双矩管装配式防屈曲支撑设计理论研究

装配式防屈曲支撑的外围约束构件主要通过高强螺栓连接。由于连系螺栓布置呈一定离散性,因此需要对各外围约束构件形成的整体约束刚度进行一定程度的折减;此外,螺栓的离散布置使得螺栓间外围分肢构件的局部受力影响更为突出,此二者均应在装配式防屈曲支撑设计方法中予以考虑。为此,该文首先对传统铰接防屈曲支撑设计理论进行介绍,而后对双矩管装配式防屈曲支撑约束刚度折减系数的求解思路及方法进行论述,最后结合装配式防屈曲支撑所特有的受力特点,考虑多波变形时挤压力的局部影响,提出了一整套适用于双矩管装配式防屈曲支撑的设计方法,并采用数值分析验证了2个支撑设计算例的可靠性。在理论推导中考虑了内外核之间的间隙、铰接接头长度、内核外伸段长度、外围构件长度、强度、刚度及初始缺陷、螺栓尺寸及布置等诸多设计参数的影响。     

一种四角钢组合约束型防屈曲支撑外围连接的设计方法研究:数值分析

与传统外围整体式防屈曲支撑不同的是, 装配式组合防屈曲支撑的外围构件由多个组件通过连接件拼装而成, 故外围连接的设计方法是此类防屈曲支撑构件设计理论的重要组成部分。针对一种四角钢组合约束型防屈曲支撑, 已有适用于单向弯曲状态的外围连接螺栓内力的简化计算方法。但上述方法的适用性尚需经过精细有限元数值分析加以验证, 并需进行适当修正, 使其具有足够的计算精度, 这是该文进行的研究工作之一。另外, 由于内核构件与外围构件之间间隙的存在, 防屈曲支撑构件更为常见的变形模式表现为双向弯曲变形, 所以该文还将在单向弯曲状态所得到的螺栓内力计算公式的基础上进行进一步的组合, 得到双向弯曲状态下的螺栓内力计算公式。该文最终给出了适用于四角钢组合约束型防屈曲支撑的外围螺栓连接的完整设计方法。     

一种四角钢组合约束型防屈曲支撑的外围约束比取值研究

与传统的外围整体式防屈曲支撑相比,装配式组合防屈曲支撑由于具有独特的构造特点,故其设计理论更具复杂性。该文针对一种四角钢组合约束型防屈曲支撑,基于对其内核构件与外围约束构件之间相互作用机制的深入认识,提出了其稳定性设计方法。首先,针对这种四角钢组合约束型防屈曲支撑,基于连续连杆法提出了一种外围约束刚度的简化计算方法。然后,在构件发生单向变形的假定条件下,通过对外围约束构件受力状态的分析,推导出其约束比设计计算公式。在此基础上,再考虑构件发生双向变形的情况,考虑次弯曲方向变形对外围约束构件受力所带来的影响,进一步补充完善了约束比设计计算理论。通过该文提出的约束比限值进行此类装配式组合防屈曲支撑的设计,可保证外围约束构件的整体稳定性与局部稳定性均能满足要求。     

双矩管装配式防屈曲支撑约束刚度取值研究

装配式防屈曲支撑的外围约束构件之间通过高强螺栓连接,其连系螺栓的离散性布置对各外围约束构件形成的整体约束刚度有不利的影响,需要在外围构件约束刚度计算中考虑。该文对一种双矩管装配式防屈曲支撑的外围约束刚度取值进行了研究,在理论推导中首先假定外围约束构件为“空腹桁架模型”来考虑离散螺栓连接,而后运用“连续连杆法”将螺栓的离散作用连续化以便于考虑这种不利作用。通过研究“空腹桁架模型”的变形特性考虑外围约束构件约束刚度的折减,最后结合对外围构件受力机理的分析及数值手段,推导并拟合出约束构件分肢间连系刚度,进而完善了外围约束刚度取值的相关理论。提出的方法也得到了数值分析的验证。     

一种四角钢组合约束型防屈曲支撑外围连接的设计方法研究:理论推导

在四角钢组合约束型防屈曲支撑中,螺栓是连系外围各个约束角钢的关键元件,在支撑发生侧向弯曲变形时承受拉力、剪力的共同作用。该文对单向弯曲变形状态下的外围螺栓内力计算方法展开了研究。首先介绍了内核构件与外围构件之间侧向挤压力的计算方法。然后,将该侧向挤压力分解为对称受力状态与反对称受力状态,螺栓在这两种受力状态中分别起到防止外围约束角钢发生分离的作用以及保持各角钢变形协调、共同抗弯的作用。基于这两种受力状态,考虑螺栓连接附近角钢板件局部变形所产生的撬力作用,经理论推导分别给出了螺栓内力的简化计算公式。再考虑螺栓内力的生成机制,对这两种受力状态分别计算得到的螺栓内力进行组合,得到了实际受力状态中螺栓内力的计算公式。最后,还介绍螺栓间距对螺栓内力的影响。     

防屈曲支撑的型式、设计理论与应用研究进展

该文综述了防屈曲支撑构件自发明以来40年的发展历程,可以看出防屈曲支撑逐步向轻型化、高承载和复杂功能方向的发展趋势。特别介绍了新近发展的全钢装配式、梭形、内核分离式、多肢格构式及桁架（索桁架与刚性桁架）约束型防屈曲支撑的型式和组成、受力机理和破坏模式、弹性屈曲荷载、单调轴压下的承载力、反复拉压荷载作用下的滞回和低周疲劳性能、试验研究成果等,重点关注防屈曲支撑的外围约束刚度、约束比门槛值、外围连接强度以及端部构造等设计理论的研究成果。综述了国内外相关规范对防屈曲支撑设计的相关规定,介绍并讨论了基于约束比和基于正则化长细比的两种设计方法。     

屈曲约束支撑端部塑性扭转屈曲试验研究

屈曲约束支撑是一种利用金属屈服滞回耗能的装置,具有性能稳定、制作方便、成本低廉等优点。该文通过三根部分焊接屈曲约束支撑试件的低周疲劳试验,探讨了其核心板端部无约束段扭转屈曲的失效模式,并进一步与理论公式进行对比。试验结果表明:屈曲约束支撑核心板端部无约束段的塑性扭转屈曲会导致屈曲约束支撑失效,需要在设计时特别关注;屈曲约束支撑构件的轴向变形对试件的扭转屈曲失效影响显著,轴向变形越大,塑性屈曲临界应力越低,同时施加的实际轴向应力越大;理论公式能够较好的预测屈曲约束支撑端部无约束屈服段的扭转屈曲失效。     

分离式防屈曲支撑及其弹性屈曲荷载的Ritz解

针对传统防屈曲支撑自重较大、加工运输安装不便等问题,该文提出几种新型的分离式防屈曲支撑构件,其由两个传统的单内核防屈曲支撑构件作为分肢,通过连续的钢腹板连成整体。分离式截面可增大防屈曲支撑的整体抗弯刚度,最大效率地提高支撑的承载效率,因此特别适合大吨位防屈曲支撑构件的设计。在此基础上,利用能量法中的Ritz法推导了两端铰接的分离式防屈曲支撑的弹性屈曲荷载计算公式,可直接用于计算防屈曲支撑设计中的重要参数即约束比,并用有限元弹性屈曲分析进行了验证。该文研究为这几种新型防屈曲支撑的弹塑性性能和设计方法等后续研究提供了基础。     

T型内芯防屈曲支撑的拟静力滞回性能试验研究

提出了一种内芯与约束构件均为型钢的全钢装配式防屈曲支撑,该支撑具有全装配、内芯可更换、工艺简单、造价低廉和可用于既有构件加固等优点。钢内芯由2个角钢与加劲板组成T型截面,外约束构件由角钢和盖板通过螺栓连接形成。对6个该支撑试件进行拟静力试验,讨论其滞回性能、抗震性能及破坏机理,并分析内芯上设置填板、内芯与约束构件的间隙、内芯双角钢之间的间距以及限位方式对滞回性能的影响。结果表明,该支撑的实际性能与设计性能基本一致,具有稳定的滞回性能;在支撑中间设置填板对支撑的滞回性能基本没有影响;内芯与约束构件的间隙及内芯双角钢之间的间距过大会降低支撑的滞回性能;采用中部限位方式的支撑滞回性能优于端部限位方式。对试件的抗震性能分析表明,该支撑具有较好的延性和累积塑性变形能力,可作为阻尼器应用于结构中。通过分析破坏模式发现,加劲板末端的焊缝应力集中会造成支撑的断裂位置由屈服段转移至止焊处;设置中部限位卡可以减小摩擦力的不利影响。     

消能限位防屈曲支撑拟静力试验研究

提出了一种具有限位功能的新型防屈曲支撑(LBRB),该支撑在普通防屈曲支撑上设置限位装置,实现小变形时正常发挥防屈曲支撑的耗能作用,大变形时防屈曲支撑的外约束体提供附加刚度,限制变形的进一步发展。通过6个LBRB构件的拟静力试验,研究限位距离、工作段截面积、工作段长度、钢芯与夹持钢管之间间隙等因素对滞回性能的影响,结果表明:构造合理的LBRB构件具有良好的耗能能力并能在大变形时提供附加刚度。     

全长粘结式锚杆与隧道围岩相互作用研究

提出了一种新的锚杆计算模型,建立了对应的物理、几何和平衡方程,在此基础之上分析了接触面产生滑移时锚杆的内力分布。该模型体现了锚杆与均质围岩之间的力学作用本质,将锚杆内力描述为围岩位移的函数,与有限元法结合,可以求得复杂情况下的锚杆内力分布,而锚杆对围岩的作用等效于一组节点荷载施加到围岩节点上。实例计算表明,锚杆可以减少围岩位移和塑性区范围,其内力分布和中性点位置受锚杆长度、埋设位置、围岩状况、粘结强度等因素的影响。该模型为确定合理的锚杆支护参数提供了一种新途径。     

螺纹摩擦对螺栓轴向力-伸长量特征曲线的影响

基于超声波技术,通过对螺栓进行拉伸试验,研究了不同外载下螺栓轴向力-伸长量特征曲线的差异,分析了螺纹摩擦对螺栓轴向力-伸长量特征曲线的影响.结果表明:螺栓的单向拉伸与扭转拉伸因受到的载荷方向不同而导致其屈服点不同;螺栓前期拧紧标定过程中螺纹摩擦对螺栓轴向力有很大影响,会影响后续子系统螺栓夹紧力的大小;不同的螺纹摩擦状态...     

Capacity analysis,investigations and retrofitting of a long span steel grid hangar

In this study, a reticulated long space steel hangar that does not meet the allowable maximum deflection limits was investigated. The purpose was to assess, test and reinforce the structure so as to improve its capacity and prevent excessive deformation. Upon site investigations, some members had corroded, bolts are partially tightened onto node ball, mechanical air duct are suspended on the members rather than on joints. The support joint previously designed as a flexible joint translating in the y-dir is partially fixed, and some members experienced bending near support joint. The configuration of crane load path, assumptions of column stiffness effects and errors in designing and construction of joint support configuration contributed to an increment in deflection, internal member forces and bending/rotation on members near to support joints. The structure was incrementally loaded at specified points on the grid to test and evaluate deformation and its loading capacity, and an extensive analysis was carried out before and after retrofitting. Apart from servicing the hangar, other recommended strategies are retrofitting mechanism of welding new steel tubes to existing ones and reinforcing the bolt joints was agreed upon since the hangar was observed to be elastic. The hangar member loading capacity was observed to have improved significantly after the retrofitting. This study urges the stakeholders to be keen on discussed items and on roof erection process. A schedule for monitoring the behavior of the hangar is underway.     

Evaluation of the Clamping Force of Bolted Joints Using Local Mode Characteristics of a Bolt Head

It is important to determine and control the clamping force of a bolted joint. Due to its simple setup, the torque control method is typically used to control the clamping force when tightening bolts. After tightening, hammer tests, ultrasonic techniques and methods employing sheet materials as sensors are often used. Many methods have been proposed, but using them to determine and control the clamping force during or after tightening bolts is labor intensive or expensive. Here we conduct impact tests with an impulse hammer combined with experimental modal analysis to determine the clamping force by interpreting the change in the local mode frequency of a bolt head in the high frequency region as a function of the clamping force. To demonstrate the applicability of our method, we also investigate its limits with regard to bolt sizes.