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2023年 第38卷 第1期
2023, 38(1): 1-12.
doi: 10.13206/j.gjgS22110101
摘要
PDF (13456KB)
摘要:
为深入分析带悬臂梁段嵌入式加强型节点抗震性能,以及节点构件参数变化对节点抗震性能的影响,对带悬臂梁段嵌入式加强型节点进行拟静力分析,计算结果可为该类型节点设计提供优化方案。分别改变节点的螺栓数目、悬臂梁段外伸翼缘厚度、外伸翼缘宽度以及悬臂梁长度4个主要构件参数,获取一系列节点有限元数值计算模型,通过计算分析节点的滞回性能、破坏形态、耗能能力、承载力、刚度退化及应力路径等,将各系列节点的数值计算结果进行对比,分析节点的螺栓数目、悬臂梁段外伸翼缘厚度、外伸翼缘宽度以及悬臂梁长度对节点力学性能的影响。分析结果表明:翼缘螺栓的数目对节点的力学性能影响较小,在等强设计法设计的节点基础上增加翼缘螺栓数目,对节点的力学性能无明显影响,而减少翼缘螺栓数目会降低节点的整体性,节点会提前发生失稳破坏,但节点的承载能力和刚度下降并不明显。增加外伸翼缘的厚度和悬臂梁段翼缘的宽度可以明显提高节点的耗能能力、承载力和刚度,但当外伸翼缘厚度和外伸翼缘宽度达到一定程度后,耗能能力提高不明显,承载力退化较快,节点在弹塑性阶段的刚度退化加快,节点破坏形态也发生改变,但应力集中现象得到缓解,当外伸翼缘宽度过宽时,节点的耗能能力反而开始降低。悬臂梁段的长度对节点的力学性能有一定影响,增加悬臂梁段长度可提高节点的滞回性能、承载能力和刚度,总体上提高效果没有改变外伸翼缘的宽度和厚度提高的效果明显。由于悬臂梁段外伸翼缘厚度和悬臂梁段翼缘宽度对节点的力学性能影响较大,节点设计时建议外伸翼缘厚度和宽度的选取通过截面控制,外伸梁截面面积与中间梁段翼缘的横截面积比值建议在1.10~1.29范围之内。适当增大悬臂梁段外伸翼缘的截面可明显提高节点的耗能能力、承载能力和刚度,但当悬臂梁段外伸翼缘的截面过大时,破坏形态会发生改变,力学性能略有提高,但会加快节点承载力和刚度的退化速度。
为深入分析带悬臂梁段嵌入式加强型节点抗震性能,以及节点构件参数变化对节点抗震性能的影响,对带悬臂梁段嵌入式加强型节点进行拟静力分析,计算结果可为该类型节点设计提供优化方案。分别改变节点的螺栓数目、悬臂梁段外伸翼缘厚度、外伸翼缘宽度以及悬臂梁长度4个主要构件参数,获取一系列节点有限元数值计算模型,通过计算分析节点的滞回性能、破坏形态、耗能能力、承载力、刚度退化及应力路径等,将各系列节点的数值计算结果进行对比,分析节点的螺栓数目、悬臂梁段外伸翼缘厚度、外伸翼缘宽度以及悬臂梁长度对节点力学性能的影响。分析结果表明:翼缘螺栓的数目对节点的力学性能影响较小,在等强设计法设计的节点基础上增加翼缘螺栓数目,对节点的力学性能无明显影响,而减少翼缘螺栓数目会降低节点的整体性,节点会提前发生失稳破坏,但节点的承载能力和刚度下降并不明显。增加外伸翼缘的厚度和悬臂梁段翼缘的宽度可以明显提高节点的耗能能力、承载力和刚度,但当外伸翼缘厚度和外伸翼缘宽度达到一定程度后,耗能能力提高不明显,承载力退化较快,节点在弹塑性阶段的刚度退化加快,节点破坏形态也发生改变,但应力集中现象得到缓解,当外伸翼缘宽度过宽时,节点的耗能能力反而开始降低。悬臂梁段的长度对节点的力学性能有一定影响,增加悬臂梁段长度可提高节点的滞回性能、承载能力和刚度,总体上提高效果没有改变外伸翼缘的宽度和厚度提高的效果明显。由于悬臂梁段外伸翼缘厚度和悬臂梁段翼缘宽度对节点的力学性能影响较大,节点设计时建议外伸翼缘厚度和宽度的选取通过截面控制,外伸梁截面面积与中间梁段翼缘的横截面积比值建议在1.10~1.29范围之内。适当增大悬臂梁段外伸翼缘的截面可明显提高节点的耗能能力、承载能力和刚度,但当悬臂梁段外伸翼缘的截面过大时,破坏形态会发生改变,力学性能略有提高,但会加快节点承载力和刚度的退化速度。
2023, 38(1): 13-20.
doi: 10.13206/j.gjgS19102601
摘要:
目前我国的桥梁工程中,大多数仍为简支梁桥。在横向荷载作用下,简支梁桥主要以受弯为主。蜂窝梁作为较早被人们使用的一种钢结构主梁,具有抗弯能力强的特点,但在以受弯为主的简支梁桥中却鲜有使用,这主要是由于蜂窝梁腹板高度较大,在车辆荷载等动荷载作用下极易出现腹板屈曲畸变。为尝试将蜂窝梁应用于桥梁工程领域,基于蜂窝梁外观,提出了一种新型钢结构主梁——正八边形钢板腹梁。对该结构的腹板应力计算方法和纯剪切屈曲计算系数进行研究,以期对该结构的实际应用提供借鉴。为研究该结构的腹板应力计算方法,基于费式空腹桁架比拟法进行相关计算的假设,并将该结构的腹板划分为5个计算区域,提出腹板应力计算方法并得到相应的计算公式,通过与试验结果对比的方式,对腹板应力计算方法的合理性进行验证。为研究腹板的纯剪切屈曲系数,基于纯剪切矩形薄板屈曲计算理论,采用通用有限元软件ABAQUS计算得到不同设计参数和不同边界条件的480个圆形开孔八边形薄板的屈曲系数,通过对不同边界条件的纯剪切矩形薄板屈曲系数计算公式进行修正,从而得到正八边形开孔腹板在纯剪应力作用下的屈曲系数。结果表明:在横向荷载作用下,该结构的底板和顶板主要受轴力作用,剪力作用可忽略,而腹板主要受剪力作用,轴力作用可忽略。通过对试验梁进行静载弯曲试验,得到了该结构的弯曲破坏形态,试件在加载点位置处出现腹板屈曲现象。将腹板开孔边缘应变实测值换算为应力实际值,并与腹板应力计算值进行对比。可以发现,所提出腹板应力计算方法可以较好地预测圆孔环向应力的分布模式,环向应力分布近似均匀。在计算截面θ=π/2处,腹板环向应力的计算值与实测值相差较大,这是由于在简化计算中假定圆孔中心为反弯点导致的计算误差。基于有限元软件ABAQUS和数据拟合提出的八边形圆形开孔薄板的屈曲系数,可为该结构的相关设计提供参考。
目前我国的桥梁工程中,大多数仍为简支梁桥。在横向荷载作用下,简支梁桥主要以受弯为主。蜂窝梁作为较早被人们使用的一种钢结构主梁,具有抗弯能力强的特点,但在以受弯为主的简支梁桥中却鲜有使用,这主要是由于蜂窝梁腹板高度较大,在车辆荷载等动荷载作用下极易出现腹板屈曲畸变。为尝试将蜂窝梁应用于桥梁工程领域,基于蜂窝梁外观,提出了一种新型钢结构主梁——正八边形钢板腹梁。对该结构的腹板应力计算方法和纯剪切屈曲计算系数进行研究,以期对该结构的实际应用提供借鉴。为研究该结构的腹板应力计算方法,基于费式空腹桁架比拟法进行相关计算的假设,并将该结构的腹板划分为5个计算区域,提出腹板应力计算方法并得到相应的计算公式,通过与试验结果对比的方式,对腹板应力计算方法的合理性进行验证。为研究腹板的纯剪切屈曲系数,基于纯剪切矩形薄板屈曲计算理论,采用通用有限元软件ABAQUS计算得到不同设计参数和不同边界条件的480个圆形开孔八边形薄板的屈曲系数,通过对不同边界条件的纯剪切矩形薄板屈曲系数计算公式进行修正,从而得到正八边形开孔腹板在纯剪应力作用下的屈曲系数。结果表明:在横向荷载作用下,该结构的底板和顶板主要受轴力作用,剪力作用可忽略,而腹板主要受剪力作用,轴力作用可忽略。通过对试验梁进行静载弯曲试验,得到了该结构的弯曲破坏形态,试件在加载点位置处出现腹板屈曲现象。将腹板开孔边缘应变实测值换算为应力实际值,并与腹板应力计算值进行对比。可以发现,所提出腹板应力计算方法可以较好地预测圆孔环向应力的分布模式,环向应力分布近似均匀。在计算截面θ=π/2处,腹板环向应力的计算值与实测值相差较大,这是由于在简化计算中假定圆孔中心为反弯点导致的计算误差。基于有限元软件ABAQUS和数据拟合提出的八边形圆形开孔薄板的屈曲系数,可为该结构的相关设计提供参考。
2023, 38(1): 21-28.
doi: 10.13206/j.gjgS22042702
摘要:
提出了一种新型的冷弯薄壁型钢墙架柱——磷石膏填充薄壁方钢管短柱,它是由磷石膏填充到薄壁方钢管中形成的组合构件,满足冷弯薄壁型钢结构“轻质”的特点。在构件中,核心磷石膏的支撑作用可延缓薄壁方钢管的局部屈曲,钢管的约束作用可提升核心磷石膏的强度,从而充分发挥两种材料的力学性能,提升构件的轴压承载力。为了探究磷石膏填充薄壁方钢管短柱的轴压性能,以薄壁方钢管内是否填充磷石膏、磷石膏水灰比、空心率、薄壁方钢管壁厚为试验参数,设计并制作了3个空钢管试件与24个磷石膏填充薄壁方钢管短柱试件,对其开展轴压试验,研究了磷石膏填充薄壁方钢管短柱的力学性能,分析了各试件的破坏模式,荷载-变形曲线、荷载-应变曲线及轴压承载力。研究结果表明:空钢管试件呈局部屈曲破坏模式,填充试件呈腰鼓型破坏模式,核心磷石膏的支撑作用不仅可延缓薄壁钢管的局部屈曲,而且可改变试件的破坏模式,与空钢管试件相比,填充试件的轴压承载力提升了65.52%;试件空心率的变化对试件承载力的影响较为显著,这是由于含水率对磷石膏自身强度影响较大,改变试件空心率的大小会导致磷石膏含水率出现差异进而影响试件的承载力;填充磷石膏水灰比降低时,试件的轴压承载力得到一定程度提升,当磷石膏的水灰比由0.9下降到0.8、0.7时,试件的承载力分别提升了6.36%、12.42%;增加薄壁钢管壁厚,可显著提升试件的轴压性能,当钢管壁厚由0.85 mm增加到1.48,1.93 mm时,试件的轴压承载力分别提升了115.36%,176.55%,提升效果明显。基于叠加理论推导了空钢管试件与填充试件的轴压承载力计算公式,结果表明:所推导的计算公式有较好的计算精度,可较为准确地预测试件的轴压承载力。基于上述研究结果,磷石膏填充薄壁方钢管短柱具有良好的轴压力学性能,其应用前景广阔,该类构件的研发也可为磷石膏的综合应用提供一条切实可行的路径。
提出了一种新型的冷弯薄壁型钢墙架柱——磷石膏填充薄壁方钢管短柱,它是由磷石膏填充到薄壁方钢管中形成的组合构件,满足冷弯薄壁型钢结构“轻质”的特点。在构件中,核心磷石膏的支撑作用可延缓薄壁方钢管的局部屈曲,钢管的约束作用可提升核心磷石膏的强度,从而充分发挥两种材料的力学性能,提升构件的轴压承载力。为了探究磷石膏填充薄壁方钢管短柱的轴压性能,以薄壁方钢管内是否填充磷石膏、磷石膏水灰比、空心率、薄壁方钢管壁厚为试验参数,设计并制作了3个空钢管试件与24个磷石膏填充薄壁方钢管短柱试件,对其开展轴压试验,研究了磷石膏填充薄壁方钢管短柱的力学性能,分析了各试件的破坏模式,荷载-变形曲线、荷载-应变曲线及轴压承载力。研究结果表明:空钢管试件呈局部屈曲破坏模式,填充试件呈腰鼓型破坏模式,核心磷石膏的支撑作用不仅可延缓薄壁钢管的局部屈曲,而且可改变试件的破坏模式,与空钢管试件相比,填充试件的轴压承载力提升了65.52%;试件空心率的变化对试件承载力的影响较为显著,这是由于含水率对磷石膏自身强度影响较大,改变试件空心率的大小会导致磷石膏含水率出现差异进而影响试件的承载力;填充磷石膏水灰比降低时,试件的轴压承载力得到一定程度提升,当磷石膏的水灰比由0.9下降到0.8、0.7时,试件的承载力分别提升了6.36%、12.42%;增加薄壁钢管壁厚,可显著提升试件的轴压性能,当钢管壁厚由0.85 mm增加到1.48,1.93 mm时,试件的轴压承载力分别提升了115.36%,176.55%,提升效果明显。基于叠加理论推导了空钢管试件与填充试件的轴压承载力计算公式,结果表明:所推导的计算公式有较好的计算精度,可较为准确地预测试件的轴压承载力。基于上述研究结果,磷石膏填充薄壁方钢管短柱具有良好的轴压力学性能,其应用前景广阔,该类构件的研发也可为磷石膏的综合应用提供一条切实可行的路径。
2023, 38(1): 29-36.
doi: 10.13206/j.gjgS22072002
摘要:
输电塔是一类风敏感结构,具有自重大、结构柔、小阻尼等特点,对风荷载激励较为敏感,在东南沿海台风多发地区,风荷载是导致输电塔倒塔和事故的重要原因。为保障我国东南沿海地区输电线路的安全运行,合理评估该地区输电塔的抗风性能尤为重要。以福建福鼎沿海地区新建的220 kV双回路线路的典型直线塔为研究对象,开展了输电塔的动力特性、风振响应及抗风性能评估研究。首先,对输电塔进行了现场动力特性测试,测试输电塔在自然激励下的响应,采用随机子空间法识别输电塔频率和阻尼比等动力特性参数;其次,采用ANSYS软件建立了该输电塔的有限元计算模型,通过对输电塔动力特性的理论分析和现场实测,进一步认识和掌握了该塔的振动特性同时验证有限元模型的正确性;最后,依据现有规范对输电塔进行0°、45°、60°、90°静力风荷载分析及风速重现期分别为30,50,100 a的风振响应分析,得到静力、脉动风荷载作用下输电塔的塔顶位移值及塔身主材最大压应力值。在此基础上,采用输电塔的塔顶偏移比、杆件压屈比等评估参数对输电塔抗风性能进行评估。结果表明:该方法有效评估了输电塔在风速重现期分别为30,50,100 a的抗风能力,得到该基输电塔的抗风性能设计较为安全的结论。
输电塔是一类风敏感结构,具有自重大、结构柔、小阻尼等特点,对风荷载激励较为敏感,在东南沿海台风多发地区,风荷载是导致输电塔倒塔和事故的重要原因。为保障我国东南沿海地区输电线路的安全运行,合理评估该地区输电塔的抗风性能尤为重要。以福建福鼎沿海地区新建的220 kV双回路线路的典型直线塔为研究对象,开展了输电塔的动力特性、风振响应及抗风性能评估研究。首先,对输电塔进行了现场动力特性测试,测试输电塔在自然激励下的响应,采用随机子空间法识别输电塔频率和阻尼比等动力特性参数;其次,采用ANSYS软件建立了该输电塔的有限元计算模型,通过对输电塔动力特性的理论分析和现场实测,进一步认识和掌握了该塔的振动特性同时验证有限元模型的正确性;最后,依据现有规范对输电塔进行0°、45°、60°、90°静力风荷载分析及风速重现期分别为30,50,100 a的风振响应分析,得到静力、脉动风荷载作用下输电塔的塔顶位移值及塔身主材最大压应力值。在此基础上,采用输电塔的塔顶偏移比、杆件压屈比等评估参数对输电塔抗风性能进行评估。结果表明:该方法有效评估了输电塔在风速重现期分别为30,50,100 a的抗风能力,得到该基输电塔的抗风性能设计较为安全的结论。
2023, 38(1): 37-65.
doi: 10.13206/j.gjgS22121903
摘要:
国内现有基于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的抗震设计方法(简称传统规范设计法)未考虑不同结构体系的延性差异,无法有效体现钢结构良好的抗震延性,且考虑到传统规范设计法难以实现快速更新以顺应新体系、新技术的发展应用,因此发展基于性能的抗震设计方法势在必行。对国内现有主要规范标准中涉及的性能化设计方法进行了对比总结,对其主要特点和应用中存在的问题进行了梳理,厘清性能化设计本质,同时参考当前国际先进的性能化设计思想,结合已有工程实践经验,对现有钢结构抗震性能化设计的改进方法进行了研究。从设计流程、性能目标设定、分析方法选择和评估标准等多方面进行了探讨,建议将性能化设计提升为与传统规范设计法并行的设计方法,从而减免规范中包括规则性要求等限制。改进方法相对现有传统规范设计法具有更高的灵活性,可应用于包括超限结构在内的各类高延性或新体系结构中。该方法的思路与理念可拓展应用于包括抗风、防火、防腐和舒适度等结构专项分析,将日渐成熟的数值仿真计算作为各类性能设计与评价的重要手段和依据,以进一步形成和完善钢结构全生命周期的性能化设计框架和流程,充分发挥钢结构的良好性能,为促进钢结构在多领域应用和发展带来积极影响。
国内现有基于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的抗震设计方法(简称传统规范设计法)未考虑不同结构体系的延性差异,无法有效体现钢结构良好的抗震延性,且考虑到传统规范设计法难以实现快速更新以顺应新体系、新技术的发展应用,因此发展基于性能的抗震设计方法势在必行。对国内现有主要规范标准中涉及的性能化设计方法进行了对比总结,对其主要特点和应用中存在的问题进行了梳理,厘清性能化设计本质,同时参考当前国际先进的性能化设计思想,结合已有工程实践经验,对现有钢结构抗震性能化设计的改进方法进行了研究。从设计流程、性能目标设定、分析方法选择和评估标准等多方面进行了探讨,建议将性能化设计提升为与传统规范设计法并行的设计方法,从而减免规范中包括规则性要求等限制。改进方法相对现有传统规范设计法具有更高的灵活性,可应用于包括超限结构在内的各类高延性或新体系结构中。该方法的思路与理念可拓展应用于包括抗风、防火、防腐和舒适度等结构专项分析,将日渐成熟的数值仿真计算作为各类性能设计与评价的重要手段和依据,以进一步形成和完善钢结构全生命周期的性能化设计框架和流程,充分发挥钢结构的良好性能,为促进钢结构在多领域应用和发展带来积极影响。
2023, 38(1): 66-68.
doi: 10.13206/j.gjgG22111209
摘要:
探讨了檩条体系中拉条的作用,由于冷弯檩条腹板太薄,拉条在拉力作用下发生局部弯曲,使拉条拉力松弛,且相邻檩距内拉条错位导致拉条拉力进一步大幅丧失,而拉条要为平行体系中的所有檩条提供约束,对拉条刚度的需求呈抛物线增长,因此檩条设计中内力分析和稳定性计算时都不宜考虑拉条的作用。最后给出了拉条布置和采用冷弯C形钢代替拉条的建议。
探讨了檩条体系中拉条的作用,由于冷弯檩条腹板太薄,拉条在拉力作用下发生局部弯曲,使拉条拉力松弛,且相邻檩距内拉条错位导致拉条拉力进一步大幅丧失,而拉条要为平行体系中的所有檩条提供约束,对拉条刚度的需求呈抛物线增长,因此檩条设计中内力分析和稳定性计算时都不宜考虑拉条的作用。最后给出了拉条布置和采用冷弯C形钢代替拉条的建议。
