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2023年 第38卷 第2期
2023, 38(2): 1-7.
doi: 10.13206/j.gjgS22120101
摘要
PDF (11199KB)
摘要:
杭州西站站房钢屋盖是一种网架-桁架结合的复杂空间结构体系,因此在该结构中存在大量多杆交汇的连接问题,对这类复杂连接部分通常采用铸钢件的形式予以解决。由于此类节点交汇杆件多、受力复杂,造成分析难度大。通过有限元与试验研究的方法对杭州西站钢屋盖中的复杂铸钢节点进行分析,以此判别该铸钢节点设计的安全性与可靠性。采用有限元分析方法时,对节点在设计荷载与极限荷载两种工况下分别进行计算,设计荷载取为节点的最不利荷载工况,极限荷载为设计荷载的3倍。通过有限元分析发现:在设计荷载下节点应力水平均低于材料的屈服强度,最大应力为179.088 MPa,等效塑性应变为0;在极限荷载作用下,节点部分区域应力超过材料屈服强度,但整体荷载-位移曲线仍为线性。此后,对该铸钢节点进行材性试验及足尺试验研究。在足尺试验中,试验最大荷载为设计荷载的1.3倍,加载时,由0至最大加载力均分为26级,试验从开始至结束均未观察到试件出现明显的变形,试验过程中各应变片所采集的数据显示铸钢节点最大应变为1 036×10-6。将试验结果与有限元计算结果对比,吻合程度良好,表明:有限元计算结果较可靠;铸钢节点在设计荷载下处于完全弹性状态,在极限荷载作用下,尽管铸钢节点出现部分塑性,但未对节点整体力学性能产生影响,由此可判断所研究的节点是安全、可靠的,为未来相关工程的铸钢节点设计提供参考。
杭州西站站房钢屋盖是一种网架-桁架结合的复杂空间结构体系,因此在该结构中存在大量多杆交汇的连接问题,对这类复杂连接部分通常采用铸钢件的形式予以解决。由于此类节点交汇杆件多、受力复杂,造成分析难度大。通过有限元与试验研究的方法对杭州西站钢屋盖中的复杂铸钢节点进行分析,以此判别该铸钢节点设计的安全性与可靠性。采用有限元分析方法时,对节点在设计荷载与极限荷载两种工况下分别进行计算,设计荷载取为节点的最不利荷载工况,极限荷载为设计荷载的3倍。通过有限元分析发现:在设计荷载下节点应力水平均低于材料的屈服强度,最大应力为179.088 MPa,等效塑性应变为0;在极限荷载作用下,节点部分区域应力超过材料屈服强度,但整体荷载-位移曲线仍为线性。此后,对该铸钢节点进行材性试验及足尺试验研究。在足尺试验中,试验最大荷载为设计荷载的1.3倍,加载时,由0至最大加载力均分为26级,试验从开始至结束均未观察到试件出现明显的变形,试验过程中各应变片所采集的数据显示铸钢节点最大应变为1 036×10-6。将试验结果与有限元计算结果对比,吻合程度良好,表明:有限元计算结果较可靠;铸钢节点在设计荷载下处于完全弹性状态,在极限荷载作用下,尽管铸钢节点出现部分塑性,但未对节点整体力学性能产生影响,由此可判断所研究的节点是安全、可靠的,为未来相关工程的铸钢节点设计提供参考。
2023, 38(2): 8-17.
doi: 10.13206/j.gjgS22101701
摘要:
目前国内外多部钢结构设计标准将直接分析法推荐为钢结构分析设计首选方法,然而对应用于圆钢管空间桁架结构这一结构形式的直接分析法中,构件初始缺陷的施加方向、施加初始缺陷后构件的模拟方法、截面纤维划分方法的实施细则并未详细说明,还存在亟需解决的问题。故采用基于位移的梁柱单元,综合考虑几何非线性、材料非线性、圆钢管空间桁架结构整体初始缺陷、圆钢管构件初始缺陷等对结构稳定和承载力有重要影响的因素,对结构进行非线性分析及满应力优化设计,提出了圆钢管空间桁架结构直接分析设计流程。以某实际工程中三心圆桁架结构的一榀主桁架为例,对比了不同的构件等分数、初始几何缺陷的施加方向和不同的圆钢管截面纤维划分数情况下的结构z向最大变形,构件的应力、轴力和弯矩结果,研究了这三个因素对圆钢管空间桁架结构直接分析结果的影响规律。通过与传统一阶弹性分析方法计算结果对比,以验证提出的圆钢管空间桁架结构直接分析设计方法在工程实际中的适用性。结果表明:在1.3D+1.5L和0.9D+1.5W组合工况下,随着引入初始缺陷后构件等分数的增加,计算的桁架变形及构件的应力均逐渐增大;随着构件初始几何缺陷施加方向绕构件二轴方向旋转角度的增加,直接分析计算得出的结构z向最大变形、构件的应力和二轴弯矩均呈现递减趋势,其中构件二轴弯矩受影响较大,其变化率超过80%;由于圆钢管壁厚相对周长而言小很多,径向等分数从2增加到4时,结构计算结果变化十分有限,变形和应力的变化率均小于0.1%;在0.9D+1.5W组合工况下,环向等分数为32时的结构z向最大变形与环向等分数为4时相差达15.9%,说明截面环向划分数对结构刚度有着不可忽略的影响;对于圆钢管空间桁架结构中构件长细比较小的构件,直接分析设计方法与传统一阶弹性分析方法两者计算得出的应力较为接近,两种工况下应力结果差异小于3%,而对于细长构件,两种计算方法的计算结果差距较明显,差异可达25.5%。
目前国内外多部钢结构设计标准将直接分析法推荐为钢结构分析设计首选方法,然而对应用于圆钢管空间桁架结构这一结构形式的直接分析法中,构件初始缺陷的施加方向、施加初始缺陷后构件的模拟方法、截面纤维划分方法的实施细则并未详细说明,还存在亟需解决的问题。故采用基于位移的梁柱单元,综合考虑几何非线性、材料非线性、圆钢管空间桁架结构整体初始缺陷、圆钢管构件初始缺陷等对结构稳定和承载力有重要影响的因素,对结构进行非线性分析及满应力优化设计,提出了圆钢管空间桁架结构直接分析设计流程。以某实际工程中三心圆桁架结构的一榀主桁架为例,对比了不同的构件等分数、初始几何缺陷的施加方向和不同的圆钢管截面纤维划分数情况下的结构z向最大变形,构件的应力、轴力和弯矩结果,研究了这三个因素对圆钢管空间桁架结构直接分析结果的影响规律。通过与传统一阶弹性分析方法计算结果对比,以验证提出的圆钢管空间桁架结构直接分析设计方法在工程实际中的适用性。结果表明:在1.3D+1.5L和0.9D+1.5W组合工况下,随着引入初始缺陷后构件等分数的增加,计算的桁架变形及构件的应力均逐渐增大;随着构件初始几何缺陷施加方向绕构件二轴方向旋转角度的增加,直接分析计算得出的结构z向最大变形、构件的应力和二轴弯矩均呈现递减趋势,其中构件二轴弯矩受影响较大,其变化率超过80%;由于圆钢管壁厚相对周长而言小很多,径向等分数从2增加到4时,结构计算结果变化十分有限,变形和应力的变化率均小于0.1%;在0.9D+1.5W组合工况下,环向等分数为32时的结构z向最大变形与环向等分数为4时相差达15.9%,说明截面环向划分数对结构刚度有着不可忽略的影响;对于圆钢管空间桁架结构中构件长细比较小的构件,直接分析设计方法与传统一阶弹性分析方法两者计算得出的应力较为接近,两种工况下应力结果差异小于3%,而对于细长构件,两种计算方法的计算结果差距较明显,差异可达25.5%。
2023, 38(2): 18-22.
doi: 10.13206/j.gjgS22111403
摘要:
为了简化半刚接半铰接六杆四面体球面网壳的节点形式,提出两种新型的由投影面为圆环形的铰接六杆四面体构成的球形网壳构造。对两种铰接六杆四面体构成的球形网壳构造进行了静力和特征值屈曲分析及非线性稳定性分析,结果显示:上弦径向杆沿跨度方向布置且支撑位于下弦和下弦径向杆沿跨度方向布置且支撑位于上弦的六杆四面体球形网壳结构通过线性特征值屈曲分析和考虑几何初始缺陷、荷载不对称布置的稳定性分析,均能够得到较好的力学性能。此种网壳结构的构型非常简洁,节点和杆件数量相比于双层球形网壳构造较小,且网格抽空率高,同时具备了单层和双层球形网壳构造的主要优势。铰接六杆四面体所构成的球形网壳能够通过螺栓球连接,便于标准化设计、工业化生产和装配化施工,符合绿色工程的特征。
为了简化半刚接半铰接六杆四面体球面网壳的节点形式,提出两种新型的由投影面为圆环形的铰接六杆四面体构成的球形网壳构造。对两种铰接六杆四面体构成的球形网壳构造进行了静力和特征值屈曲分析及非线性稳定性分析,结果显示:上弦径向杆沿跨度方向布置且支撑位于下弦和下弦径向杆沿跨度方向布置且支撑位于上弦的六杆四面体球形网壳结构通过线性特征值屈曲分析和考虑几何初始缺陷、荷载不对称布置的稳定性分析,均能够得到较好的力学性能。此种网壳结构的构型非常简洁,节点和杆件数量相比于双层球形网壳构造较小,且网格抽空率高,同时具备了单层和双层球形网壳构造的主要优势。铰接六杆四面体所构成的球形网壳能够通过螺栓球连接,便于标准化设计、工业化生产和装配化施工,符合绿色工程的特征。
2023, 38(2): 23-31.
doi: 10.13206/j.gjgS22111601
摘要:
为解决贝雷梁实体模型在有限元分析中建模困难、计算代价大的弊端,采用有限元分析软件ANSYS,基于已验证的贝雷梁实体有限元模型,提出一种针对装配式贝雷梁的杆系模型,并与《装配式公路钢桥多用途使用手册》中的贝雷梁试验进行比对,验证线性状态下贝雷梁实体模型与杆系模型的准确性。通过非线性屈曲分析,比较两种模型在非线性状态下的差异性,通过修正得出正确的杆系有限元模型,并采用修正后的杆系模型代替实体模型进行不同工况下的极限承载力研究,探明初始几何缺陷对贝雷梁受力性能的影响,提出了贝雷梁极限承载力验算中几何缺陷的参考幅值。结果表明:相同荷载作用下实体模型在线性阶段的位移值略大于杆系模型,跨中最大位移相差4%,但杆系模型和实体模型在各测点的位移值都与试验结果接近,且误差范围小于2%。杆系模型和实体模型的内力基本吻合,截面平均等效应力最大误差为2.78%;不同侧向支撑间距下两种模型在非线性阶段得到的失稳模式高度一致,极限承载力差值在2.4%以内,荷载-位移曲线基本吻合,破坏模式基本一致,且杆系模型的荷载-位移曲线与试验曲线吻合较好,由此可以证明,杆系模型可代替实体模型进行极限承载力分析;贝雷梁的侧向支撑间距对结构的破坏模式起决定性作用,贝雷梁的侧向支撑间距不小于7.5 m时,结构发生整体失稳,侧向支撑间距小于6 m时,贝雷梁发生局部失稳,失稳模式为跨中单元的上弦杆发生面外弯曲破坏,且出现了明显的局部失稳变形,弯曲变形最大部分的Mises应力达到屈服;当贝雷梁发生整体失稳时,整体几何缺陷对结构的承载力影响较大,而当结构发生局部失稳时,需要特别注意结构的局部几何缺陷;稳定承载力对整体缺陷的幅值较为敏感,而面内局部缺陷对贝雷梁的稳定承载力影响很小,面外局部几何缺陷对贝雷梁的稳定承载力影响较为显著,考虑面外初弯曲幅值为1/1 000的初始几何缺陷时,弦杆、竖杆及斜杆的面外局部缺陷使稳定承载力分别下降6.1%、1.3%和1.2%,而面内缺陷仅使其降低了1.0%、1.0%和0.5%。故在选用贝雷片时应格外注意弦杆的面外变形。
为解决贝雷梁实体模型在有限元分析中建模困难、计算代价大的弊端,采用有限元分析软件ANSYS,基于已验证的贝雷梁实体有限元模型,提出一种针对装配式贝雷梁的杆系模型,并与《装配式公路钢桥多用途使用手册》中的贝雷梁试验进行比对,验证线性状态下贝雷梁实体模型与杆系模型的准确性。通过非线性屈曲分析,比较两种模型在非线性状态下的差异性,通过修正得出正确的杆系有限元模型,并采用修正后的杆系模型代替实体模型进行不同工况下的极限承载力研究,探明初始几何缺陷对贝雷梁受力性能的影响,提出了贝雷梁极限承载力验算中几何缺陷的参考幅值。结果表明:相同荷载作用下实体模型在线性阶段的位移值略大于杆系模型,跨中最大位移相差4%,但杆系模型和实体模型在各测点的位移值都与试验结果接近,且误差范围小于2%。杆系模型和实体模型的内力基本吻合,截面平均等效应力最大误差为2.78%;不同侧向支撑间距下两种模型在非线性阶段得到的失稳模式高度一致,极限承载力差值在2.4%以内,荷载-位移曲线基本吻合,破坏模式基本一致,且杆系模型的荷载-位移曲线与试验曲线吻合较好,由此可以证明,杆系模型可代替实体模型进行极限承载力分析;贝雷梁的侧向支撑间距对结构的破坏模式起决定性作用,贝雷梁的侧向支撑间距不小于7.5 m时,结构发生整体失稳,侧向支撑间距小于6 m时,贝雷梁发生局部失稳,失稳模式为跨中单元的上弦杆发生面外弯曲破坏,且出现了明显的局部失稳变形,弯曲变形最大部分的Mises应力达到屈服;当贝雷梁发生整体失稳时,整体几何缺陷对结构的承载力影响较大,而当结构发生局部失稳时,需要特别注意结构的局部几何缺陷;稳定承载力对整体缺陷的幅值较为敏感,而面内局部缺陷对贝雷梁的稳定承载力影响很小,面外局部几何缺陷对贝雷梁的稳定承载力影响较为显著,考虑面外初弯曲幅值为1/1 000的初始几何缺陷时,弦杆、竖杆及斜杆的面外局部缺陷使稳定承载力分别下降6.1%、1.3%和1.2%,而面内缺陷仅使其降低了1.0%、1.0%和0.5%。故在选用贝雷片时应格外注意弦杆的面外变形。
2023, 38(2): 32-40.
doi: 10.13206/j.gjgS22082204
摘要:
滨海地区的输电塔结构长期遭受海洋腐蚀性大气环境的侵蚀,其构件有效承载面积因腐蚀而削减,力学性能逐渐降低;长期的环境腐蚀与滨海强风耦合作用下,输电塔结构的服役安全性及耐久性受到了严重威胁。为了准确刻画长期氯离子侵蚀对滨海输电塔线结构体系风致动力响应的影响机制,首先在实验室对输电塔角钢进行盐雾加速腐蚀试验,腐蚀时长分别设定为0,800,1 600,2 400 h;之后利用腐蚀后角钢制作拉伸试件并采用MTS试验机对其进行力学性能试验,探究腐蚀对角钢截面损失率以及力学性能退化的影响规律,构建腐蚀时长(截面损失率)与角钢力学性能参数的回归模型;最后基于修正的二次溯流模型来刻画腐蚀后角钢的本构模型,并采用SAP 2000有限元分析软件建立考虑腐蚀影响的输电塔结构有限元分析模型,开展输电塔线结构体系风振响应分析,探究滨海氯离子侵蚀对输电塔结构风振响应的影响机制。研究结果表明:随着氯离子侵蚀时间的增加,角钢力学性能呈逐渐下降趋势,在腐蚀时长为800 h时,极限强度退化率与屈服强度退化率分别为4.00%与3.01%,伸长率和弹性模量则分别下降了5.33%和7.02%;当腐蚀时长达到2 400 h后,极限强度退化率与屈服强度退化率相较于未腐蚀工况分别达到16.49%和15.22%,下降幅度显著,伸长率和弹性模量下降幅值分别达到9.74%与14.33%。通过对输电塔结构的动力分析发现,随着腐蚀累积,输电塔结构的自振频率呈逐渐下降趋势,在腐蚀时长达2 400 h时,输电塔结构的一阶自振频率相较于未腐蚀前下降了4.08%,且腐蚀对输电塔结构的高阶频率影响更加显著;对应于3种腐蚀工况(腐蚀时长分别为800,1 600,2 400 h)的输电塔结构风振位移响应和塔身杆件应力呈逐渐增加趋势,腐蚀时长达到2 400 h时,塔身顶部最大位移已达0.466 m,较未腐蚀工况时塔身顶部位移增幅达9.8%,杆件应力最大增幅达5.1%;4种工况在同一风荷载作用下最大应力值与其对应腐蚀时长下的屈服强度比分别为0.52、0.55、0.58和0.60。
滨海地区的输电塔结构长期遭受海洋腐蚀性大气环境的侵蚀,其构件有效承载面积因腐蚀而削减,力学性能逐渐降低;长期的环境腐蚀与滨海强风耦合作用下,输电塔结构的服役安全性及耐久性受到了严重威胁。为了准确刻画长期氯离子侵蚀对滨海输电塔线结构体系风致动力响应的影响机制,首先在实验室对输电塔角钢进行盐雾加速腐蚀试验,腐蚀时长分别设定为0,800,1 600,2 400 h;之后利用腐蚀后角钢制作拉伸试件并采用MTS试验机对其进行力学性能试验,探究腐蚀对角钢截面损失率以及力学性能退化的影响规律,构建腐蚀时长(截面损失率)与角钢力学性能参数的回归模型;最后基于修正的二次溯流模型来刻画腐蚀后角钢的本构模型,并采用SAP 2000有限元分析软件建立考虑腐蚀影响的输电塔结构有限元分析模型,开展输电塔线结构体系风振响应分析,探究滨海氯离子侵蚀对输电塔结构风振响应的影响机制。研究结果表明:随着氯离子侵蚀时间的增加,角钢力学性能呈逐渐下降趋势,在腐蚀时长为800 h时,极限强度退化率与屈服强度退化率分别为4.00%与3.01%,伸长率和弹性模量则分别下降了5.33%和7.02%;当腐蚀时长达到2 400 h后,极限强度退化率与屈服强度退化率相较于未腐蚀工况分别达到16.49%和15.22%,下降幅度显著,伸长率和弹性模量下降幅值分别达到9.74%与14.33%。通过对输电塔结构的动力分析发现,随着腐蚀累积,输电塔结构的自振频率呈逐渐下降趋势,在腐蚀时长达2 400 h时,输电塔结构的一阶自振频率相较于未腐蚀前下降了4.08%,且腐蚀对输电塔结构的高阶频率影响更加显著;对应于3种腐蚀工况(腐蚀时长分别为800,1 600,2 400 h)的输电塔结构风振位移响应和塔身杆件应力呈逐渐增加趋势,腐蚀时长达到2 400 h时,塔身顶部最大位移已达0.466 m,较未腐蚀工况时塔身顶部位移增幅达9.8%,杆件应力最大增幅达5.1%;4种工况在同一风荷载作用下最大应力值与其对应腐蚀时长下的屈服强度比分别为0.52、0.55、0.58和0.60。
2023, 38(2): 41-43.
doi: 10.13206/j.gjgS22092815
摘要:
比较了自振特性分析刚度方程和屈曲分析的类似性和差别,指出了自振周期和屈曲荷载的关系,因为各结构设计规范对屈曲因子或刚重比有最低要求,通过这个最低要求推出了周期限值,从而对周期限值的确定有了理论依据。而周期与结构总高度开根号相联系,对不同性质的结构体系,公式差别不大。
比较了自振特性分析刚度方程和屈曲分析的类似性和差别,指出了自振周期和屈曲荷载的关系,因为各结构设计规范对屈曲因子或刚重比有最低要求,通过这个最低要求推出了周期限值,从而对周期限值的确定有了理论依据。而周期与结构总高度开根号相联系,对不同性质的结构体系,公式差别不大。
