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2023年 第38卷 第8期
2023, 38(8): 1-13.
doi: 10.13206/j.gjgS23021502
摘要
PDF (16008KB)
摘要:
为探索装配式模块化钢框架结构的整体分析方法和适用性,利用ABAQUS有限元软件建立多尺度有限元模型进行静、动力分析,对比分析了梁单元、实体单元、多尺度节点计算模型的静力特性,并从模块结构的内力分析、模态分析两个方面对比梁单元、实体单元、多尺度框架计算模型的差异性。此外,将多尺度模型应用于模块化钢框架结构中进行动力弹塑性时程分析,对比分析了梁单元与多尺度框架6~12层模型的动力响应差异。分析结果表明:ABAQUS内置多点约束方法能够实现梁单元与实体单元之间连接;多尺度模型与实体单元的计算精度取得较好的一致性,二者相比,多尺度计算模型可增加约40%计算效率;动力模态分析表明,多尺度模型与实体单元振型的固有频率基本一致,验证了采用多尺度模型计算结果的可靠性;当模块结构层数超过10层,梁单元计算模型的计算精度大幅度降低,而多尺度计算模型计算精度呈稳定趋势。
为探索装配式模块化钢框架结构的整体分析方法和适用性,利用ABAQUS有限元软件建立多尺度有限元模型进行静、动力分析,对比分析了梁单元、实体单元、多尺度节点计算模型的静力特性,并从模块结构的内力分析、模态分析两个方面对比梁单元、实体单元、多尺度框架计算模型的差异性。此外,将多尺度模型应用于模块化钢框架结构中进行动力弹塑性时程分析,对比分析了梁单元与多尺度框架6~12层模型的动力响应差异。分析结果表明:ABAQUS内置多点约束方法能够实现梁单元与实体单元之间连接;多尺度模型与实体单元的计算精度取得较好的一致性,二者相比,多尺度计算模型可增加约40%计算效率;动力模态分析表明,多尺度模型与实体单元振型的固有频率基本一致,验证了采用多尺度模型计算结果的可靠性;当模块结构层数超过10层,梁单元计算模型的计算精度大幅度降低,而多尺度计算模型计算精度呈稳定趋势。
2023, 38(8): 14-21.
doi: 10.13206/j.gjgS23041202
摘要:
钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱因其良好的受力性能以及快速的施工速度,在实际工程中得以广泛应用。为进一步研究钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的轴压性能,在已完成的6组轴压试验的基础上,利用ABAQUS有限元软件建立了相应的模型并进行了非线性有限元分析。结合轴压试验结果,从试件的破坏形态、荷载-位移曲线等方面证明了有限元模型的可靠性与适用性。基于已验证的有限元模型进行了大量的参数分析,研究的参数包括:混凝土强度、径宽比、波纹钢板屈服强度以及波纹钢板厚度,以探究不同参数对钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的承载能力、初始刚度、承载力提升系数、延性的影响。模拟结果表明:提升材料强度可以提高试件的承载能力,但对强度提升系数影响很小;增大径宽比可以有效提升试件的极限承载力、强度提升系数与延性,但相应试件的用钢量也会提升;增加波纹钢板厚度基本不会提升试件的承载能力,但会明显提高试件的延性。最后,进行了钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的稳定性分析,在综合考虑钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的截面形状以及材料性质的前提下,提出组合柱长细比的计算方法;通过引入初始缺陷的方式建立起不同长细比下钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的有限元模型,研究了不同长细比对其受力机理以及承载能力的影响,并引入各国规范的计算方法,将模拟结果与计算结果进行比较。对比结果表明:现有规范对于钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱极限承载力的设计值偏大,不能准确预测组合柱的承载能力。因此,基于有限元模拟结果,对钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的稳定系数及轴压承载力计算公式进行了修正。
钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱因其良好的受力性能以及快速的施工速度,在实际工程中得以广泛应用。为进一步研究钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的轴压性能,在已完成的6组轴压试验的基础上,利用ABAQUS有限元软件建立了相应的模型并进行了非线性有限元分析。结合轴压试验结果,从试件的破坏形态、荷载-位移曲线等方面证明了有限元模型的可靠性与适用性。基于已验证的有限元模型进行了大量的参数分析,研究的参数包括:混凝土强度、径宽比、波纹钢板屈服强度以及波纹钢板厚度,以探究不同参数对钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的承载能力、初始刚度、承载力提升系数、延性的影响。模拟结果表明:提升材料强度可以提高试件的承载能力,但对强度提升系数影响很小;增大径宽比可以有效提升试件的极限承载力、强度提升系数与延性,但相应试件的用钢量也会提升;增加波纹钢板厚度基本不会提升试件的承载能力,但会明显提高试件的延性。最后,进行了钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的稳定性分析,在综合考虑钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的截面形状以及材料性质的前提下,提出组合柱长细比的计算方法;通过引入初始缺陷的方式建立起不同长细比下钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的有限元模型,研究了不同长细比对其受力机理以及承载能力的影响,并引入各国规范的计算方法,将模拟结果与计算结果进行比较。对比结果表明:现有规范对于钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱极限承载力的设计值偏大,不能准确预测组合柱的承载能力。因此,基于有限元模拟结果,对钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的稳定系数及轴压承载力计算公式进行了修正。
2023, 38(8): 22-33.
doi: 10.13206/j.gjgS23031901
摘要:
为对钢管束单边高强螺栓连接的极限承载力和破坏模式进行研究,对钢管束单边高强螺栓连接进行单调拉拔试验和有限元数值模拟,分析了端板厚度和钢管束厚度对连接承载力和破坏模式的影响,并基于试验结果和有限元参数化分析结果,推导了钢管束单边高强螺栓连接的初始抗拉刚度理论公式。首先,通过改变钢管束单边高强螺栓连接的端板厚度、钢管束厚度以及螺栓种类共设计制作了5个钢管束单边高强螺栓连接试件进行单调拉拔试验。为使试验结果偏于安全,试件未填充混凝土,即不考虑混凝土的有利作用;其次,对钢管束单边高强螺栓连接进行有限元数值模拟,并将有限元模拟结果与试验结果对照,以验证有限元建模方法的正确性,同时采用相同的建模方法对钢管束单边高强螺栓连接进行参数化分析,进一步探究钢管束厚度和端板厚度变化对钢管束单边高强螺栓连接力学性能的影响;最后根据试验结果和有限元参数化分析结果采用组件法推导出了钢管束单边高强螺栓连接的初始抗拉刚度公式,并将理论数据与有限元模拟结果进行比较,对公式的准确性进行验证。研究结果表明:钢管束单边高强螺栓连接的破坏模式为钢管束鼓曲,螺栓孔产生塑性变形,单边高强螺栓外套管发生弯折导致单边高强螺栓被拔出,与钢管束普通高强螺栓连接螺栓孔被拉断的破坏模式不同;增加钢管束的厚度可以显著提高钢管束单边高强螺栓连接的承载力和初始抗拉刚度;单边高强螺栓连接虽然承载力和塑性变形能力较普通高强螺栓连接低,但在安装时无需预留安装手孔,避免了焊接施工对冷弯薄壁型钢受力性能的不利影响;有限元数值模拟结果与试验结果具有一致性,证明有限元模型建模方法可靠,且参数化分析结果进一步表明了钢管束单边高强螺栓的力学性能主要受钢管束厚度控制,受端板厚度影响较小;通过组件法推导出的钢管束单边高强螺栓连接初始抗拉刚度公式得出的理论刚度与有限元参数分析结果的吻合程度良好,证明钢管束单边高强螺栓初始抗拉刚度公式具有较好的可靠性。
为对钢管束单边高强螺栓连接的极限承载力和破坏模式进行研究,对钢管束单边高强螺栓连接进行单调拉拔试验和有限元数值模拟,分析了端板厚度和钢管束厚度对连接承载力和破坏模式的影响,并基于试验结果和有限元参数化分析结果,推导了钢管束单边高强螺栓连接的初始抗拉刚度理论公式。首先,通过改变钢管束单边高强螺栓连接的端板厚度、钢管束厚度以及螺栓种类共设计制作了5个钢管束单边高强螺栓连接试件进行单调拉拔试验。为使试验结果偏于安全,试件未填充混凝土,即不考虑混凝土的有利作用;其次,对钢管束单边高强螺栓连接进行有限元数值模拟,并将有限元模拟结果与试验结果对照,以验证有限元建模方法的正确性,同时采用相同的建模方法对钢管束单边高强螺栓连接进行参数化分析,进一步探究钢管束厚度和端板厚度变化对钢管束单边高强螺栓连接力学性能的影响;最后根据试验结果和有限元参数化分析结果采用组件法推导出了钢管束单边高强螺栓连接的初始抗拉刚度公式,并将理论数据与有限元模拟结果进行比较,对公式的准确性进行验证。研究结果表明:钢管束单边高强螺栓连接的破坏模式为钢管束鼓曲,螺栓孔产生塑性变形,单边高强螺栓外套管发生弯折导致单边高强螺栓被拔出,与钢管束普通高强螺栓连接螺栓孔被拉断的破坏模式不同;增加钢管束的厚度可以显著提高钢管束单边高强螺栓连接的承载力和初始抗拉刚度;单边高强螺栓连接虽然承载力和塑性变形能力较普通高强螺栓连接低,但在安装时无需预留安装手孔,避免了焊接施工对冷弯薄壁型钢受力性能的不利影响;有限元数值模拟结果与试验结果具有一致性,证明有限元模型建模方法可靠,且参数化分析结果进一步表明了钢管束单边高强螺栓的力学性能主要受钢管束厚度控制,受端板厚度影响较小;通过组件法推导出的钢管束单边高强螺栓连接初始抗拉刚度公式得出的理论刚度与有限元参数分析结果的吻合程度良好,证明钢管束单边高强螺栓初始抗拉刚度公式具有较好的可靠性。
2023, 38(8): 34-41.
doi: 10.13206/j.gjgS22112601
摘要:
相较于混凝土楼梯,钢结构旋转楼梯具有其质量轻、跨度大、承载力高、整体刚度好等特点,因此钢结构楼梯安装便捷、成本较低,在各种商业和办公类建筑中得到广泛运用。但国内现有规范图集中并没有对一些跨度较大且形状不规则的楼梯的设计方法进行规定。针对济南某商务中心下沉广场处的钢结构旋转楼梯设计中因楼梯形状不规则、跨度大所产生的复杂计算问题,提出箱梁式、梁式、图集板式和箱式踏步4种不同的结构设计方案,采用有限元分析软件SAP 2000建立钢旋转楼梯的整体模型,分别对4种方案进行了静力分析、模态分析,并对旋转楼梯构件进行了截面设计,同时采用3种不同的人行激励荷载工况进行了舒适度分析。从结构刚度、构件强度、楼梯整体舒适度等方面对4种方案进行比较,研究同一形状下不同结构形式的楼梯的受力特性,得出各个结构设计方案的优缺点,并确定最终设计方案。分析结果表明:4种方案在变形、强度和舒适度方面均能满足设计要求;4种方案的最大位移均发生在旋转楼梯中部,其中方案2的挠度最大,说明对楼梯底部进行封板,使楼梯踏步板形成箱型闭口截面,可以有效地增加楼梯的刚度;在楼梯休息平台与梯段相连的转折点出存在较大的应力集中,通过考虑材料非线性,对楼梯进行非线性分析,可知此处的应力集中现象对楼梯强度影响较小;对于应力集中的区域,可以对此处钢箱梁进行加厚处理由16 mm厚增加至20 mm厚。舒适度研究的重点在于控制动荷载下结构加速度,由于在自振频率满足要求的情况下依然会出现加速度响应过大的情况,因此对于复杂结构舒适度问题应采用时程分析,结合它们在稳定状态时的加速度进行综合评定。对4种方案的设计结果进行比较,在受力方式、整体美观程度、施工方便程度、楼梯造价等方面进行综合考虑,确定箱式踏步楼梯作为最终设计方案。
相较于混凝土楼梯,钢结构旋转楼梯具有其质量轻、跨度大、承载力高、整体刚度好等特点,因此钢结构楼梯安装便捷、成本较低,在各种商业和办公类建筑中得到广泛运用。但国内现有规范图集中并没有对一些跨度较大且形状不规则的楼梯的设计方法进行规定。针对济南某商务中心下沉广场处的钢结构旋转楼梯设计中因楼梯形状不规则、跨度大所产生的复杂计算问题,提出箱梁式、梁式、图集板式和箱式踏步4种不同的结构设计方案,采用有限元分析软件SAP 2000建立钢旋转楼梯的整体模型,分别对4种方案进行了静力分析、模态分析,并对旋转楼梯构件进行了截面设计,同时采用3种不同的人行激励荷载工况进行了舒适度分析。从结构刚度、构件强度、楼梯整体舒适度等方面对4种方案进行比较,研究同一形状下不同结构形式的楼梯的受力特性,得出各个结构设计方案的优缺点,并确定最终设计方案。分析结果表明:4种方案在变形、强度和舒适度方面均能满足设计要求;4种方案的最大位移均发生在旋转楼梯中部,其中方案2的挠度最大,说明对楼梯底部进行封板,使楼梯踏步板形成箱型闭口截面,可以有效地增加楼梯的刚度;在楼梯休息平台与梯段相连的转折点出存在较大的应力集中,通过考虑材料非线性,对楼梯进行非线性分析,可知此处的应力集中现象对楼梯强度影响较小;对于应力集中的区域,可以对此处钢箱梁进行加厚处理由16 mm厚增加至20 mm厚。舒适度研究的重点在于控制动荷载下结构加速度,由于在自振频率满足要求的情况下依然会出现加速度响应过大的情况,因此对于复杂结构舒适度问题应采用时程分析,结合它们在稳定状态时的加速度进行综合评定。对4种方案的设计结果进行比较,在受力方式、整体美观程度、施工方便程度、楼梯造价等方面进行综合考虑,确定箱式踏步楼梯作为最终设计方案。
2023, 38(8): 42-45.
doi: 10.13206/j.gjgS23080120
摘要:
介绍了结构分层次的概念,即低一级结构的荷载-位移关系是上一级结构的本构关系。在平板网架中,压杆的压力-两端压缩位移的关系是网架简化为双向受弯板时受压区的本构关系。其中,压杆破坏具有脆性性质,类似于楼板中的混凝土,而网架下弦拉杆类似于楼板的受拉钢筋。对脆性破坏,可靠度指标是3.7,高于延性破坏的3.2,这要求对钢压杆应引入额外的抗力分项系数。为了避免脆性破坏,抗震设计中引入了能力设计法,通过强节点系数或强柱系数来实现,这也要求网架压杆引入强压杆系数,为此给出了强压杆系数取值建议。
介绍了结构分层次的概念,即低一级结构的荷载-位移关系是上一级结构的本构关系。在平板网架中,压杆的压力-两端压缩位移的关系是网架简化为双向受弯板时受压区的本构关系。其中,压杆破坏具有脆性性质,类似于楼板中的混凝土,而网架下弦拉杆类似于楼板的受拉钢筋。对脆性破坏,可靠度指标是3.7,高于延性破坏的3.2,这要求对钢压杆应引入额外的抗力分项系数。为了避免脆性破坏,抗震设计中引入了能力设计法,通过强节点系数或强柱系数来实现,这也要求网架压杆引入强压杆系数,为此给出了强压杆系数取值建议。
