新型钢框架梁柱节点滞回性能试验研究及有限元分析

通过模型节点滞回试验研究和有限元分析,探讨了一种新型钢框架梁柱耗能节点的力学性能和耗能能力。该节点是利用螺杆对角钢节点进行改善的半刚性节点,并基于控制结构损伤仅限于角钢和螺杆进行设计。6个模型节点的对比实验研究表明,试验节点因角钢塑性损伤、裂缝扩展和螺杆屈曲及疲劳断裂而出现性能退化。螺杆连接的节点转动能力和破坏模式取决于螺杆的抗疲劳断裂能力,采用良好延性螺杆的节点具有更好的耗能能力。节点有限元模型可以较好地模拟试验节点在出现明显强度退化或螺杆断裂前的滞回性能和变形模式,验证了角钢垂直度偏差引起的预应力刚化效应、角钢塑性区分布和螺杆屈曲引起的节点性能退化。最后,分析了这种新型梁柱耗能节点的优缺点,并提出了进一步改进节点和深入研究的建议。     

爆炸荷载作用下钢框架柱冲击响应与破坏模式的数值模拟

目的运用非线性显示动力学有限元方法分析计算爆炸冲击荷载作用下钢框架柱的冲击响应和破坏模式．方法基于有限元分析程序ANSYS／LS—DYNA建立三维有限元模型,分析钢框架柱在3种爆炸荷载作用下可能发生的破坏模式特征及其影响因素．结果壳单元shell163考虑了局部屈曲效应和剪切应变的影响,可以有效模拟在爆炸荷载作用下钢框架柱的冲击响应和破坏模式．在荷载峰值相同的情况下,荷载持续时间越长,结构的变形越大;荷载冲量相同时,爆炸荷载峰值压力越高,结构的破坏程度越严重．结论钢框架柱的破坏模式与爆炸荷载的作用特征有关：在冲量荷载作用下,钢框架柱倾向发生柱脚剪切破坏和柱中翼缘屈曲破坏;在动力荷载作用下,钢框架柱则倾向发生柱脚剪切破坏;在准静态荷载作用下易发生整体弯曲屈曲破坏．     

H型钢部分包裹混凝土组合短柱偏心受力性能研究

对6根焊接普通H型钢部分包裹混凝土组合短柱进行了偏心受压试验的研究,主要考虑含钢率、翼缘宽厚比等因素.试验结果表明,钢与混凝土能够很好地协同工作,达到最大荷载前,翼缘没有发生局部屈曲.这种组合结构柱最终的破坏模式为混凝土压碎,横向系杆间翼缘发生局部屈曲.     

随机点蚀钢框架节点力学性能分析

为研究随机点蚀损伤对钢框架节点力学性能的影响,以损伤体积参数定义节点破坏程度,通过ANSYS建立8个不同损伤程度的钢框架节点试件模型,分别进行梁端单调力和位移循环加载模拟,研究随机点蚀损伤对节点承载力、刚度退化及耗能能力等力学性能指标的影响。结果表明：随着损伤体积的增加,节点屈服荷载、屈服位移及极限荷载均呈现出线性下降趋势,当节点域点蚀蚀穿后,极限荷载较无损试件降低27.95%。位移循环加载下,节点域产生沿对角线方向的屈曲变形,当节点域点蚀蚀穿后,相同位移幅值下,试件耗能量降低最高达25.83%,节点滞回性能严重削弱,且刚度退化明显。     

墙板内置无黏结支撑钢框架滞回性能数值模拟

为深入研究梁柱节点形式、加强方式等对墙板内置无黏结支撑钢框架结构滞回性能的影响,对3个结构试验进行了数值模拟。基于墙板内置支撑构件滞回性能的试验研究,确定出了体现往复作用下支撑钢材强化特性的参数取值.总体上,数值分析得到的结构滞回曲线、构件的屈服或局部屈曲机制等均与试验结果较一致,试验和模拟中支撑分别在层间侧移角约1/463~1/350和1/416~1/305范围内发生屈服,框架在1/50层间侧移角之前塑性发展较少,结构的延性和耗能能力良好,实现了结构1/50侧移角内主要利用支撑屈服耗能的设计意图.1/30侧移角内,框架承载力出现退化前,梁柱刚接结构的骨架曲线呈三折线,可分别由支撑和框架的两折线骨架曲线叠加得到;梁柱铰接的结构在破坏前骨架曲线呈双折线,框架塑性发展甚少.梁端补贴钢板加强后梁端塑性区外移,确保了梁柱刚接节点的强度和框架稳定耗能.人字形支撑铰接框架中一根支撑较早局部破坏后被撑梁大幅弯曲屈服,整个结构的抗侧承载力未出现退化.给出了采用梁、杆单元简化模拟墙板内置支撑钢框架结构滞回性能的方法.     

型钢混凝土梁式转换节点抗震性能研究

通过对连续型钢混凝土梁式转换层结构模型的两种加载方式下的拟静力试验,对比分析了型钢混凝土转换节点与柱不带轴压力型钢混凝土框架节点的抗震特性,得到了不同于普通框架节点的转换节点的破坏机制、耗能能力、强度退化等.分析得出节点型钢腹板的剪应力方程,利用试验数据可求得腹板上测点的应力值.为了与试验结果相互验证,建立有限元模型,进一步对比分析证明了转换节点在地震力下的受力特性符合节点斜压杆机理.     

冷弯薄壁C型钢框架体系抗震性能研究

对冷弯薄壁C型钢框架进行试验研究,共设计3榀框架,梁柱皆采用C型钢作为主要承重构件,截面形式为双肢C型钢背靠背,双肢C型钢由节点板和高强螺栓连接而成.试验主要研究螺栓间距和轴压比两因素对整体框架抗震性能的影响,得到框架在低周反复循环荷载下的滞回曲线、骨架曲线与应变分布情况,对框架的破坏机理、承载力退化、刚度退化、延性以及耗能性能进行研究,并分析各参数变化对试件抗震性能的影响.结果表明:试件的破坏形式均为平面内失稳,两侧梁端及柱脚腹板位置出现局部失稳.螺栓间距对承载力退化影响较大,而轴压比是影响刚度退化的主要因素,框架的延性系数、耗能性能高于一般混凝土结构和其他轻钢结构.     

薄壁钢混凝土组合结构节点非线性有限元分析

在已有的薄壁钢—混凝土组合结构节点试验研究的基础上,研究了薄壁钢—混凝土组合结构节点的非线性力学性能.基于材料非线性及几何非线性,应用ANSYS有限元软件建立有限元模型并模拟了薄壁钢—混凝土组合结构节点受力过程,计算结果得到了试验结果的验证.对薄壁钢—混凝土组合结构节点进行了参数分析,得到了影响节点极限弯矩的主要因素,所得结果可为相关理论分析及工程应用提供借鉴和参考.     

部分包裹混凝土复合柱的轴心受压性能

通过9个部分包裹混凝土组合短柱轴心受压性能的试验,对这种组合短柱的破坏模式和影响其极限承载力的因素进行了研究.试验设计分别考虑了含钢率、钢系杆间距对构件性能的影响.试件截面尺寸为200 mm×200 mm,长度均为800 mm,钢系杆直径取为10 mm.研究结果表明,这种组合短柱的破坏模式是翼缘局部屈曲,混凝土被压碎.横向系杆的设置加强了对混凝土的约束,系杆间距越小越能提高柱子的延性,但是在达到极限荷载之前,系杆应力并未达到屈服.基于试验研究结果,建立了轴压短柱承载力计算公式,可以用来预估组合柱的极限承载力.     

内填部分混凝土箱形截面钢桥墩的延性影响参数

为了研究内填部分混凝土箱形截面钢桥墩在恒定竖向荷载与柱顶水平往复荷载作用下的延性性能,建立三维弹塑性有限元模型,通过比较模拟结果与试验结果的水平荷载－水平位移滞回曲线和破坏模态,确定了所采用有限元分析方法的准确性与有效性。以翼缘宽厚比、柱长细比、混凝土填充率和柱轴压比为变化参数,建立56个三维弹塑性有限元分析模型,归纳总结了钢桥墩可能出现的各破坏模态：对于纯钢桥墩,局部屈曲发生在试件底部;对于内填部分混凝土钢桥墩,当混凝土填充率较小时,局部屈曲通常发生在内填混凝土上部钢板处;随着混凝土填充率的增大,局部屈曲出现在试件底部附近。最后分析上述4个参数对钢桥墩极限承载力和延性性能的影响规律。     

悬臂梁段不同拼接方式下延性节点静力性能分析

为了解决装配式钢结构的抗震问题,提出3种适用于模块化装配式钢框架的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点,通过拼接区的滑移或者削弱梁段的塑性变形实现节点良好的延性性能.为减少强震作用对梁柱连接焊缝的破坏,对3种不同的节点提出了各自的抗震设计要求.在对3组试件进行足尺静力试验的基础上,对节点进行了单调加载有限元分析.获得了节点的弯矩-转角曲线以及节点的破坏模式,并和试验结果进行了对比,得到了接触面摩擦力和螺栓拉力的变化规律.通过推导的简化计算公式对节点的初始转动刚度、滑移荷载和屈服荷载进行了计算.结果表明:节点静力加载的破坏模式为靠近拼接区域的悬臂梁下翼缘或者削弱梁段单独或者同时发生较大的局部屈曲变形,节点在破坏前经历了充分的塑性变形,属于延性破坏,3种试件都有良好的延性性能和塑性转动能力.节点简化计算公式得到的结果和试验结果吻合良好.     

超高强度钢材焊接箱形轴心受压柱整体稳定的有限元分析

目的运用有限元方法分析计算超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定受力特性的准确性和可靠性,以及残余应力的影响.方法运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型,准确模拟构件的残余应力和几何初始缺陷,对11个超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱的整体稳定受力特性进行了有限元分析,并与相应的试验结果进行对比.结果有限元计算得到的承载力与试验实测结果的平均误差〈4%,且标准差〈5%.残余应力的2种变化对整体稳定承载力的影响〈3%.结论建立的有限元模型能够准确地分析计算超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定受力特性,为进一步运用该有限元模型对各种截面的超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定受力特性进行分析计算提供了正确性依据.残余应力的变化对超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定承载力的影响较小,可能采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数.     

高性能水泥复合砂浆钢筋网加固震损RC框架节点抗震性能试验研究

对1个对比框架节点和4个HPFL(high performance ferrocement laminates)加固法加固的震损程度不同的钢筋混凝土框架节点进行了拟静力加载试验,同时利用ANSYS进行有限元数值模拟分析,研究了HPFL对不同震损情况下的钢筋混凝土框架节点进行加固后抗震性能的改善情况,如破坏形式、耗能能力...     

格构式钢管混凝土风力发电机塔架的设计指标和参数研究

对格构式钢管混凝土风力发电机塔架进行了非线性有限元静力分析,揭示了其受力全过程、破坏模式及极限承载力,考查了塔架宽高比、腹杆形式、塔柱径厚比以及腹杆与塔柱刚度比对塔架极限承载力和破坏模式的影响规律.有限元分析结果表明：塔架宽高比λ、塔柱径厚比γ及腹杆与塔柱刚度比β对塔架极限承载力和破坏模式的影响较大,腹杆形式对塔架极限承载力和破坏模式影响很小.随着塔架宽高比λ的增加,塔柱径厚比γ的减小,腹杆与塔柱刚度比β的增加,塔架的极限承载力增加,塔架的破坏模式由腹杆屈曲失稳向腹杆屈曲与受拉塔柱屈服联合破坏转变.本文建议：在设计风力发电机塔架时,塔架宽高比λ宜控制在1/9;底层腹杆形式宜采用再分式,以上各层可采用其他形式;塔柱径厚比宜小于30,腹杆与塔柱刚度比β宜小于0.05,以避免塔柱先于腹杆发生破坏.本文分析结果可为工程设计提供依据.     

考虑损伤累积效应的拱形立体桁架结构倒塌分析

以实际工程为背景,通过ABAQUS损伤材料子程序对拱形立体桁架结构进行连续倒塌分析,考虑了杆件失稳的影响,研究了该类结构在强震作用下的倒塌破坏机理和破坏模式。结果表明,强震作用下,拱形立体桁架结构杆件损伤不断累积,刚度逐渐退化,最终失效退出工作。损伤累积效应使杆件应力减小,应变增大,同时节点位移幅值增大。在地震波作用下,中间主桁架柱腹杆最先失效退出工作,随后失效区域沿主桁架平面外方向扩展并由柱脚发展至结构顶部。地震作用结束后,主桁架1/4跨度处腹杆以及部分长细比较大的柱腹杆发生失稳破坏。考虑杆件失稳的影响,将导致部分杆件提前失效,但对整个结构的破坏模式影响不大。     

墙趾可更换组合剪力墙抗震性能试验研究

为研究墙趾可更换组合剪力墙的抗震性能,设计并制作了2片带有可更换墙趾构件的波形钢板–混凝土组合剪力墙试件.采用拟静力试验和ABAQUS有限元软件模拟的方法,分析了内置波形钢板波纹方向对墙趾可更换组合剪力墙抗震性能的影响.试验结果表明:各试件墙趾构件先于主体构件破坏,且在达到极限位移角前其破坏主要集中于可更换墙趾构件;墙...     

墙趾可更换竖波钢板剪力墙抗剪承载力

针对钢板剪力墙在地震作用下墙趾容易出现应力集中,导致剪力墙局部屈曲和脆性破坏的问题,设计墙趾可更换竖波钢板剪力墙,即在剪力墙墙趾塑性区安装耗能阻尼器. 通过拟静力试验将墙趾可更换竖波钢板剪力墙与传统竖波钢板剪力墙的抗震性能进行对比. 研究墙趾可更换竖波钢板剪力墙的破坏模式、滞回性能、延性和耗能能力、强度和刚度退化以及墙趾阻尼器的可更换性. 试验结果表明：与传统竖波钢板剪力墙相比,墙趾阻尼器的安装不仅可以显著提升墙趾可更换竖波钢板剪力墙的抗侧刚度,也能进一步加强其抵抗面外失稳的能力. 利用ABAQUS有限元软件详细讨论墙趾可更换竖波钢板剪力墙波形钢板厚度、波角、阻尼器腹板厚度对抗剪承载力的影响,并给出墙趾可更换竖波钢板剪力墙的抗剪承载力计算公式.