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2021年  第36卷  第2期

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科研
焊接双相型不锈钢工字形受弯构件整体稳定性能研究
舒赣平, 徐秀, 顾悦言, 蒋庆林, 郑宝锋
2021, 36(2): 1-25. doi: 10.13206/j.gjgSE20081701
摘要:
不锈钢结构具有良好的力学性能和优异的耐腐蚀性,是强腐蚀性环境下重要基础设施的最佳结构方案之一。关于不锈钢结构的研究始于20世纪60年代,随着人们对结构耐久性和安全性重视程度的不断提升,相关研究在近20年得到迅猛发展。现有研究在不锈钢材料力学性能和冷成型构件的设计理论方面积累了丰富的成果,然而在焊接截面构件的受力性能方面研究相对较少,且尚未将不锈钢材料力学特征融合到构件设计方法中。为此将对焊接双相型不锈钢工字形受弯构件整体稳定性能进行试验研究,结合双相型不锈钢材料的力学特征,改进相应的设计公式。
首先设计了一种加载点约束型钢梁整体稳定试验的四点受弯装置,摒弃传统试验装置释放加载点约束的策略,采用加载点约束型,实现加载与侧向约束同点布置,明确构件的边界条件,有效降低装置对构件的多余约束;然后针对7根受弯构件开展了初始缺陷测量、材料力学性能试验和整体稳定性能试验,获得了全面的试验数据,并将试验数据与欧洲规范和中国规范的预测值进行了对比;建立了受弯构件的有限元分析模型,将有限元分析结果与试验结果进行对比验证模型的准确性,并采用该模型进行了参数化分析;最后基于参数化分析结果,考虑不锈钢材料的屈服后显著应变强化的特点,改进了钢梁整体稳定承载力计算公式。
试验中除S-DI-150-3000发生局部-整体相关屈曲外,其余构件均发生侧向弯扭屈曲破坏,将试验结果与欧洲规范和中国规范预测值进行对比,结果表明:上述规范的预测值均偏于保守,试验值与计算值比值的均值分别为1.23和1.18;所建立的有限元分析模型可以准确预测构件的承载力,试验值与计算值比值的均值为1.06;基于参数化分析结果和不锈钢材料的特点,建立了两阶段的受弯构件整体稳定承载力的计算公式,当正则化长细比不小于0.54时,采用改进的Perry公式表达正则化长细比与稳定系数之间的关系;当正则化长细比小于0.54时,近似采用线性方程表达两者的关系;在此阶段构件稳定系数大于1.0,以抗拉强度与屈服强度的比值作为最大值,充分利用不锈钢材料屈服后显著应变强化的特征。将试验数据与所提公式的计算值进行对比表明:该方法具有较高的精度,试验值与所提公式预测值的比值均值为1.0,标准差为0.11。
水平地震下钢-混凝土组合框架结构极限抗震与强柱构造
丁发兴, 潘志成, 罗靓, 向平, 余志武
2021, 36(2): 26-37. doi: 10.13206/j.gjgS20090301
摘要:
“强柱弱梁”是当前国际上主流的工程结构抗震设计理念,已有地震灾害调查表明,由于地震作用机制的复杂性以及对工程结构极限抗震认识的不足,强震作用后框架结构除出现梁铰的“强柱弱梁”破坏之外,还出现整体倒塌、柱铰以及局部楼层倒塌的“强梁弱柱”破坏。
为合理认识各类破坏形式,首先对传统的塑性铰概念细分为“压铰”和“拉铰”,指出“拉铰”容易引发结构整体失稳;随后以钢-混凝土组合框架结构为对象,建立并采用实体单元与壳单元为主的组合框架结构有限元精细化抗震计算模型,开展组合结构极限抗震分析,初步探讨各水平地震波工况对组合框架结构位移、应力、轴压比等时程响应以及框架梁柱塑性耗能分配机制、塑性铰形成模式与失效机制的影响规律。
分析结果显示:1)柱端拉筋减小了钢管与混凝土之间滑移,从而增大了柱和框架的刚度,降低了钢管和混凝土的应变水平,增大了钢梁的应力水平;620 cm/s2及以上强度的地震波作用时,柱端拉筋构造可显著减小组合框架结构的最大层间位移角,在接近极限强度的水平地震波作用时,柱端拉筋屈服,框架梁端混凝土板纵筋一般不易屈服;2)“强梁弱柱”组合框架表现为“约束梁”与“耗能柱”,此时框架梁对框架柱约束较强,框架以框架柱耗能为主而梁端仅形成“压铰”,此时框架的耗能能力取决于框架柱;“强柱弱梁”组合框架表现为“耗能梁”与“承载柱”,此时框架梁对框架柱约束较弱,框架以框架梁耗能为主使得梁端先形成“压铰”,当梁端耗能至极限时形成“拉铰”引发框架柱长细比增大,导致框架加速失效,不利于发挥框架柱耗能潜力;3)柱端拉筋技术的“强柱”构造将提高组合结构的刚度、塑性耗能与抗倒塌能力,强柱构造对以柱耗能为主的6层框架抗震能力提升尤其显著。
新型冷弯薄壁型钢结构钢皮剪力墙抗侧性能研究
徐维佳, 宁小美, 冯若强, 徐鹏辉
2021, 36(2): 38-46. doi: 10.13206/j.gjgS20050201
摘要:
随着钢结构住宅层数的增加,传统冷弯薄壁型钢墙体已经无法适用于越来越多的多高层钢结构住宅。为此,研发了新型钢皮组合墙体。为了研究新型墙体相对于传统冷弯薄壁型钢结构组合墙体在抗侧性能上的优越性,对石膏板+钢皮的新型冷弯薄壁型钢结构复合钢皮剪力墙进行了拟静力抗震性能研究。对2片足尺组合墙试件进行了无竖向力作用下的水平单调加载,得到了试件的破坏特征、承载能力、位移、抗剪强度、抗侧刚度以及延性系数等特征参数。采用ABAQUS对水平单调加载下的组合墙体进行数值模拟研究,并将模拟结果与试验结果进行对比。
研究结果表明:1)增加轻钢龙骨的厚度可以明显提升墙体的承载力、刚度以及延性。2)组合墙试件的破坏类型分为脆性破坏和延性破坏。脆性破坏是由墙体边立柱受压屈曲导致,破坏过程耗能较少。延性破坏发生在墙体面板以及自攻螺钉连接处,破坏过程耗能较多。3)轻钢龙骨厚度与墙板钢皮总厚度的比值对组合墙试件的破坏模式起着控制作用。在墙体设计中,应保证龙骨的壁厚(或对边柱进行适当加强),合理设计钢皮的厚度,使其成为延性破坏构件。4)有限元模拟结果与试验结果误差相对较小,模拟破坏现象和试验实际破坏特征也基本符合。
斜拉桥曲线钢桥塔稳定性能研究
孙亮
2021, 36(2): 47-55. doi: 10.13206/j.gjgS20031401
摘要:

斜拉桥曲线钢桥塔具有线型较为复杂、整体长细比较大、整体结构均由薄壁构件组成等特点,其稳定性已成为结构设计的关键控制因素。为了研究曲线钢桥塔在自重、缆索系统传来的桥梁上部结构恒载以及汽车荷载等主要竖向荷载作用下的稳定性,进一步明确钢桥塔建模的单元类型选择、失稳模态和受力特征,以一座跨径布置为(200+200) m的曲线形钢塔斜拉桥为研究对象,采用ANSYS通用有限元软件对钢桥塔分别建立空间杆系单元模型和空间板壳单元模型,对其稳定性进行数值仿真计算与分析,得到弹性状态下的失稳模态和失稳临界荷载,以及计入非线性因素影响后的极限承载力、极限承载力状态下的应力分布和结构变形。空间杆系单元模型采用Beam 4单元将斜拉桥主梁模拟为鱼骨刺模型,采用Link 10单元模拟拉索并施加初始张拉力,采用Beam 188单元模拟桥塔。空间板壳单元模型中,主梁和拉索的模拟方式与杆系单元模型相同,桥塔则采用Shell 143单元按实际构造进行模拟。桥塔所用Q345钢材的材料非线性模拟采用多线性随动强化模型,并取第一类稳定分析中得到的一阶屈曲模态作为结构初始几何缺陷的形状。
计算可得:1)采用空间杆系单元模型算得的桥塔第一类稳定安全系数为94.51,计入双重非线性和结构初始缺陷影响的第二类稳定安全系数为19.89。采用空间板壳单元模型算得的桥塔第一类稳定失稳模态首先表现为壁板局部的面外屈曲,对应的稳定安全系数为25.15,发生整体失稳时对应的稳定安全系数为61.42;2)第二类稳定最小安全系数为12.90,失稳模态表现为局部失稳,桥塔外壁和加劲肋的应力及弹性应变集中区域主要位于拉索中部区域,桥塔内部的加劲肋、中腹板和横隔板构件的应力与弹性应变集中区域主要位于拉索处的横隔板,桥塔内部塑性应变主要集中于横隔板的拉索锚固区域。板壳单元模型算得的钢桥塔两类失稳模态均表现为局部屈曲,对应的屈曲荷载特征值远小于整体失稳对应的屈曲荷载特征值,进行稳定安全性判断时需重点关注壁板、塔内拉锚索区等关键部位的受力和变形情况。

复杂高耸观光塔钢结构分析与设计
刘美景, 曾少儒, 范圣刚
2021, 36(2): 56-63. doi: 10.13206/j.gjgS20080502
摘要:

观光塔凭借其结构高度高、造型细长等特点,极大提升了游客观感体验,同时也给结构设计带来了巨大挑战。结合某复杂高耸观光塔工程,介绍了观光塔钢结构设计的特点与难点。观光塔总高度为204.4 m,主要包含裙房、主塔塔身、塔楼及塔顶游乐设备四部分,其功能涵盖商场、物业、旋转餐厅、观光平台和游乐设施等,钢塔主体结构采用钢结构筒体结构,筒身由钢管混凝土柱及钢支撑构成,其平面为八边形,共布置8个钢管混凝土柱,竖向沿八边形外围布置跨层X形支撑作为主要抗侧力体系。
在介绍整体结构体系及功能分布的基础上,结合结构各部位特点与难点对结构设计方案展开阐述。观光塔主塔结构高宽比大,塔楼处直径较大且所处位置较高,放大了高宽比大这一不利影响。针对该特点,在塔身底部设置四个伸臂支撑桁架,并通过对比分析确定伸臂支撑桁架与钢柱连接点的标高位置,有效减轻了观光塔主塔结构高宽比大的不利影响;对于楼面大开洞导致的刚度削弱,在楼面内布置水平钢支撑,结合楼面钢梁共同形成抵抗水平侧力的一道通长桁架;将塔楼底层设置为转换桁架层,以实现塔楼大悬挑,悬挑桁架杆件均采用H型钢;为有效锚固观光塔顶部太空梭游乐设备,在太空梭支座底部设置转换桁架,将荷载直接传递到塔体外筒钢管混凝土柱上;布置专门的钢梁用于支承旋转餐厅设备,分别采用变桁架高度与变截面高度梁的方式解决了旋转设备高度导致的结构高差问题。
利用有限元软件对观光塔结构开展了模态分析、风荷载及地震作用分析、结构变形与受力分析,并对结构中的关键节点如底部伸臂支撑桁架与裙房连接节点开展了精细化有限元分析。分析结果表明:结构振型模态与周期、结构在风荷载与地震作用下的侧向变形、结构竖向变形与杆件承载力验算等各项性能指标均满足规范要求;铸钢节点完全处于弹性范围内,满足设计要求;风荷载在该观光塔结构设计中为控制荷载,地震作用影响较小。

钢结构热点探析
本期问题:混凝土梁钢筋与钢骨柱连接钢板厚度如何确定?
张利军, 邹安宇
2021, 36(2): 64-65.
摘要: