登录
注册
2022年 第37卷 第7期
2022, 37(7): 1-19.
doi: 10.13206/j.gjgs22041501
摘要
PDF (12727KB)
摘要:
钢管混凝土在运输及施工过程中易出现防锈层脱落，在腐蚀性气体、液体和土壤等环境作用下服役，进一步加剧了钢管壁的腐蚀，引起截面损失和钢材本身性能的劣化。腐蚀后的钢管混凝土表现为整体承载力、塑性变形能力、组合弹性模量和对核心混凝土约束性能的降低，最终导致整体结构失效的风险增大。
通过对钢管混凝土腐蚀后性能研究现状的分析，从微观腐蚀形貌、宏观构件力学性能及相关理论计算方法三个方面对腐蚀后钢管混凝土的静力性能、抗震性能以及有限元分析方法进行了对比总结，并对腐蚀后钢管混凝土力学性能的研究进行了展望。
基于目前研究的分析表明：对于钢管混凝土腐蚀形貌，可以通过三维表面扫描仪来实现其高精度三维重构，通过腐蚀形貌的重构得到蚀坑尺寸、形状和深度等分布对其力学性能的影响；对于腐蚀后钢管混凝土静力性能，主要集中在均匀腐蚀后钢管混凝土的轴压、轴拉及偏压性能，且基于叠加理论计算腐蚀后钢管混凝土轴压承载力相较统一理论具有更高的精度。目前对于局部腐蚀后钢管混凝土的力学性能的研究较少，局部腐蚀虽然产生的失重率很小，但会引起构件应力集中、屈曲提前、承载力降低，严重威胁结构安全，因此有必要增加此方面的研究。对于腐蚀后的钢管混凝土柱的抗震性能研究发现，轴压比一定时，腐蚀率越高，承载力下降越大，屈服后腐蚀试件的耗能能力迅速降低；目前对钢管混凝土的腐蚀试验方面的研究主要通过通电加速腐蚀、盐雾腐蚀和机械开槽模拟等方法，采用盐雾腐蚀能更好地通过试验模拟实际的海水腐蚀，建立试验腐蚀与实际腐蚀环境的关联，可对今后的研究提供更有价值的参考；对腐蚀后钢管混凝土有限元模拟方法的研究中，钢管腐蚀常采用壁厚折减法、材性折减法、生死单元法、双层壳单元法及随机点蚀法等，研究表明蚀坑区产生应力集中，引起破坏模式的变化，强度显著降低。随机点蚀法实现了大量点蚀实例的快速几何建模，点蚀的形式和分布对构件疲劳损伤有显著影响，在研究裂纹扩展等疲劳问题时，不能忽视其随机性。随机腐蚀与实际腐蚀形貌存在一定差异，在后续的研究中考虑模拟随机点蚀法与工程实际的腐蚀形貌建立相关性是腐蚀模拟的关键，建议增加此方面研究，实现腐蚀后钢管混凝土力学性能的精细化有限元模拟。
通过介绍现有的研究现状，探讨并总结腐蚀后的钢管混凝土构件腐蚀形貌、力学性能和有限元模拟方法，为将来的进一步深入研究给出相关建议。
钢管混凝土在运输及施工过程中易出现防锈层脱落，在腐蚀性气体、液体和土壤等环境作用下服役，进一步加剧了钢管壁的腐蚀，引起截面损失和钢材本身性能的劣化。腐蚀后的钢管混凝土表现为整体承载力、塑性变形能力、组合弹性模量和对核心混凝土约束性能的降低，最终导致整体结构失效的风险增大。
通过对钢管混凝土腐蚀后性能研究现状的分析，从微观腐蚀形貌、宏观构件力学性能及相关理论计算方法三个方面对腐蚀后钢管混凝土的静力性能、抗震性能以及有限元分析方法进行了对比总结，并对腐蚀后钢管混凝土力学性能的研究进行了展望。
基于目前研究的分析表明：对于钢管混凝土腐蚀形貌，可以通过三维表面扫描仪来实现其高精度三维重构，通过腐蚀形貌的重构得到蚀坑尺寸、形状和深度等分布对其力学性能的影响；对于腐蚀后钢管混凝土静力性能，主要集中在均匀腐蚀后钢管混凝土的轴压、轴拉及偏压性能，且基于叠加理论计算腐蚀后钢管混凝土轴压承载力相较统一理论具有更高的精度。目前对于局部腐蚀后钢管混凝土的力学性能的研究较少，局部腐蚀虽然产生的失重率很小，但会引起构件应力集中、屈曲提前、承载力降低，严重威胁结构安全，因此有必要增加此方面的研究。对于腐蚀后的钢管混凝土柱的抗震性能研究发现，轴压比一定时，腐蚀率越高，承载力下降越大，屈服后腐蚀试件的耗能能力迅速降低；目前对钢管混凝土的腐蚀试验方面的研究主要通过通电加速腐蚀、盐雾腐蚀和机械开槽模拟等方法，采用盐雾腐蚀能更好地通过试验模拟实际的海水腐蚀，建立试验腐蚀与实际腐蚀环境的关联，可对今后的研究提供更有价值的参考；对腐蚀后钢管混凝土有限元模拟方法的研究中，钢管腐蚀常采用壁厚折减法、材性折减法、生死单元法、双层壳单元法及随机点蚀法等，研究表明蚀坑区产生应力集中，引起破坏模式的变化，强度显著降低。随机点蚀法实现了大量点蚀实例的快速几何建模，点蚀的形式和分布对构件疲劳损伤有显著影响，在研究裂纹扩展等疲劳问题时，不能忽视其随机性。随机腐蚀与实际腐蚀形貌存在一定差异，在后续的研究中考虑模拟随机点蚀法与工程实际的腐蚀形貌建立相关性是腐蚀模拟的关键，建议增加此方面研究，实现腐蚀后钢管混凝土力学性能的精细化有限元模拟。
通过介绍现有的研究现状，探讨并总结腐蚀后的钢管混凝土构件腐蚀形貌、力学性能和有限元模拟方法，为将来的进一步深入研究给出相关建议。
2022, 37(7): 20-30.
doi: 10.13206/j.gjgS21110501
摘要:
钢管混凝土结构结合了钢管与混凝土两种材料的结构力学特性，在高层建筑以及桥梁结构中得到了广泛应用。随着时间的推移，钢管与核心混凝土在应力和时间的作用下会出现包括弹性变形、徐变、混凝土收缩等问题。而由于材料的性质不同，最终导致钢管混凝土中的两种材料产生变形差进而导致脱粘，影响整体结构的服役性能。为了探究钢管混凝土在服役周期中脱粘的估算方法，通过分别计算核心混凝土与钢管的变形得出脱粘量，并与深圳赛格广场大厦（简称赛格大厦）的钢管混凝土脱粘的测量值进行对比，探索计算模型对钢管混凝土脱粘估算的适用度与精确度。
在钢管混凝土中，径向变形主要分为核心混凝土的收缩形变、泊松形变与徐变形变以及钢管的泊松形变与徐变形变。由于钢管混凝土结构的密封性，假设钢管内恒温恒湿。在此基础上，采用较为普遍使用的混凝土规范ACI 209R-92与CEB-FIP为计算模型，以赛格大厦建成至检测日期为计算时长、设计荷载及自重为应力条件，计算混凝土的收缩、泊松与徐变形变；对钢管进行受力分析，结合材料性质计算相应变形。计算中，以对脱粘量增长有利的方向为正方向，以不同变形之和作为钢管混凝土的脱粘量。
结果表明：相较于ACI模型，CEB-FIP的计算结果与实测值更为接近。特别的，CEB-FIP模型对核心混凝土收缩的估算普遍大于ACI模型；在徐变量上，ACI模型受尺寸影响较大，徐变计算量小于CEB-FIP模型。赛格大厦钢管混凝土中同时采用了通过振捣密实的传统混凝土与自密实混凝土。相较于传统混凝土，自密实混凝土会发生较大的收缩变形，该情况能较好地体现在两种模型的结果中，且CEB-FIP的结果与其模型描述中较为接近；实测值显示，核心混凝土脱粘自上而下呈“小—大—小”分布，CEB-FIP的计算与该趋势相符，而ACI结果则呈现自上而下递减的趋势。
钢管混凝土结构结合了钢管与混凝土两种材料的结构力学特性，在高层建筑以及桥梁结构中得到了广泛应用。随着时间的推移，钢管与核心混凝土在应力和时间的作用下会出现包括弹性变形、徐变、混凝土收缩等问题。而由于材料的性质不同，最终导致钢管混凝土中的两种材料产生变形差进而导致脱粘，影响整体结构的服役性能。为了探究钢管混凝土在服役周期中脱粘的估算方法，通过分别计算核心混凝土与钢管的变形得出脱粘量，并与深圳赛格广场大厦（简称赛格大厦）的钢管混凝土脱粘的测量值进行对比，探索计算模型对钢管混凝土脱粘估算的适用度与精确度。
在钢管混凝土中，径向变形主要分为核心混凝土的收缩形变、泊松形变与徐变形变以及钢管的泊松形变与徐变形变。由于钢管混凝土结构的密封性，假设钢管内恒温恒湿。在此基础上，采用较为普遍使用的混凝土规范ACI 209R-92与CEB-FIP为计算模型，以赛格大厦建成至检测日期为计算时长、设计荷载及自重为应力条件，计算混凝土的收缩、泊松与徐变形变；对钢管进行受力分析，结合材料性质计算相应变形。计算中，以对脱粘量增长有利的方向为正方向，以不同变形之和作为钢管混凝土的脱粘量。
结果表明：相较于ACI模型，CEB-FIP的计算结果与实测值更为接近。特别的，CEB-FIP模型对核心混凝土收缩的估算普遍大于ACI模型；在徐变量上，ACI模型受尺寸影响较大，徐变计算量小于CEB-FIP模型。赛格大厦钢管混凝土中同时采用了通过振捣密实的传统混凝土与自密实混凝土。相较于传统混凝土，自密实混凝土会发生较大的收缩变形，该情况能较好地体现在两种模型的结果中，且CEB-FIP的结果与其模型描述中较为接近；实测值显示，核心混凝土脱粘自上而下呈“小—大—小”分布，CEB-FIP的计算与该趋势相符，而ACI结果则呈现自上而下递减的趋势。
2022, 37(7): 31-40.
doi: 10.13206/j.gjgs21122001
摘要:
内外刚性法兰是一种高承载力的圆钢管连接形式，主要应用于大跨度钢管输电铁塔结构中的高强度构件连接，其轴向拉伸承载力除与螺栓数量和强度有关外，还取决于内外圈螺栓拉力比值。内外法兰的法兰板面外刚度则是计算该拉力比值的一个重要参数，受到了广泛关注。然而由于法兰板面外刚度涉及螺栓孔大小、几何参数及法兰形式等多种因素，致使其相应的力学平衡方程的边界条件十分复杂，难以获得为设计计算所利用的解析解。因此有必要对法兰板的面外刚度开展深入研究，以获得简明近似计算式。
考虑内外刚性法兰涉及的内法兰板和外法兰板形式，基于弹性薄板理论，首先建立了极坐标系下法兰板力学平衡方程和相应的边界条件。据此分析了法兰板各参数的相互影响，推导了相应的无量纲参数。根据实际工程中的无量纲参数取值范围，通过建立7 144个外法兰板和5 630个内法兰板的有限元模型，开展了参数敏感性分析。参数敏感性分析厘清了各无量纲参数对法兰板面外刚度影响的规律，同时明确了法兰板的受力特性。最后通过回归分析，提出了可用于内外法兰设计计算的面外刚度简明近似计算式。
结果表明：法兰板面外刚度可用无量纲法兰板挠度表征，随着法兰板厚度的增加和管径的减少，法兰板面外刚度增加；对于普通内外法兰，无量纲法兰板挠度总体上随螺栓数量和无量纲螺栓直径的增加而单调减小，即此时法兰板面外刚度增加；此外，当法兰板的环向长度和宽度比值较大时，法兰板受力类似于悬臂板，比值较小时法兰板受力类似于单向板，比值中等时法兰板受力为三边承力。统计表明，有限元结果和近似计算公式结果比值的平均值约为1.0，变异系数小于0.7%，表明该近似计算式可较好地估算法兰板面外刚度。
内外刚性法兰是一种高承载力的圆钢管连接形式，主要应用于大跨度钢管输电铁塔结构中的高强度构件连接，其轴向拉伸承载力除与螺栓数量和强度有关外，还取决于内外圈螺栓拉力比值。内外法兰的法兰板面外刚度则是计算该拉力比值的一个重要参数，受到了广泛关注。然而由于法兰板面外刚度涉及螺栓孔大小、几何参数及法兰形式等多种因素，致使其相应的力学平衡方程的边界条件十分复杂，难以获得为设计计算所利用的解析解。因此有必要对法兰板的面外刚度开展深入研究，以获得简明近似计算式。
考虑内外刚性法兰涉及的内法兰板和外法兰板形式，基于弹性薄板理论，首先建立了极坐标系下法兰板力学平衡方程和相应的边界条件。据此分析了法兰板各参数的相互影响，推导了相应的无量纲参数。根据实际工程中的无量纲参数取值范围，通过建立7 144个外法兰板和5 630个内法兰板的有限元模型，开展了参数敏感性分析。参数敏感性分析厘清了各无量纲参数对法兰板面外刚度影响的规律，同时明确了法兰板的受力特性。最后通过回归分析，提出了可用于内外法兰设计计算的面外刚度简明近似计算式。
结果表明：法兰板面外刚度可用无量纲法兰板挠度表征，随着法兰板厚度的增加和管径的减少，法兰板面外刚度增加；对于普通内外法兰，无量纲法兰板挠度总体上随螺栓数量和无量纲螺栓直径的增加而单调减小，即此时法兰板面外刚度增加；此外，当法兰板的环向长度和宽度比值较大时，法兰板受力类似于悬臂板，比值较小时法兰板受力类似于单向板，比值中等时法兰板受力为三边承力。统计表明，有限元结果和近似计算公式结果比值的平均值约为1.0，变异系数小于0.7%，表明该近似计算式可较好地估算法兰板面外刚度。
2022, 37(7): 41-51.
doi: 10.13206/j.gjgS22021001
摘要:
湖南广播电视台节目生产基地及配套设施建设项目中漂浮办公室单体为多筒支承的大平面多层桁架结构，由于该结构体系采用常规搭设支撑原位安装方案所需措施量巨大且安装周期长，如采用整体提升方案，结构脱离核心筒后离散为多个桁架单体，施工难度大。针对以上难题，研发了一种环形箍加固工装体系和提升单元变形及合龙精度控制成套技术，将多个离散单体转换成具有足够抗侧和抗扭刚度的整体结构体系，实现提升作业和精确合龙，同时简述了整体提升结构体系受力特点并揭示其提升状态作用机理。
研究内容及结论包括：1）通过深入分析核心筒和悬挑桁架单体协同作用机理，设计环形箍加固工装代替原核心筒约束和传力作用，将脱离核心筒后的漂浮桁架结构零散单体紧密拉结，在整体提升状态下可提供足够强度和刚度，使多零散桁架单体加固后满足整体提升施工要求；2）利用有限元软件MIDAS-Gen研究环形箍加固工装体系在提升状态下的传力模式和受力特性，将其进一步优化为提升吊点和下方横梁组成的扁担梁形式受力体系。扁担梁两端悬挑桁架一定程度上受力自平衡，虽然结构体系精简，但是传力路径更加直接，竖杆传力和水平杆刚度控制作用得到充分发挥。根据有限元计算结果对比分析发现，相比于优化前环形箍加固工装，优化后提升结构体系桁架悬挑端部竖向变形减小约10%~12%，对整体结构变形控制更加有利，且提升点优化一半，提升同步性更易保证，措施量优化约30%；3）本工程漂浮办公室提升就位后共120个合龙口，其合龙精度是漂浮办公室南区施工质量控制的决定性因素。利用有限元软件MIDAS-Gen计算分析漂浮桁架结构在提升状态下的变形趋势和合龙口错缝规律，研究发现对提升单元悬挑端部关键点位在拼装阶段过程中的反向预调，可有效保证对接口合龙和结构整体成型精度；4）通过对漂浮桁架结构从拼装到完成合龙全过程的变形监测，发现监测点实测的相对变形与施工模拟的结果变化趋势基本一致，提升和卸载过程中未发现过大的结构变形，验证了所提出的环形箍加固工装体系和提升单元变形及合龙精度控制成套技术的可靠性。
湖南广播电视台节目生产基地及配套设施建设项目中漂浮办公室单体为多筒支承的大平面多层桁架结构，由于该结构体系采用常规搭设支撑原位安装方案所需措施量巨大且安装周期长，如采用整体提升方案，结构脱离核心筒后离散为多个桁架单体，施工难度大。针对以上难题，研发了一种环形箍加固工装体系和提升单元变形及合龙精度控制成套技术，将多个离散单体转换成具有足够抗侧和抗扭刚度的整体结构体系，实现提升作业和精确合龙，同时简述了整体提升结构体系受力特点并揭示其提升状态作用机理。
研究内容及结论包括：1）通过深入分析核心筒和悬挑桁架单体协同作用机理，设计环形箍加固工装代替原核心筒约束和传力作用，将脱离核心筒后的漂浮桁架结构零散单体紧密拉结，在整体提升状态下可提供足够强度和刚度，使多零散桁架单体加固后满足整体提升施工要求；2）利用有限元软件MIDAS-Gen研究环形箍加固工装体系在提升状态下的传力模式和受力特性，将其进一步优化为提升吊点和下方横梁组成的扁担梁形式受力体系。扁担梁两端悬挑桁架一定程度上受力自平衡，虽然结构体系精简，但是传力路径更加直接，竖杆传力和水平杆刚度控制作用得到充分发挥。根据有限元计算结果对比分析发现，相比于优化前环形箍加固工装，优化后提升结构体系桁架悬挑端部竖向变形减小约10%~12%，对整体结构变形控制更加有利，且提升点优化一半，提升同步性更易保证，措施量优化约30%；3）本工程漂浮办公室提升就位后共120个合龙口，其合龙精度是漂浮办公室南区施工质量控制的决定性因素。利用有限元软件MIDAS-Gen计算分析漂浮桁架结构在提升状态下的变形趋势和合龙口错缝规律，研究发现对提升单元悬挑端部关键点位在拼装阶段过程中的反向预调，可有效保证对接口合龙和结构整体成型精度；4）通过对漂浮桁架结构从拼装到完成合龙全过程的变形监测，发现监测点实测的相对变形与施工模拟的结果变化趋势基本一致，提升和卸载过程中未发现过大的结构变形，验证了所提出的环形箍加固工装体系和提升单元变形及合龙精度控制成套技术的可靠性。
2022, 37(7): 52-54.
doi: 10.13206/j.gjgS2022080501
摘要:
介绍了锚栓受剪时在锚栓杆内产生拉力的机理，描述了锚栓抗剪受力的三阶段，提出了用于抗剪设计的锚栓抗剪承载力和锚栓极限抗剪承载力计算公式。
介绍了锚栓受剪时在锚栓杆内产生拉力的机理，描述了锚栓抗剪受力的三阶段，提出了用于抗剪设计的锚栓抗剪承载力和锚栓极限抗剪承载力计算公式。
