与中国规范、欧洲规范、美国规范和澳大利亚/新西兰规范计算结果进行对比分析,验证各规范设计方法的可靠性。采用有限元软件ANSYS对试验结果进行模拟计算。研究结果表明：有限元模型能够准确地计算铝合金轴压构件的承载力,可以应用在下一步的参数分析中;各国规范设计方法对弱硬化合金承载力计算的准确程度优于强硬化合金;美规和澳规对弱硬化合金极限承载力的计算较准确,但是对强硬化合金的计算偏于保守;中国规范和欧规分别考虑局部失稳和整体失稳,并将两者的影响进行叠加,计算结果过于保守。因此,需要调整中国规范中的参数,以得到更加合理的设计。     

箱形节点域不锈钢端板连接梁柱弱轴节点受力性能

为了探究不锈钢弱轴节点的静力性能和抗震性能,设计并加工了4个端板连接不锈钢梁柱弱轴节点试件,包括奥氏体型和双相型两种不锈钢牌号试件各2个,且均设置了箱形节点域进行加强。对节点试件分别开展单调静力和低周反复加载试验,得到了节点的整体受力性能和局部受力特征,包括节点在单调静力和低周反复荷载作用下的失效破坏形态、荷载–位移曲线和螺栓力发展过程,以及节点在低周反复荷载作用下的刚度、强度退化和耗能能力。结果表明：在静力和循环荷载作用下,节点的最终破坏形态为柱子蒙皮板与柱翼缘的对接焊缝均出现断裂,奥氏体型不锈钢节点的初始刚度约为双相型不锈钢节点的90%,塑性承载力约为后者的60%~70%。节点在循环荷载作用下,滞回曲线较为饱满无明显捏拢现象,出现了刚度和强度退化,奥氏体型不锈钢节点的累积耗能约为双相型不锈钢节点的3倍。设置箱形节点域之后,弱轴端板连接节点受力性能对焊缝质量要求更高,焊缝的提前断裂导致不锈钢材的优良延性未能充分发挥。采用有限元软件ABAQUS建立了精细数值模型对试验节点的受力性能进行模拟,并基于试验结果验证了所建立模型的准确性。得到的试验结果和建立的有限元模型可以为后续箱形节点域不锈钢弱轴节点受力性能研究提供参考。     

铝合金工形截面短柱轴压局部稳定试验研究

为研究铝合金工形截面轴压构件的局部稳定性能,对15根工程中常用大截面铝合金6061-T6和6063-T5轴压短柱试件进行试验研究,并对12组48个材性试样进行拉伸试验。研究了材料的力学性能、试件的局部几何初始缺陷、变形性能、局部屈曲荷载、轴压承载力等,并将试验结果与各国规范中设计方法计算结果进行对比。试验结果表明：铝合金6061-T6强度与普通钢材相当,但延性较差;铝合金挤压型材的局部几何初始缺陷很小,远小于规范中给定数值;板件宽厚比越大,局部屈曲发生越早,破坏时材料的强度越得不到充分发挥,但是局部屈曲后材料强度仍有较大的提高;翼缘和腹板之间存在相互作用;中国规范、欧洲规范、美国规范和澳大利亚/新西兰规范均低估了试件的轴压承载力,其中美国规范计算结果与试验结果最接近。因此,对于板件宽厚比大的试件,应充分利用其屈曲后强度,各国规范得到的承载力计算结果均较保守。     

不锈钢结构的应用和研究现状

随着碳素钢在建筑结构中的大规模应用,一些缺陷也逐渐暴露出来,如抗腐蚀性能差、耐久性不足、维护费用高等。而不锈钢材料具有良好的耐腐蚀性能和耐久性,使建筑结构安全可靠、结实耐久,具有极佳的应用和研究前景。与碳素钢材料性能的显著区别使不锈钢结构设计需要专门的研究,但目前国内相关研究工作开展严重滞后,阻碍了不锈钢结构的应用,不利于可持续发展。通过简要介绍不锈钢材料的类型和特点,对近年来不锈钢结构的应用和研究现状进行总结,阐述国内外不锈钢相关规范以及不锈钢结构的设计方法,最后展望和探讨不锈钢结构的应用研究前景。     

等宽KX形矩形钢管相贯节点受力性能研究

为研究武汉江夏大花山户外运动中心大跨度屋盖中等宽KX形矩形钢管相贯节点的受力性能,对1个足尺寸节点试件开展了加载试验。结果表明：节点在设计荷载下处于弹性状态,2.7倍设计荷载下节点发生破坏,破坏形态为弦杆非加厚段翼缘和腹板局部鼓曲。采用ABAQUS建立了节点有限元模型,准确考虑了材料和几何双非线性特性,对节点加载试验过程进行了准确模拟。基于验证可靠的有限元模型,探究了弦杆厚度、腹杆轴力比、弦杆轴压力、支杆轴力及弯剪作用对节点承载力的影响规律,提出了弦杆承受轴压力时的承载力折减系数计算公式,并给出了等宽KX形矩形钢管相贯节点可按K形节点进行设计的建议。     

武汉天河机场T3航站楼铸钢节点受力性能试验研究

为考察武汉天河机场T3航站楼网架结构中铸钢节点在最不利设计工况下的受力性能,对典型铸钢节点FLQ-35A进行了足尺试验研究和有限元分析。试验结果表明:在1.3倍设计荷载作用下,节点处于弹性状态,卸载后没有明显残余变形。结果表明:有限元结果与试验结果吻合良好,节点失效破坏将从主管G1变截面处的局部塑性发展开始;铸钢节点的极限承载力满足《铸钢节点应用技术规程》(CECS 235∶2008)中的相关要求,该铸钢节点具有较高的安全储备。     

奥氏体型不锈钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性能试验研究

为了研究奥氏体型不锈钢材轴心受压构件的整体稳定性能,对6根奥氏体型不锈钢焊接箱形截面柱进行了轴心受压试验研究,在试验前对试件的几何初弯曲进行了测量,在试验过程中对荷载初偏心进行了量测。基于试验结果,分析了该类型构件的失稳破坏形态和整体稳定承载力,并与欧洲钢结构规范和中国钢结构规范进行了对比。结果表明此次试验数据高于欧洲钢结构规范和中国钢结构规范的设计曲线,设计曲线较为保守。     

网架钢结构施工缺陷分析与处理

通过对网架钢结构常见的施工缺陷进行总结,结合实际工程针对不同的缺陷类型提出了相应的整改加固措施,并验证了整改加固效果.重点采用有限元计算的方法,分析了安装误差和杆件初始弯曲对网架钢结构的影响.分析结果表明：安装误差可能会对网架钢结构造成不安全影响,从网架钢结构的安全性出发应采用有效方法评估安装误差对结构的影响;而杆件过大的初始弯曲将显著降低杆件的稳定承载力,在施工过程中应尽量避免造成此类缺陷,对已有缺陷的杆件必须进行纠正或者更换.     

焊接箱形截面不锈钢柱相关稳定性能分析

采用有限元法对焊接箱形截面不锈钢柱的局部与整体相关稳定性能进行分析,研究利用板件的屈曲后强度,以实现更为经济合理的构件截面设计。建立了可以准确模拟不锈钢非线性材料力学性能、截面焊接残余应力和构件的局部与整体几何初始缺陷等因素的精确有限元数值模型,并依据试验结果对模型的可靠性进行了验证。基于验证可靠的有限元模型,开展了系统参数分析,同时补充了大量的数值计算数据点。根据得到的试验和有限计算结果,对相关稳定承载力的理论计算方法进行了比较分析,表明现有的方法应用较为复杂,而且可能高估构件的相关稳定承载力。针对奥氏体型和双相型两类不锈钢提出了通用的计算修正系数,给出了新的直接强度法计算公式,经试验与有限元计算结果验证,表明其能够准确计算焊接箱形截面不锈钢柱的相关稳定承载力。