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2023年 第38卷 第7期
2023, 38(7): 1-11.
doi: 10.13206/j.gjgS23011002
摘要
PDF (6309KB)
摘要:
胶合木-混凝土简支组合梁结合了胶合木与混凝土两种材料的结构力学特性,木梁通过剪力连接件与混凝土板形成一个整体,以此达到共同工作的作用。目前,在多高层建筑以及木结构建筑中得到了广泛的应用。另外,木结构符合绿色建筑的发展理念,发展木结构建筑可以降低建筑行业对环境的影响,具有十分重要的意义。为研究荷载形式和栓钉布置方式对胶合木-混凝土简支组合梁的滑移、挠度以及内力的影响,主要利用ANSYS软件进行建模分析,并与均匀情况布置下的栓钉进行对比分析,从而验证模型的正确性。基本假设为胶合木与混凝土为理想的线弹性材料,不考虑混凝土的开裂,基于此,讨论荷载形式、栓钉布置方式对滑移、挠度和内力的影响。建模思路:对于混凝土C30采用Solid 65单元进行建模,木梁则采用Solid 45单元,而栓钉则采用Conbine 39,栓钉本构采用Lukaszewska E中所拟合出的SST+S型号的连接件。同时进行参数化分析,输出组合梁的滑移、挠度和内力,并与胶合木-混凝土简支组合梁理论值做对比分析。结果表明:虽然木材是一种正交各向异性的材料,但是可以按材料力学的相关理论取与受力方向一致的弹性模量,通过钢-混组合梁的理论公式来推导胶合木-混凝土组合梁的公式,并且其滑移分布规律与钢-混组合梁分布规律一致,呈现出梁端大、中间小的分布规律,其有效刚度可以采用欧洲规范EN 1995-1-1中的“γ”进行计算,误差非常小;可以通过钢-混组合梁滑移理论的思路来推导胶合木-混凝土组合梁滑移理论公式,误差在7%左右;在剪力图面积大小相等时,对称集中荷载下组合梁的滑移及挠度最大,在工程中应尽量避免;在大多数荷载作用下,应根据滑移图合理分段布置栓钉,可以有效减少组合梁的滑移和挠度;ANSYS有限元软件可以正确模拟胶合木-混凝土简支组合梁,且具有很高的精度,为考虑正交各向异性的材料提供了方法和思路。
胶合木-混凝土简支组合梁结合了胶合木与混凝土两种材料的结构力学特性,木梁通过剪力连接件与混凝土板形成一个整体,以此达到共同工作的作用。目前,在多高层建筑以及木结构建筑中得到了广泛的应用。另外,木结构符合绿色建筑的发展理念,发展木结构建筑可以降低建筑行业对环境的影响,具有十分重要的意义。为研究荷载形式和栓钉布置方式对胶合木-混凝土简支组合梁的滑移、挠度以及内力的影响,主要利用ANSYS软件进行建模分析,并与均匀情况布置下的栓钉进行对比分析,从而验证模型的正确性。基本假设为胶合木与混凝土为理想的线弹性材料,不考虑混凝土的开裂,基于此,讨论荷载形式、栓钉布置方式对滑移、挠度和内力的影响。建模思路:对于混凝土C30采用Solid 65单元进行建模,木梁则采用Solid 45单元,而栓钉则采用Conbine 39,栓钉本构采用Lukaszewska E中所拟合出的SST+S型号的连接件。同时进行参数化分析,输出组合梁的滑移、挠度和内力,并与胶合木-混凝土简支组合梁理论值做对比分析。结果表明:虽然木材是一种正交各向异性的材料,但是可以按材料力学的相关理论取与受力方向一致的弹性模量,通过钢-混组合梁的理论公式来推导胶合木-混凝土组合梁的公式,并且其滑移分布规律与钢-混组合梁分布规律一致,呈现出梁端大、中间小的分布规律,其有效刚度可以采用欧洲规范EN 1995-1-1中的“γ”进行计算,误差非常小;可以通过钢-混组合梁滑移理论的思路来推导胶合木-混凝土组合梁滑移理论公式,误差在7%左右;在剪力图面积大小相等时,对称集中荷载下组合梁的滑移及挠度最大,在工程中应尽量避免;在大多数荷载作用下,应根据滑移图合理分段布置栓钉,可以有效减少组合梁的滑移和挠度;ANSYS有限元软件可以正确模拟胶合木-混凝土简支组合梁,且具有很高的精度,为考虑正交各向异性的材料提供了方法和思路。
2023, 38(7): 12-21.
doi: 10.13206/j.gjgS23030801
摘要:
钢管混凝土构件及其衍生的各种新型组合构件具有优异的力学性能和施工性能,被广泛应用于桥梁和建筑结构;将CFRP型材内置于钢管混凝土构件,提高了钢管混凝土构件承载力,降低了截面尺寸,其在桥梁以及高层建筑中具有较大的应用前景。但由于车辆与桥梁结构或建筑物之间的碰撞事故频发,建筑物和桥梁一旦破坏将对人类生活和基础设施系统造成灾难性后果,因此,研究该类构件的抗冲击性能尤为重要。然而现行设计规范对这类构件的冲击设计一般采用等效静力分析方法,这种方法忽略了真正的影响过程。因此,采用有限元分析软件ABAQUS揭示内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱在侧向冲击作用下的动力响应。首先建立轴力与冲击耦合的内置CFRP型材圆钢管混凝土柱模型,并且基于现有的试验数据对其准确性进行验证;然后基于验证后的有限元分析模型获取的冲击力、位移、应力以及应变揭示侧向冲击作用下内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的破坏机理。在此基础上,探究了CFRP型材配置率、冲击速度、轴压比、长细比、含钢率、冲击方向等参数对内置CFRP型材的钢管混凝土构件抗冲击性能的影响。最后,探究了轴力与冲击耦合作用下内置CFRP型材圆钢管混凝土柱的耗能机制。研究结果表明:与普通钢管混凝土柱相比,内置工字形CFRP型材的圆钢管混凝土柱的侧向抗冲击性能显著提高,为充分发挥工字形CFRP型材利用率,建议工字形CFRP型材配置率在6.2%~7.4%之间;通过分析轴压比对其影响,发现轴压比低于0.5时,轴力加强了内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的抗侧向冲击能力;轴压比高于0.5时,轴力削弱了内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的抗侧向冲击能力;相同冲击速度下,内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的强轴方向的抗冲击性能要优于弱轴冲击方向,当冲击速度较大时,其对冲击荷载作用下的内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的弱轴方向的变形影响越大。钢管的塑性耗能是内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的主要耗能方式,虽然内置CFRP型材耗散的能量占总冲击能量的比例较小,但其提高了内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的抗变形能力。
钢管混凝土构件及其衍生的各种新型组合构件具有优异的力学性能和施工性能,被广泛应用于桥梁和建筑结构;将CFRP型材内置于钢管混凝土构件,提高了钢管混凝土构件承载力,降低了截面尺寸,其在桥梁以及高层建筑中具有较大的应用前景。但由于车辆与桥梁结构或建筑物之间的碰撞事故频发,建筑物和桥梁一旦破坏将对人类生活和基础设施系统造成灾难性后果,因此,研究该类构件的抗冲击性能尤为重要。然而现行设计规范对这类构件的冲击设计一般采用等效静力分析方法,这种方法忽略了真正的影响过程。因此,采用有限元分析软件ABAQUS揭示内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱在侧向冲击作用下的动力响应。首先建立轴力与冲击耦合的内置CFRP型材圆钢管混凝土柱模型,并且基于现有的试验数据对其准确性进行验证;然后基于验证后的有限元分析模型获取的冲击力、位移、应力以及应变揭示侧向冲击作用下内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的破坏机理。在此基础上,探究了CFRP型材配置率、冲击速度、轴压比、长细比、含钢率、冲击方向等参数对内置CFRP型材的钢管混凝土构件抗冲击性能的影响。最后,探究了轴力与冲击耦合作用下内置CFRP型材圆钢管混凝土柱的耗能机制。研究结果表明:与普通钢管混凝土柱相比,内置工字形CFRP型材的圆钢管混凝土柱的侧向抗冲击性能显著提高,为充分发挥工字形CFRP型材利用率,建议工字形CFRP型材配置率在6.2%~7.4%之间;通过分析轴压比对其影响,发现轴压比低于0.5时,轴力加强了内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的抗侧向冲击能力;轴压比高于0.5时,轴力削弱了内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的抗侧向冲击能力;相同冲击速度下,内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的强轴方向的抗冲击性能要优于弱轴冲击方向,当冲击速度较大时,其对冲击荷载作用下的内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的弱轴方向的变形影响越大。钢管的塑性耗能是内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的主要耗能方式,虽然内置CFRP型材耗散的能量占总冲击能量的比例较小,但其提高了内置工字形CFRP型材圆钢管混凝土柱的抗变形能力。
2023, 38(7): 22-28.
doi: 10.13206/j.gjgS22082202
摘要:
输电塔是一类高柔度风敏感结构,尤其是建立在山区的输电线路,铁塔所处位置的地形、地貌差异性大,常出现塔与塔之间高差较大的现象,导致风荷载作用下的塔线体系结构响应复杂。以温州沿海山区某典型大高差输电线路段为研究对象,利用ANSYS软件建立两塔三线有限元模型,开展了裸塔及塔线体系的动力特性研究,分析了裸塔及塔线体系在0°和90°风向角下的风振响应,并进行了设计风速下不同风向角的铁塔抗风性能评估。通过对处于山顶位置的输电塔的风振响应特点及铁塔主材内力的分析,得到了山区大高差输电塔主材应力响应规律,掌握了地形高差对铁塔主材应力的影响特点。研究表明:在水平档距不变的情况下,两塔高差越大,位于高处的铁塔主材应力呈现快速增大趋势,且位于山顶的铁塔较山谷铁塔风致倒塌或损毁的风险更大。
输电塔是一类高柔度风敏感结构,尤其是建立在山区的输电线路,铁塔所处位置的地形、地貌差异性大,常出现塔与塔之间高差较大的现象,导致风荷载作用下的塔线体系结构响应复杂。以温州沿海山区某典型大高差输电线路段为研究对象,利用ANSYS软件建立两塔三线有限元模型,开展了裸塔及塔线体系的动力特性研究,分析了裸塔及塔线体系在0°和90°风向角下的风振响应,并进行了设计风速下不同风向角的铁塔抗风性能评估。通过对处于山顶位置的输电塔的风振响应特点及铁塔主材内力的分析,得到了山区大高差输电塔主材应力响应规律,掌握了地形高差对铁塔主材应力的影响特点。研究表明:在水平档距不变的情况下,两塔高差越大,位于高处的铁塔主材应力呈现快速增大趋势,且位于山顶的铁塔较山谷铁塔风致倒塌或损毁的风险更大。
2023, 38(7): 29-35.
doi: 10.13206/j.gjgS23020801
摘要:
研究了一种改进的钢管混凝土抗震墙与钢梁的刚性连接节点的设计方法,该节点由与抗震墙厚度等宽(与抗震墙齐平)的端板+与端板和钢管混凝土抗震墙壁板焊接的4块侧板构成,钢梁上下翼缘与端板全熔透焊接,腹板与端板采用高强螺栓连接。采用板件机构分析方法,分两种情况推导了端板在钢梁截面塑性弯矩作用下所需厚度的计算公式,一种是端板外伸高度足够,一种是端板外伸高度等于楼板厚度。同时计算公式中考虑了侧板本身塑性弯矩的影响。对“强节点、弱杆件”的验算提出了设计公式,该公式等效于将钢管端板刚接节点的节点系数增大1.2倍以考虑翼缘内纵向正应力不均匀分布的影响。最后对墙内的节点域抗剪强度验算给出了公式。
研究了一种改进的钢管混凝土抗震墙与钢梁的刚性连接节点的设计方法,该节点由与抗震墙厚度等宽(与抗震墙齐平)的端板+与端板和钢管混凝土抗震墙壁板焊接的4块侧板构成,钢梁上下翼缘与端板全熔透焊接,腹板与端板采用高强螺栓连接。采用板件机构分析方法,分两种情况推导了端板在钢梁截面塑性弯矩作用下所需厚度的计算公式,一种是端板外伸高度足够,一种是端板外伸高度等于楼板厚度。同时计算公式中考虑了侧板本身塑性弯矩的影响。对“强节点、弱杆件”的验算提出了设计公式,该公式等效于将钢管端板刚接节点的节点系数增大1.2倍以考虑翼缘内纵向正应力不均匀分布的影响。最后对墙内的节点域抗剪强度验算给出了公式。
2023, 38(7): 36-41.
doi: 10.13206/j.gjgS23030802
摘要:
研究了轴心受压T形截面考虑翼缘和腹板相互约束的截面局部屈曲,给出了局部屈曲临界应力的公式。将确定板件分类等级的方法应用到截面分类上,以腹板和翼缘宽厚比相关关系的形式给出了4类截面S1,S2,S3和S4的分类标准。观察曲线形状发现,曲线可分成传统分类区和扩展分类区。在传统分类区,翼缘和腹板进行独立分类;在扩展分类区,腹板的宽厚比限值可以放宽,但是翼缘的宽厚比限值必须更严,以考虑翼缘对腹板的约束作用带来的对翼缘本身的削弱。为此对4类截面提出了宽厚比限值的计算公式,以供规范编修时参考。
研究了轴心受压T形截面考虑翼缘和腹板相互约束的截面局部屈曲,给出了局部屈曲临界应力的公式。将确定板件分类等级的方法应用到截面分类上,以腹板和翼缘宽厚比相关关系的形式给出了4类截面S1,S2,S3和S4的分类标准。观察曲线形状发现,曲线可分成传统分类区和扩展分类区。在传统分类区,翼缘和腹板进行独立分类;在扩展分类区,腹板的宽厚比限值可以放宽,但是翼缘的宽厚比限值必须更严,以考虑翼缘对腹板的约束作用带来的对翼缘本身的削弱。为此对4类截面提出了宽厚比限值的计算公式,以供规范编修时参考。
2023, 38(7): 42-44.
doi: 10.13206/j.gjgS23041022
摘要:
回顾了假想荷载的来龙去脉,介绍了中国、欧洲和美国规范中对假想荷载法的规定,提出了假想荷载系数公式中的总楼层数应解读为施加假想力的楼层以上的楼层总数,以规避现行假想荷载法取值在逻辑上的一个漏洞,并提出了新的建议公式,新公式在逻辑上更加合理,数值上也更有规律。
回顾了假想荷载的来龙去脉,介绍了中国、欧洲和美国规范中对假想荷载法的规定,提出了假想荷载系数公式中的总楼层数应解读为施加假想力的楼层以上的楼层总数,以规避现行假想荷载法取值在逻辑上的一个漏洞,并提出了新的建议公式,新公式在逻辑上更加合理,数值上也更有规律。
