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2022年 第37卷 第11期
2022, 37(11): 1-23.
doi: 10.13206/j.gjgS22070401
摘要
PDF (17628KB)
摘要:
钢管混凝土束墙是我国发明的一种新型抗侧力构件,它从矩形钢管开始,向一个方向焊接一个个冷弯宽翼缘卷边U形钢,形成一字形多腔钢管墙,并在现场浇筑混凝土,形成多腔钢管-混凝土组合墙。目前一字形钢管混凝土束墙的弯扭失稳公式直接引用了箱形柱的相应公式,尚缺乏深入的研究。为此对一字形钢管混凝土束墙截面压弯墙绕弱轴的弯扭屈曲承载力验算公式进行了理论研究,主要工作如下:1)对一字形钢管混凝土束墙绕强轴和绕弱轴两个方向的单向压弯强度公式进行了推导,研究了束墙退化成夹层板时绕强轴和绕弱轴的轴力-弯矩相关公式,对钢管混凝土束墙的单向压弯强度公式进行了拟合;2)对给定压力时双向弯矩作用下的塑性铰状态的双向弯矩相关关系进行了计算,提出了精度良好略偏安全的公式;将提出的公式进行改造,使之能够考虑双力矩的影响;3)参照压弯杆平面内稳定验算公式的推导方法,利用已知的绕弱轴弯曲屈曲的柱子稳定系数公式,将初始弯曲和二阶弯矩代入绕弱轴的强度相关关系,反推获得了压杆绕弱轴弯曲屈曲的等效初始弯曲,该等效初始弯曲综合考虑了残余应力、初始弯曲和塑性开展过程带来的额外挠度增量;4)对有初始弯曲和扭转压弯杆的弹性弯扭变形进行了二阶分析,在引入初始弯曲和初始扭转的特定关系后,得到了二阶效应放大后的弯曲、扭转、弯矩和双力矩的简单的解析表达式;5)考察了钢管混凝土束墙纯弯时的弯扭屈曲承载力,发现即使弯曲失稳的长细比达到1.6,弯扭屈曲的长细比仍小于0.5,因此束墙的纯弯承载力可以达到塑性弯矩;6)引入等效初始弯曲,采用平面内二阶分析获得的二阶弯矩,平面外二阶弯矩和二阶双力矩等,代入双向压弯强度计算式,得到压弯杆弯扭屈曲承载力的上限解。为了获得更为接近实际的承载力相关关系,对弹性分析得到的平面内二阶弯矩和平面外二阶弯矩以及双力矩进行弹塑性放大,得到了钢管混凝土束墙压弯时的弯扭屈曲计算公式,由此得出的一系列曲线表明:在长细比小时,曲线接近强度相关曲线,长细比增大时,相关曲线更高;当弯曲屈曲长细比不切实际地增大时(但弯扭屈曲长细比为2.5),曲线才接近弹性屈曲相关曲线。依据得到的公式,文中提出了简化程度不同的三组公式,可根据简单性偏好分别采用。
钢管混凝土束墙是我国发明的一种新型抗侧力构件,它从矩形钢管开始,向一个方向焊接一个个冷弯宽翼缘卷边U形钢,形成一字形多腔钢管墙,并在现场浇筑混凝土,形成多腔钢管-混凝土组合墙。目前一字形钢管混凝土束墙的弯扭失稳公式直接引用了箱形柱的相应公式,尚缺乏深入的研究。为此对一字形钢管混凝土束墙截面压弯墙绕弱轴的弯扭屈曲承载力验算公式进行了理论研究,主要工作如下:1)对一字形钢管混凝土束墙绕强轴和绕弱轴两个方向的单向压弯强度公式进行了推导,研究了束墙退化成夹层板时绕强轴和绕弱轴的轴力-弯矩相关公式,对钢管混凝土束墙的单向压弯强度公式进行了拟合;2)对给定压力时双向弯矩作用下的塑性铰状态的双向弯矩相关关系进行了计算,提出了精度良好略偏安全的公式;将提出的公式进行改造,使之能够考虑双力矩的影响;3)参照压弯杆平面内稳定验算公式的推导方法,利用已知的绕弱轴弯曲屈曲的柱子稳定系数公式,将初始弯曲和二阶弯矩代入绕弱轴的强度相关关系,反推获得了压杆绕弱轴弯曲屈曲的等效初始弯曲,该等效初始弯曲综合考虑了残余应力、初始弯曲和塑性开展过程带来的额外挠度增量;4)对有初始弯曲和扭转压弯杆的弹性弯扭变形进行了二阶分析,在引入初始弯曲和初始扭转的特定关系后,得到了二阶效应放大后的弯曲、扭转、弯矩和双力矩的简单的解析表达式;5)考察了钢管混凝土束墙纯弯时的弯扭屈曲承载力,发现即使弯曲失稳的长细比达到1.6,弯扭屈曲的长细比仍小于0.5,因此束墙的纯弯承载力可以达到塑性弯矩;6)引入等效初始弯曲,采用平面内二阶分析获得的二阶弯矩,平面外二阶弯矩和二阶双力矩等,代入双向压弯强度计算式,得到压弯杆弯扭屈曲承载力的上限解。为了获得更为接近实际的承载力相关关系,对弹性分析得到的平面内二阶弯矩和平面外二阶弯矩以及双力矩进行弹塑性放大,得到了钢管混凝土束墙压弯时的弯扭屈曲计算公式,由此得出的一系列曲线表明:在长细比小时,曲线接近强度相关曲线,长细比增大时,相关曲线更高;当弯曲屈曲长细比不切实际地增大时(但弯扭屈曲长细比为2.5),曲线才接近弹性屈曲相关曲线。依据得到的公式,文中提出了简化程度不同的三组公式,可根据简单性偏好分别采用。
2022, 37(11): 24-30.
doi: 10.13206/j.gjgS22072601
摘要:
高强钢因其可降低结构用钢量和资源消耗,在越来越多的工程中得到了应用,但有关高强钢构件稳定性的研究还比较缺乏,而残余应力又是影响构件稳定性的重要因素。BS700高强钢(名义屈服强度为700 MPa)由于没有型钢,采用先把钢板冷弯成槽形截面构件,然后对焊形成箱形截面构件,而焊接会使构件截面产生残余应力,目前还比较缺乏有关焊接残余应力对BS700槽形对焊箱形截面构件稳定性影响方面的研究。为此对这一问题借助试验和数值分析的方法展开了研究,以期了解残余应力对BS700槽形对焊箱形截面构件稳定性的影响。通过材料拉伸试验,得到了BS700高强钢材料的力学性能参数和构件开孔时的应力释放系数,运用盲孔法对BS700槽形对焊箱形截面构件中部截面的残余应力进行了测试,得到了其截面上相关点位的残余应力值,结合已有研究成果,提出了BS700槽形对焊箱形截面构件残余应力分布模式;借助有限元分析软件ANSYS利用其APDL可编程语言编写了可引入几何缺陷和残余应力的非线性屈曲分析模型,利用该模型对长细比分别为15、20、30、40、50、60、70、80、90、100,截面宽厚比分别为10、15、20、25、30、35、40、50共计68个构件区分有、无残余应力进行了非线性屈曲分析,研究了不同宽厚比和不同长细比条件下残余应力对BS700槽形对焊箱形截面构件稳定性的影响。通过研究发现,在焊缝处及箱形截面弯角处存在残余拉应力,其余各处为残余压应力。焊缝处最大残余拉应力数值约为屈服强度的0.76,腹板中部位置的最大残余压应力数值约为屈服强度的0.14。在已有研究的基础上提出了折线型的残余应力分布模式,与试验结果对比吻合较好;残余应力对不同宽厚比条件下的构件稳定系数均有影响,总体趋势是随着宽厚比的增加,残余应力的影响逐渐减小,主要原因是在大宽厚比条件下构件呈现局部板件弹性屈曲的现象;残余应力对不同长细比条件下的构件稳定系数均有影响,但在长细比较小或较大时影响相对较小。在长细比位于20~70之间时,残余应力对构件稳定系数的影响较大。通过对比发生板件局部屈曲时的临界长细比发现,二者有重合之处,说明按照常用的等稳定性设计时,这些中等长细比范围内的构件对残余应力相对比较敏感,因此,在构件稳定性设计过程中,需注意这一影响因素。
高强钢因其可降低结构用钢量和资源消耗,在越来越多的工程中得到了应用,但有关高强钢构件稳定性的研究还比较缺乏,而残余应力又是影响构件稳定性的重要因素。BS700高强钢(名义屈服强度为700 MPa)由于没有型钢,采用先把钢板冷弯成槽形截面构件,然后对焊形成箱形截面构件,而焊接会使构件截面产生残余应力,目前还比较缺乏有关焊接残余应力对BS700槽形对焊箱形截面构件稳定性影响方面的研究。为此对这一问题借助试验和数值分析的方法展开了研究,以期了解残余应力对BS700槽形对焊箱形截面构件稳定性的影响。通过材料拉伸试验,得到了BS700高强钢材料的力学性能参数和构件开孔时的应力释放系数,运用盲孔法对BS700槽形对焊箱形截面构件中部截面的残余应力进行了测试,得到了其截面上相关点位的残余应力值,结合已有研究成果,提出了BS700槽形对焊箱形截面构件残余应力分布模式;借助有限元分析软件ANSYS利用其APDL可编程语言编写了可引入几何缺陷和残余应力的非线性屈曲分析模型,利用该模型对长细比分别为15、20、30、40、50、60、70、80、90、100,截面宽厚比分别为10、15、20、25、30、35、40、50共计68个构件区分有、无残余应力进行了非线性屈曲分析,研究了不同宽厚比和不同长细比条件下残余应力对BS700槽形对焊箱形截面构件稳定性的影响。通过研究发现,在焊缝处及箱形截面弯角处存在残余拉应力,其余各处为残余压应力。焊缝处最大残余拉应力数值约为屈服强度的0.76,腹板中部位置的最大残余压应力数值约为屈服强度的0.14。在已有研究的基础上提出了折线型的残余应力分布模式,与试验结果对比吻合较好;残余应力对不同宽厚比条件下的构件稳定系数均有影响,总体趋势是随着宽厚比的增加,残余应力的影响逐渐减小,主要原因是在大宽厚比条件下构件呈现局部板件弹性屈曲的现象;残余应力对不同长细比条件下的构件稳定系数均有影响,但在长细比较小或较大时影响相对较小。在长细比位于20~70之间时,残余应力对构件稳定系数的影响较大。通过对比发生板件局部屈曲时的临界长细比发现,二者有重合之处,说明按照常用的等稳定性设计时,这些中等长细比范围内的构件对残余应力相对比较敏感,因此,在构件稳定性设计过程中,需注意这一影响因素。
2022, 37(11): 31-38.
doi: 10.13206/j.gjgS20092001
摘要:
为研究铸钢材料不均匀性对索鞍受力性能的影响,基于概率理论和有限元数值模拟技术,在ABAQUS平台上编制PYTHON材料随机模拟程序,建立了考虑铸钢材料不均匀性的随机有限元模型,深入探讨了索鞍在三向荷载作用下的复杂应力、塑性分布以及分析了铸钢材料不均匀性对索鞍极限承载力的影响规律。分析结果表明:网格尺寸的减小会导致承载力随机性增大,但对承载力的判定影响不大;铸钢材料的随机性会导致铸钢件应力分布不均匀,在设计荷载下局部区域进入塑性状态;材料屈服强度的不均匀性对结构承载力影响较大,而弹性模量的不均匀性对此影响较小;铸钢件材料不均匀性对索鞍的静力力学行为无明显影响,但会小幅度地降低结构承载力以及使结构在极限状态时出现更大的变形。
为研究铸钢材料不均匀性对索鞍受力性能的影响,基于概率理论和有限元数值模拟技术,在ABAQUS平台上编制PYTHON材料随机模拟程序,建立了考虑铸钢材料不均匀性的随机有限元模型,深入探讨了索鞍在三向荷载作用下的复杂应力、塑性分布以及分析了铸钢材料不均匀性对索鞍极限承载力的影响规律。分析结果表明:网格尺寸的减小会导致承载力随机性增大,但对承载力的判定影响不大;铸钢材料的随机性会导致铸钢件应力分布不均匀,在设计荷载下局部区域进入塑性状态;材料屈服强度的不均匀性对结构承载力影响较大,而弹性模量的不均匀性对此影响较小;铸钢件材料不均匀性对索鞍的静力力学行为无明显影响,但会小幅度地降低结构承载力以及使结构在极限状态时出现更大的变形。
2022, 37(11): 39-45.
doi: 10.13206/j.gjgS22051701
摘要:
高层钢结构梁柱焊接节点在风作用下可能发生疲劳破坏。目前结构风致疲劳的分析方法是,采用体型系数整体上替代结构表面不同部位的风压系数,对风压系数分布进行平面上的平均处理,进而结合准定常假设计算风压并进行疲劳分析。然而高层结构表面风压分布较为复杂,关键节点应力的分布将有可能受到该平均化处理的影响,且GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中体型系数的规定值主要针对基于位移的风振计算,能否满足基于局部应力的风致疲劳计算,目前尚未有相关文献对该问题进行研究或验证,因此需验证采用体型系数计算结构风致疲劳的准确性。选取了位于风灾频发区域的某矩形截面高层钢框架支撑结构,首先考虑空间相关性,利用谐波叠加法模拟了该结构具有代表性的梁柱节点位置的脉动风速时程,通过逆傅立叶变换将模拟的风速时程转换为功率谱密度曲线,并与目标谱进行对比验证,随后通过计算流体动力学(CFD)软件FLUENT建立了结构1∶300缩尺比的数值风洞计算模型,利用雷诺平均模拟(RANS)计算了结构表面的风压系数分布,并与日本东京工艺大学风洞试验数据库中类似体型的结构模型风洞试验数据进行了对比和验证;最后,利用有限元软件ANSYS对该结构建立了多尺度有限元模型,并分别基于风压系数和体型系数,结合准定常假设计算风压时程,将风压时程转化为各梁柱节点的风荷载时程并最终施加在结构多尺度有限元模型上,采用等效结构应力法对结构梁柱焊接节点进行了疲劳评估,并将基于风压系数的分析结果与基于体型系数的分析结果进行了对比。结果表明:利用谐波叠加法模拟的脉动风速时程的功率谱与目标谱在大部分频段吻合较好;结构表面风压系数分布结果和东京工艺大学风洞试验结果较为接近且变化趋势相同,因此,该结构风压系数的数值风洞模拟结果较为合理;基于体型系数的风致疲劳计算结果与基于结构表面不同部位风压系数的风致疲劳计算结果较为接近,可满足工程需要,并且更加偏于安全;GB 50009—2012中关于体型系数规定值能够较好地适用于矩形平面高层钢结构梁柱焊接节点风致疲劳的计算。
高层钢结构梁柱焊接节点在风作用下可能发生疲劳破坏。目前结构风致疲劳的分析方法是,采用体型系数整体上替代结构表面不同部位的风压系数,对风压系数分布进行平面上的平均处理,进而结合准定常假设计算风压并进行疲劳分析。然而高层结构表面风压分布较为复杂,关键节点应力的分布将有可能受到该平均化处理的影响,且GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中体型系数的规定值主要针对基于位移的风振计算,能否满足基于局部应力的风致疲劳计算,目前尚未有相关文献对该问题进行研究或验证,因此需验证采用体型系数计算结构风致疲劳的准确性。选取了位于风灾频发区域的某矩形截面高层钢框架支撑结构,首先考虑空间相关性,利用谐波叠加法模拟了该结构具有代表性的梁柱节点位置的脉动风速时程,通过逆傅立叶变换将模拟的风速时程转换为功率谱密度曲线,并与目标谱进行对比验证,随后通过计算流体动力学(CFD)软件FLUENT建立了结构1∶300缩尺比的数值风洞计算模型,利用雷诺平均模拟(RANS)计算了结构表面的风压系数分布,并与日本东京工艺大学风洞试验数据库中类似体型的结构模型风洞试验数据进行了对比和验证;最后,利用有限元软件ANSYS对该结构建立了多尺度有限元模型,并分别基于风压系数和体型系数,结合准定常假设计算风压时程,将风压时程转化为各梁柱节点的风荷载时程并最终施加在结构多尺度有限元模型上,采用等效结构应力法对结构梁柱焊接节点进行了疲劳评估,并将基于风压系数的分析结果与基于体型系数的分析结果进行了对比。结果表明:利用谐波叠加法模拟的脉动风速时程的功率谱与目标谱在大部分频段吻合较好;结构表面风压系数分布结果和东京工艺大学风洞试验结果较为接近且变化趋势相同,因此,该结构风压系数的数值风洞模拟结果较为合理;基于体型系数的风致疲劳计算结果与基于结构表面不同部位风压系数的风致疲劳计算结果较为接近,可满足工程需要,并且更加偏于安全;GB 50009—2012中关于体型系数规定值能够较好地适用于矩形平面高层钢结构梁柱焊接节点风致疲劳的计算。
2022, 37(11): 46-48.
doi: 10.13206/j.gjgS22093001
摘要:
对于钢吊车梁轮压下腹板承压应力的计算,我国钢结构相关设计规范改过多次,其与欧洲、俄罗斯和美国的公式都不一样。简要介绍了基于弹性地基梁理论的一个解析解,其数值结果与有限元分析一致,同时给出了两类轨道的等效承压长度计算公式。
对于钢吊车梁轮压下腹板承压应力的计算,我国钢结构相关设计规范改过多次,其与欧洲、俄罗斯和美国的公式都不一样。简要介绍了基于弹性地基梁理论的一个解析解,其数值结果与有限元分析一致,同时给出了两类轨道的等效承压长度计算公式。
2022, 37(11): 49-50.
摘要:
1问题引入JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》（简称《高钢规》）第8.6.3-3条规定，抗震设计时，外包式柱脚在外包混凝土顶部箍筋处，可能出现塑性铰的柱脚极限受弯承载力大于钢柱的全塑性受弯承载力。外包钢筋混凝土的抗弯承载力为0.9Asfykh0。其中，As为外包层混凝土中受拉侧的钢筋截面面积，mm~2;fyk为钢筋的抗拉强度最小值，MPa;h0为受拉钢筋合力点至混凝土受压区边缘的距离，mm。这个fyk到底如何取值呢？
1问题引入JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》（简称《高钢规》）第8.6.3-3条规定，抗震设计时，外包式柱脚在外包混凝土顶部箍筋处，可能出现塑性铰的柱脚极限受弯承载力大于钢柱的全塑性受弯承载力。外包钢筋混凝土的抗弯承载力为0.9Asfykh0。其中，As为外包层混凝土中受拉侧的钢筋截面面积，mm~2;fyk为钢筋的抗拉强度最小值，MPa;h0为受拉钢筋合力点至混凝土受压区边缘的距离，mm。这个fyk到底如何取值呢？
