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2021年 第36卷 第9期
2021, 36(9): 1-9.
doi: 10.13206/j.gjgS20111601
摘要
PDF (21787KB)
摘要:
GB 50017—2017《钢结构设计标准》对钢管柱引入了单独的条文8.2.4条，用于计算钢管柱在压弯作用下的稳定性，其与H形钢柱稳定性计算的8.2.1条公式的不同主要在等效弯矩系数计算上。圆管截面与工字钢截面相比有不一样的塑性开展特性，所以有必要提出更能反映真实圆钢管单向压弯构件的轴力-弯矩相关关系的计算公式。
采用有限元计算软件对圆钢管单向压弯构件稳定承载力进行计算，并将有限元计算结果与GB 50017—2017中相关公式进行对比，讨论GB 50017—2017中相关公式对计算圆钢管单向压弯构件稳定承载力的适用性；从圆钢管截面塑性铰状态的轴力-弯矩相关关系出发，代入带有几何缺陷杆的弹性二阶弯矩，推导出了圆钢管单向压弯构件稳定承载力的上限公式，将该式与有限元计算结果进行对比和拟合，同时修改了理论公式中的一个系数，并采用与工字钢压弯构件相同的等效弯矩系数，获得了圆钢管单向压弯构件稳定承载力计算公式。
分析得到以下结论：GB 50017—2017中相关公式计算结果与有限元计算结果相比整体上偏于保守，尤其是在弯矩线性变化并且是双曲率弯曲的情况；当端部弯矩比为-1时，GB 50017—2017中相关公式的轴力-弯矩相关关系曲线与有限元计算结果曲线呈现不同的变化趋势，说明GB 50017—2017中相关公式不能很好地反映圆钢管单向压弯构件实际的轴力-弯矩相关关系；参考有限元计算结果进行拟合的理论推导公式可以较为精确地计算端部弯矩比为1时的圆钢管单向压弯构件稳定承载力，同时采用现有的工字钢压弯构件的等效弯矩系数后，也可以较为精确地计算不同端部弯矩比情况下的圆钢管单向压弯构件稳定承载力。
GB 50017—2017《钢结构设计标准》对钢管柱引入了单独的条文8.2.4条，用于计算钢管柱在压弯作用下的稳定性，其与H形钢柱稳定性计算的8.2.1条公式的不同主要在等效弯矩系数计算上。圆管截面与工字钢截面相比有不一样的塑性开展特性，所以有必要提出更能反映真实圆钢管单向压弯构件的轴力-弯矩相关关系的计算公式。
采用有限元计算软件对圆钢管单向压弯构件稳定承载力进行计算，并将有限元计算结果与GB 50017—2017中相关公式进行对比，讨论GB 50017—2017中相关公式对计算圆钢管单向压弯构件稳定承载力的适用性；从圆钢管截面塑性铰状态的轴力-弯矩相关关系出发，代入带有几何缺陷杆的弹性二阶弯矩，推导出了圆钢管单向压弯构件稳定承载力的上限公式，将该式与有限元计算结果进行对比和拟合，同时修改了理论公式中的一个系数，并采用与工字钢压弯构件相同的等效弯矩系数，获得了圆钢管单向压弯构件稳定承载力计算公式。
分析得到以下结论：GB 50017—2017中相关公式计算结果与有限元计算结果相比整体上偏于保守，尤其是在弯矩线性变化并且是双曲率弯曲的情况；当端部弯矩比为-1时，GB 50017—2017中相关公式的轴力-弯矩相关关系曲线与有限元计算结果曲线呈现不同的变化趋势，说明GB 50017—2017中相关公式不能很好地反映圆钢管单向压弯构件实际的轴力-弯矩相关关系；参考有限元计算结果进行拟合的理论推导公式可以较为精确地计算端部弯矩比为1时的圆钢管单向压弯构件稳定承载力，同时采用现有的工字钢压弯构件的等效弯矩系数后，也可以较为精确地计算不同端部弯矩比情况下的圆钢管单向压弯构件稳定承载力。
2021, 36(9): 10-18.
doi: 10.13206/j.gjgS20062202
摘要:
以往的钢板混凝土组合剪力墙研究主要集中在其抗震性能，而对其轴压力学性能和栓钉受力特性研究较少。一方面，一些关键设计参数对墙体的极限承载力和延性的影响规律尚不明确，导致这些参数的取值难以合理地确定。另一方面，墙体中的栓钉作为抗剪连接件，可使钢板与混凝土协同工作，但在试验中栓钉的受力和变形数据难以测得。为了解决这些问题，采用ABAQUS软件建立轴压工况下组合墙的有限元模型，并利用试验研究资料检验该模型的精确性，继而考虑长高比、混凝土强度、钢板强度和栓钉强度等四个参数进行参数分析，以考察这些参数对墙体力学性能的影响。
在有限元模型中，混凝土、钢板和栓钉均采用C3D8R实体单元模拟。在混凝土本构关系中考虑了塑性损伤，钢板和栓钉的本构关系均采用二折线模型。创建刚体约束来模拟加载板，并设置两个参考点，分别位于墙体模型顶、底面的中心。将边界条件分配给两个参考点，而荷载向下施加于顶面参考点。通过初始刚度、峰值荷载和钢板局部屈曲的模拟结果验证基本有限元模型准确性，然后调节上述四个参数形成13个有限元模型，得出不同参数下墙体的荷载-位移曲线和极限荷载并进行比较分析。
结果表明，有限元模拟的荷载-位移曲线与试验结果吻合良好，而且模拟得出的钢板屈曲规律与试验现象一致，从而证实了有限元建模中采用的材料本构关系、不同材料之间的接触特性、边界条件和理论模型参数设置均合理，可供同类构件分析与设计参考。长高比、混凝土强度和钢板强度对墙体极限承载力影响较大，且极限承载力随这些参数的增大基本呈现线性增长趋势，但是栓钉强度对墙体极限承载力几乎没有影响；提高混凝土抗压强度比提高钢板强度能更有效地提高组合墙的极限承载力；当长高比取值较小时，墙体延性较好；栓钉应力集中在根部，当钢板强度和栓钉强度一致时，栓钉根部应力能基本达到其强度，其抗剪性能发挥较充分。
以往的钢板混凝土组合剪力墙研究主要集中在其抗震性能，而对其轴压力学性能和栓钉受力特性研究较少。一方面，一些关键设计参数对墙体的极限承载力和延性的影响规律尚不明确，导致这些参数的取值难以合理地确定。另一方面，墙体中的栓钉作为抗剪连接件，可使钢板与混凝土协同工作，但在试验中栓钉的受力和变形数据难以测得。为了解决这些问题，采用ABAQUS软件建立轴压工况下组合墙的有限元模型，并利用试验研究资料检验该模型的精确性，继而考虑长高比、混凝土强度、钢板强度和栓钉强度等四个参数进行参数分析，以考察这些参数对墙体力学性能的影响。
在有限元模型中，混凝土、钢板和栓钉均采用C3D8R实体单元模拟。在混凝土本构关系中考虑了塑性损伤，钢板和栓钉的本构关系均采用二折线模型。创建刚体约束来模拟加载板，并设置两个参考点，分别位于墙体模型顶、底面的中心。将边界条件分配给两个参考点，而荷载向下施加于顶面参考点。通过初始刚度、峰值荷载和钢板局部屈曲的模拟结果验证基本有限元模型准确性，然后调节上述四个参数形成13个有限元模型，得出不同参数下墙体的荷载-位移曲线和极限荷载并进行比较分析。
结果表明，有限元模拟的荷载-位移曲线与试验结果吻合良好，而且模拟得出的钢板屈曲规律与试验现象一致，从而证实了有限元建模中采用的材料本构关系、不同材料之间的接触特性、边界条件和理论模型参数设置均合理，可供同类构件分析与设计参考。长高比、混凝土强度和钢板强度对墙体极限承载力影响较大，且极限承载力随这些参数的增大基本呈现线性增长趋势，但是栓钉强度对墙体极限承载力几乎没有影响；提高混凝土抗压强度比提高钢板强度能更有效地提高组合墙的极限承载力；当长高比取值较小时，墙体延性较好；栓钉应力集中在根部，当钢板强度和栓钉强度一致时，栓钉根部应力能基本达到其强度，其抗剪性能发挥较充分。
2021, 36(9): 19-24.
doi: 10.13206/j.gjgS21012602
摘要:
独塔斜拉桥的几何非对称特性导致其应力和变形不同于一般同类桥，大宽跨比正交异性钢箱梁的薄壁结构使得其受力及变形更为复杂，用常规方法难以精确给出变形和应力值。贾鲁河大桥即是这样一个例子，而且复杂性进一步增加。120 m的主跨分成三部分：从主塔开始的100m是正交异性钢箱梁，紧接的8m过渡段与12m的混凝土梁段衔接，后者系从对岸墩台伸出的悬臂段。由于钢箱梁宽度达54.8m，且未直接支撑在对岸桥墩上，而是通过一个8m长、54.8m宽的过渡梁段间接与混凝土伸臂梁连接，属于小范围内刚度不同的三种材料的连接，由此形成的两道连接缝不但削弱了结构的整体性，而且使对准和控制环节多，进一步增加了施工控制的难度。
研究表明：钢箱梁横向变形基本一致，最大横向变形相对差值为-2.8 mm，施工时可不设横向预拱度；自重作用引起的钢箱梁最大Mises应力为93.7 MPa，二期恒载和活载作用下的最大Mises应力约为自重引起的1/4，表明钢箱梁应力具有较大的安全富余度；当U肋高度在260~320 mm范围变化时，桥面系位移变化幅度不超过5%，桥面板最大应力变化幅度不超过8%，此范围内U肋高度变化对桥面系位移和应力的影响均较小，内在原因是U肋的高低变化与横梁能提供的刚度是互补的，正好说明该正交异性钢箱梁具有显著的板的特征，设计上宜采用此范围内的U肋高度。
独塔斜拉桥的几何非对称特性导致其应力和变形不同于一般同类桥，大宽跨比正交异性钢箱梁的薄壁结构使得其受力及变形更为复杂，用常规方法难以精确给出变形和应力值。贾鲁河大桥即是这样一个例子，而且复杂性进一步增加。120 m的主跨分成三部分：从主塔开始的100m是正交异性钢箱梁，紧接的8m过渡段与12m的混凝土梁段衔接，后者系从对岸墩台伸出的悬臂段。由于钢箱梁宽度达54.8m，且未直接支撑在对岸桥墩上，而是通过一个8m长、54.8m宽的过渡梁段间接与混凝土伸臂梁连接，属于小范围内刚度不同的三种材料的连接，由此形成的两道连接缝不但削弱了结构的整体性，而且使对准和控制环节多，进一步增加了施工控制的难度。
研究表明：钢箱梁横向变形基本一致，最大横向变形相对差值为-2.8 mm，施工时可不设横向预拱度；自重作用引起的钢箱梁最大Mises应力为93.7 MPa，二期恒载和活载作用下的最大Mises应力约为自重引起的1/4，表明钢箱梁应力具有较大的安全富余度；当U肋高度在260~320 mm范围变化时，桥面系位移变化幅度不超过5%，桥面板最大应力变化幅度不超过8%，此范围内U肋高度变化对桥面系位移和应力的影响均较小，内在原因是U肋的高低变化与横梁能提供的刚度是互补的，正好说明该正交异性钢箱梁具有显著的板的特征，设计上宜采用此范围内的U肋高度。
2021, 36(9): 25-32.
doi: 10.13206/j.gjgS20032402
摘要:
几何初始缺陷是影响钢压杆整体稳定承载力的重要缺陷因素之一。T形截面钢压杆的常见几何初始缺陷包括构件初弯曲、荷载初偏心及构件初扭转。在压杆整体稳定承载力研究中，为了更加精确便捷地测量出构件的几何初始缺陷大小，基于传统弹性稳定理论，利用T形截面钢压杆几何初始缺陷与荷载、截面应变、侧移及扭转等参数之间的关系，推导出几何初始缺陷的计算式，提出利用压杆弹性阶段的荷载与变形关系获得几何初始缺陷的参数反推测量法。
借助ANSYS建立具有几何初始缺陷的T形截面钢压杆三维模型，并对其进行几何非线性分析，将模型初设的几何缺陷值与按照新方法计算所得的结果进行对比，验证所提出的几何初始缺陷计算式的正确性。结合T形截面钢压杆整体稳定承载力试验，获得弹性阶段荷载、截面应变、侧移及扭转实测值，基于新提出的参数反推测量法，计算钢压杆实际几何初始缺陷大小，并将结果与传统光学仪器测量法获得的结果进行对比，验证参数反推测量法的正确性。
分析结果表明：T形截面钢压杆几何初始缺陷的参数反推测量法具有正确性和可行性；该方法不需要另设测量设备、可减小人为测量误差，具有高效性和精确性；同时，该方法考虑了实际压杆在整体稳定承载力试验过程中，因端部约束作用影响而产生的杆件临界力大小，不仅可获得构件初弯曲及荷载初偏心之和，还可获得构件初扭转缺陷值。基于新参数反推测量法获得的几何初始缺陷值，可作为初参数直接引入后续的T形截面钢压杆整体稳定承载力分析，为钢压杆整体稳定承载力研究提供重要参考。
几何初始缺陷是影响钢压杆整体稳定承载力的重要缺陷因素之一。T形截面钢压杆的常见几何初始缺陷包括构件初弯曲、荷载初偏心及构件初扭转。在压杆整体稳定承载力研究中，为了更加精确便捷地测量出构件的几何初始缺陷大小，基于传统弹性稳定理论，利用T形截面钢压杆几何初始缺陷与荷载、截面应变、侧移及扭转等参数之间的关系，推导出几何初始缺陷的计算式，提出利用压杆弹性阶段的荷载与变形关系获得几何初始缺陷的参数反推测量法。
借助ANSYS建立具有几何初始缺陷的T形截面钢压杆三维模型，并对其进行几何非线性分析，将模型初设的几何缺陷值与按照新方法计算所得的结果进行对比，验证所提出的几何初始缺陷计算式的正确性。结合T形截面钢压杆整体稳定承载力试验，获得弹性阶段荷载、截面应变、侧移及扭转实测值，基于新提出的参数反推测量法，计算钢压杆实际几何初始缺陷大小，并将结果与传统光学仪器测量法获得的结果进行对比，验证参数反推测量法的正确性。
分析结果表明：T形截面钢压杆几何初始缺陷的参数反推测量法具有正确性和可行性；该方法不需要另设测量设备、可减小人为测量误差，具有高效性和精确性；同时，该方法考虑了实际压杆在整体稳定承载力试验过程中，因端部约束作用影响而产生的杆件临界力大小，不仅可获得构件初弯曲及荷载初偏心之和，还可获得构件初扭转缺陷值。基于新参数反推测量法获得的几何初始缺陷值，可作为初参数直接引入后续的T形截面钢压杆整体稳定承载力分析，为钢压杆整体稳定承载力研究提供重要参考。
2021, 36(9): 33-39.
doi: 10.13206/j.gjgS21041601
摘要:
体外预应力概念最早源于法国，是后张预应力体系的重要分支之一，通常采用大直径钢筋、钢绞线、高强钢丝等作为张拉施力工具，对梁体进行预应力处理。此方法可有效减轻结构的应力水平，并能起到加固卸载和改变结构内力分布等作用，同时可提高结构的承载力、抗裂性和刚度。但体外预应力法在加固钢桁架结构中研究较少，相关理论相对缺乏。
为了研究不同根数钢绞线的体外预应力对钢桁架桥的加固效果，以跨径为128 m的下承式简支钢桁架桥——奥莫河桥为研究对象，提出3种体外预应力加固方案并对其进行提载分析，运用有限元软件分别建立每束7根、9根、11根的钢绞线加固方案的全桥模型，从杆件强度、结构刚度、疲劳、整体稳定及节点板应力分布5个方面来评价对比3种加固方案的提载效果。分析可知：纵梁、横梁、上弦杆、下弦杆的应力随着钢绞线数量增多而逐渐减小，杆件应力逐步得到改善；钢绞线数量增多，结构的下挠程度逐渐减小，基频逐渐增大，其刚度不断提高；随着加固所用钢绞线数量的增加，除纵梁外，其余杆件的疲劳应力幅值不断降低；临界荷载系数不断增大，稳定性随之增加；重要部件节点板低应力区面积增大，高应力区与次高应力区面积减小，处于潜在撕裂区的螺孔数量不断减少，节点板发生撕裂破坏的概率减小。但随着钢绞线数量增加，会使下弦杆轴力增加，截面稳定安全系数减小，故需控制钢束张拉数量，限制提载幅度。
结果表明：3种体外预应力加固方案对此桥均能达到提载效果，且随着所用钢绞线数量的增加，其结构强度、刚度、稳定性呈非线性提高，节点板低应力分布区占比逐步增大；采用每束11根钢绞线进行加固是最实用、合理的加固方案。
体外预应力概念最早源于法国，是后张预应力体系的重要分支之一，通常采用大直径钢筋、钢绞线、高强钢丝等作为张拉施力工具，对梁体进行预应力处理。此方法可有效减轻结构的应力水平，并能起到加固卸载和改变结构内力分布等作用，同时可提高结构的承载力、抗裂性和刚度。但体外预应力法在加固钢桁架结构中研究较少，相关理论相对缺乏。
为了研究不同根数钢绞线的体外预应力对钢桁架桥的加固效果，以跨径为128 m的下承式简支钢桁架桥——奥莫河桥为研究对象，提出3种体外预应力加固方案并对其进行提载分析，运用有限元软件分别建立每束7根、9根、11根的钢绞线加固方案的全桥模型，从杆件强度、结构刚度、疲劳、整体稳定及节点板应力分布5个方面来评价对比3种加固方案的提载效果。分析可知：纵梁、横梁、上弦杆、下弦杆的应力随着钢绞线数量增多而逐渐减小，杆件应力逐步得到改善；钢绞线数量增多，结构的下挠程度逐渐减小，基频逐渐增大，其刚度不断提高；随着加固所用钢绞线数量的增加，除纵梁外，其余杆件的疲劳应力幅值不断降低；临界荷载系数不断增大，稳定性随之增加；重要部件节点板低应力区面积增大，高应力区与次高应力区面积减小，处于潜在撕裂区的螺孔数量不断减少，节点板发生撕裂破坏的概率减小。但随着钢绞线数量增加，会使下弦杆轴力增加，截面稳定安全系数减小，故需控制钢束张拉数量，限制提载幅度。
结果表明：3种体外预应力加固方案对此桥均能达到提载效果，且随着所用钢绞线数量的增加，其结构强度、刚度、稳定性呈非线性提高，节点板低应力分布区占比逐步增大；采用每束11根钢绞线进行加固是最实用、合理的加固方案。
2021, 36(9): 40-48.
doi: 10.13206/j.gjgS20081802
摘要:
介绍了AISC 360-16《建筑钢结构标准》（简称《美国钢标》）受扭杆件设计方法。《美国钢标》的受扭杆件计算只考虑闭口截面，计算公式采用自由扭转形式并考虑约束扭转的有利因素。杆件的扭转分自由扭转和约束扭转。对于开口截面，自由扭转和约束扭转的正应力和剪应力都比较大，而对于闭口截面，自由扭转起控制作用，约束扭转不大。因此，《美国钢标》的闭口截面扭转设计，首先假定扭矩全部由自由扭转即纯扭转剪应力承受（也即通常所说的圣维南扭转应力），之后根据约束情况加以修正。纯扭转剪应力沿截面均匀分布，其值等于扭矩除以扭转常数C。考虑屈曲影响，扭矩能力为扭转常数乘以临界剪应力Fcr。
圆管和矩形管的扭转设计强度φTTn由扭转屈服和扭转屈曲临界力确定，即：Tn=FcrC（Fcr为临界剪应力；C为扭转常数）；受扭抗力系数φT=0.9。不同构件Fcr取值不同。
1）长圆管的扭转局部屈曲临界应力不受端部约束条件的影响，并考虑了一定的初始缺陷。中长管和短管的端部约束会提高局部屈曲临界力。
2）矩形管临界应力具有与G章弯曲剪切应力相同的剪切屈曲系数kv=5.0。矩形管长边扭转剪应力分布与I形梁腹板中的剪应力是一致的。
外扭矩由自由扭转抗力和约束扭转抗力组成抵抗矩。开口截面的这两个抗力都很小，因此《美国钢标》只考虑闭口截面受扭，在实际应用时，对于开口截面应采取构造措施防止受扭。
介绍了AISC 360-16《建筑钢结构标准》（简称《美国钢标》）受扭杆件设计方法。《美国钢标》的受扭杆件计算只考虑闭口截面，计算公式采用自由扭转形式并考虑约束扭转的有利因素。杆件的扭转分自由扭转和约束扭转。对于开口截面，自由扭转和约束扭转的正应力和剪应力都比较大，而对于闭口截面，自由扭转起控制作用，约束扭转不大。因此，《美国钢标》的闭口截面扭转设计，首先假定扭矩全部由自由扭转即纯扭转剪应力承受（也即通常所说的圣维南扭转应力），之后根据约束情况加以修正。纯扭转剪应力沿截面均匀分布，其值等于扭矩除以扭转常数C。考虑屈曲影响，扭矩能力为扭转常数乘以临界剪应力Fcr。
圆管和矩形管的扭转设计强度φTTn由扭转屈服和扭转屈曲临界力确定，即：Tn=FcrC（Fcr为临界剪应力；C为扭转常数）；受扭抗力系数φT=0.9。不同构件Fcr取值不同。
1）长圆管的扭转局部屈曲临界应力不受端部约束条件的影响，并考虑了一定的初始缺陷。中长管和短管的端部约束会提高局部屈曲临界力。
2）矩形管临界应力具有与G章弯曲剪切应力相同的剪切屈曲系数kv=5.0。矩形管长边扭转剪应力分布与I形梁腹板中的剪应力是一致的。
外扭矩由自由扭转抗力和约束扭转抗力组成抵抗矩。开口截面的这两个抗力都很小，因此《美国钢标》只考虑闭口截面受扭，在实际应用时，对于开口截面应采取构造措施防止受扭。
