榫卯式满堂支撑体系承载力试验及非线性后屈曲分析

简要介绍了新型榫卯式满堂支撑体系,实施了11个高度超过8 m足尺原型试验。定量地分析了立杆间距、横杆步距在有无剪刀撑的情况下对支撑体系极限承载力影响规律及竖向剪刀撑对支撑体系的极限承载力的影响。基于试验结果建立了包括节点半刚性、节点刚性的两种相对精细化的有限元分析模型并进行了考虑初始缺陷的非线性后屈曲分析。与试验结果进行比较,得出半刚性模型的有效性及节点刚性模型相对于工程实践偏于不安全的结论。在有限元分析中发现节点半刚性和节点刚性模型的荷载随位移变化规律截然不同,得出此种变化规律能够更好地反映结构的刚度特性和失效模式的结论。     

考虑节点半刚性与二阶效应的高大模板支撑体系分析模型

综合考虑节点半刚性与二阶效应的影响,建立了高大模板支撑体系的分析模型。首先推导了考虑节点半刚性连接特性与二阶效应的水平杆单元的刚度矩阵,然后推导了考虑二阶效应的立杆单元的刚度矩阵,在此基础上建立了高大模板支撑体系的分析模型,进而定量分析了节点半刚性与二阶效应对高大模板支撑体系的内力与位移的影响规律。分析结果表明,与一阶弹性分析相比,节点半刚性连接特性对高大模板支撑体系的二阶弹性分析结果影响显著;二阶效应对高大模板支撑体系的剪力和弯矩影响显著,甚至导致部分构件的剪力和弯矩变号;节点半刚性连接特性和二阶效应的耦合作用,对高大模板支撑体系的内力(特别是剪力和弯矩)和位移分布具有显著影响。     

半刚性节点取值对高大模板支撑体系极限承载能力的影响

随着经济的发展,扣件式模板支架应用的越来越广泛。然而由于施工缺陷扣件式模板支架的直角扣件达不到进一步相应规范要求,由此引发的安全事故越来越严重。直角扣件是介于刚接和铰接的半刚性节点,资料表明半刚性节点的取值对其极限承载力有一定的影响。文中运用特征值屈曲分析,结合数值分析方法,进一步探究与极限承载力的关系。研究表明,拧紧力矩较小时,初始转动刚度值的变化对承载力影响非常显著,性扣件式模板支撑体系的极限承载力值随半刚性值的增大呈非线性增大。     

脚手架稳定承载力影响因素的有限元分析

采用ANSYS软件对扣件式钢管模板支架进行了有限元模拟,分析了考虑扣件式节点为刚接节点、铰接节点和半刚性节点对模板支架特征值屈曲承载力的影响;并分析了立杆步距、立杆间距、剪刀撑等因素对支架特征值承载力的影响。     

碗扣式模板支撑体系节点半刚性研究

碗扣式模板支撑体系中上碗扣的拧紧程度对节点初始刚度有较大影响,而节点初始刚度大小又决定架体稳定承载力的大小。使用MATLAB应用程序对两者之间进行二阶及三阶数值拟合,发现三阶拟合结果的精确度要高于二阶拟合结果,并给出三阶拟合表达式。应用ANSYS有限元软件建立与实体相对应的模型,模拟节点在铰接、刚接以及不同初始刚度情况下支撑体系稳定承载力的变化情况,并将模拟结果与实际架体稳定承载力进行对比。发现节点为铰接和刚接连接状态时的模拟结果与实际架体相差较大。当节点拧紧力矩在35 N.m~50 N.m（节点初始刚度在39.25 kN./rad~54.07 kN./rad）之间的节点半刚性模型模拟结果与实际架体承载力较为接近。     

碗扣模板支撑架稳定性有限元分析

为减少模板支撑系统坍塌失稳事故,利用有限元软件对支撑架进行屈曲分析,研究碗扣式模板支撑架极限承载能力。建立线性半刚性节点模型,同时考虑立杆与水平杆连接节点的竖向及水平向转动刚度。并将有限元计算结果与试验结果进行对比,验证了有限元模型的可靠性。利用校核的有限元模型研究了悬臂长度、可调拖撑螺纹直径、钢管规格、连接节点刚度对碗扣支撑架极限承载力的影响。     

方钢管混凝土柱-钢梁半刚性节点参数分析

为了研究方钢管混凝土柱 钢梁半刚性节点的力学性能和影响因素,以方钢管混凝土柱 钢梁半刚性节点为研究对象,采用数值模拟分析方法研究了节点角钢厚度、角钢短肢长肢比及螺栓直径等参数对该类节点受力性能的影响规律,并给出了节点初始转动刚度的建议公式。结果表明:角钢厚度的变化对节点初始刚度影响较小,但对节点的塑性刚度和承载力影响较大;角钢短肢长肢比在一定范围内对节点刚度和承载力影响较明显,超过范围后只对节点的承载力有较大影响;螺栓直径的变化对节点承载力和刚度有一定影响,但影响程度较小,可不作为主要的影响参数。     

高大模板支撑系统数值模拟分析研究

结合工程实际,依据高大模板支撑体系方案中的搭设要求,建立了与实际相符的三维结构模型,并通过对整体结构的受力分析和稳定性分析,得出该模板支撑体系的应力分布、变形特征和失稳形态;同时,将不同节点转动刚度的模型进行对比,分析节点刚度对结构受力和稳定性的影响。研究成果可为类似的高大模板支撑系统方案的编制及实施提供理论依据。     

基于三点转动约束单杆稳定理论的扣件式钢管满堂支撑架承载力研究

在对直角扣件转动刚度试验研究的基础上,考虑直角扣件的半刚性性质,对大量不同搭设参数下的满堂支撑架进行考虑初始缺陷的非线性有限元分析,得到无、有剪刀撑设置的满堂支撑架的理论承载力及失稳模态。通过13个满堂支撑架的原型试验,对其实际受力性能进行研究。有限元结果与试验结果吻合较好,证明了有限元模型建立的正确性。在有限元分析及试验研究的基础上,基于设置剪刀撑后发生失稳时波长为两倍步距的极限状态,提出计算满堂支撑架承载力的简化计算模型,此种模型考虑了直角扣件半刚性性质及水平杆对立杆稳定性的影响,更加符合实际。     

扣件式钢管高大支模架关键构造措施的分析研究

为充分把握扣件式钢管高大支模架的关键构造措施,对影响扣件式钢管模板支撑结构稳定承载力的关键构造条件进行了整架计算分析,明确了扫地杆、竖向剪刀撑、水平剪刀撑设置以及核心区域加强的构造措施对扣件式钢管高大模板支撑结构稳定承载力的影响程度。结果显示,不设置扫地杆高支模架结构非线性屈曲承载力比设置扫地杆减小约70%左右;竖向剪刀撑的设置可改变支撑结构的失稳模式,并对结构稳定承载力有大的影响;设置水平剪刀撑可以提高稳定承载力约7%~10%;设置加强核心区域可提高支撑结构稳定承载力25%~35%。结论指出,为了保证支撑结构的安全性,有必要明确整架关键构造措施的具体要求。     

扣件式钢管满堂脚手架ANSYS受力性能分析

通过对扣件式钢管满堂脚手架在不同剪刀撑搭设方案、不同扫地杆布设方案、考虑初始缺陷、节点刚度变化、钢管壁厚变化等情况进行ANSYS有限元分析,计算其对脚手架稳定承载力的影响.结果表明,与水平剪刀撑相比,竖向剪刀撑尤其重要;如果不搭设扫地杆或只搭设一个方向,承载力会严重下降,因此为保证扣件式钢管满堂脚手架稳定性,尽量搭设纵横向扫地杆.     

扣件式钢管模板支架稳定性试验研究

为研究扣件式钢管模板支架的力学性能,对模板支架空间结构体系进行一系列足尺试验研究,得到不同工况下模板支架的极限承载力、破坏模式及顶层节点的荷载-位移曲线。可以看出:5个工况中,工况1因未设置剪刀撑而使其承载力最小;由于步距的减小,工况4的稳定承载力较工况3提高13.8%;而横距的减小,使工况5的稳定承载力较工况4提高3%;模板支架的失稳属整体失稳,剪刀撑的布置对其失稳模式有着重要的影响,在后续的研究中,尚需确定模板支架的标准构造,然后对其开展一系列的试验和理论研究;模板支架属于钢结构范畴,建议在设计计算时,采用有侧移框架理论并考虑节点的半刚性对其进行设计计算。     

木网壳结构半刚性装配式植筋节点受力性能研究

为研究新型装配式植筋木网壳节点的受力性能,设计并制作了两种不同截面形式的6组共计18个试件,开展偏心距分别为0、50 mm和100 mm的偏压性能试验,分析偏心距、轴向压力以及截面形式对节点半刚性特性的影响。结果表明:节点处发生核心区钢扣板局部屈曲、植筋屈服以及木材压裂等3种典型的破坏模式;偏心距大小对节点的破坏模式有影响,且与节点的初始转动刚度成反比;相同偏心距下,矩形截面试件节点的受弯承载力大于方形截面试件,但其转动延性不如后者;偏心距越小,轴力对节点初始转动刚度的增大效果越明显,初始转动刚度越大。根据试验得到的节点弯距-转角曲线,引入初始刚度系数、压力影响系数以及曲率形状系数,利用幂函数改进模型拟合得到了节点的半刚性弯矩-转角模型。对一单层半刚性节点球面木网壳进行整体荷载-位移全过程分析,发现其承载力远大于节点按铰接考虑的情况,且其跨中荷载-位移的全过程曲线发展趋势更加接近于节点刚接的网壳,整个结构具有良好的承载能力及延性。     

节点轴向刚度对圆柱面巨型网格结构静力性能的影响研究

分别利用弹簧单元和大面积梁单元模拟节点轴向刚度和节点域,建立轴向半刚性节点结构的数值分析模型,考虑几何非线性和初始缺陷的影响,进行承载全过程跟踪分析,研究节点轴向刚度对结构静力稳定性、内力和位移的影响。结果表明:轴向刚度对结构影响较大,随着轴向刚度增大,稳定承载力随之增大,杆件内力分布趋于均匀,结构位移减小。进而研究了常用焊接球轴向半刚性节点结构的静力性能。结果显示:考虑实际节点轴向刚度后,稳定极限承载力比节点轴向刚性最大降低30.4%,最大挠度增大16.9%,可见节点刚接或是铰接则过高估计了结构的性能,但经计算发现轴向半刚性节点结构仍然满足设计要求。     

混凝土翼板外伸锚固对梁柱端板连接半刚性组合边节点初始转动刚度影响的模型研究

为了研究混凝土翼板外伸锚固对梁柱端板连接半刚性组合边节点初始转动刚度的影响,运用组件法和弹塑性理论提出了混凝土翼板外伸锚固对梁柱端板连接半刚性组合边节点初始转动刚度影响的计算公式,通过与试验结果对比表明:计算值与试验值吻合较好。因此,该计算公式可用于梁柱端板连接半刚性组合边节点刚性的判断和参数研究。     

扣件式钢管模板支架剪刀撑研究

剪刀撑为扣件式钢管模板支架体系中一个重要的构造因素.以5个整架试验为基础,根据现场模板支架的实际构造,建立了扣件式钢管模板支架三维有限元模型,采用线性屈曲和非线性屈曲分析方法计算支模架稳定承载力,对两种分析结果进行对比,讨论了水平和竖直剪刀撑对稳定承载力的影响.分析发现剪刀撑仅在失稳瞬间具有较大应力而在正常使用情况下受力很小,但其对整架稳定承载力的影响十分明显,尤其是对底层和顶层水平剪刀撑的影响尤为显著,试验与模拟结果具有较好的一致性.给出了水平和竖直剪刀撑的安全间距.     

扣件式模板支架立杆的计算长度系数取值研究

针对模板支架扣件连接节点的半刚性特点,对直角扣件抗扭刚度进行试验研究,得到初始扭转刚度Rk与直角扣件螺栓拧紧力矩T的关系式和在螺栓拧紧力矩T=40 N.m时,模板支架节点M-θ的二参数对数非线性模型。提出模板支架计算长度系数应考虑节点半刚性并基于有侧移框架理论进行计算,将得到的结果与整架稳定承载力试验得到的计算长度系数相对比,得出考虑节点半刚性按照有侧移框架理论对模板支架进行设计是安全合理的,为相关规范(规程)的制定打下良好的理论基础。     

考虑蒙皮和节点刚度的铝合金网壳稳定性

为明确蒙皮效应和节点半刚性对铝合金单层球面网壳静力稳定性的影响,运用有限元软件建立了一个125 m跨度的结构模型。首先通过数值模拟确定了初始缺陷和材料非线性对网壳稳定性能的影响,并在此基础上考虑蒙皮效应和节点半刚性进行对比分析。分析结果表明:蒙皮效应可以显著提高铝合金单层网壳静力稳定承载力,并改变结构屈曲模态,考虑节点半刚性会大幅降低网壳极限承载力,当同时考虑蒙皮和节点刚度时,该网壳稳定性能基本不变。     

扣件式高大模板支撑体系稳定承载力折减系数的分析与研究

以前人对扣件式钢管脚手架及模板支架的研究为基础,通过现场调研并借助有限元分析软件建立模型,深入分析扣件式高大模板支撑体系的纵距、横距、步距、扫地杆高度、竖直杆伸出顶端长度、水平加强层数量等构造因素对其稳定承载力的影响,并在此基础上建立了扣件式高支模稳定承载力与各因素之间的关系式。在同时考虑各因素的几何尺寸变异性以及初始缺陷随机性的情况下,推导出扣件式高大模板支撑体系稳定承载力的折减系数,进而得到实际承载力的计算公式,为扣件式高大模板支撑体系的方案设计与安全分析提供可靠的依据。     

带悬臂梁段连接的梁柱节点初始转动刚度研究

对带悬臂梁段拼接连接和栓焊连接的两类节点进行理论计算、试验研究和数值分析,研究节点域和拼接区两部分的受力性能,探讨带悬臂梁段连接的梁柱节点的刚度及其初始转动刚度计算模型。基于相关性对带悬臂梁段连接节点进行不确定性结构灵敏度分析,构建只含几何参数的节点初始转动刚度计算模型。分析表明,两类连接节点和全焊接连接节点具有一定半刚性;在拼接区具有足够连接强度时,带悬臂梁段连接节点与全焊连接节点的弹性阶段初始转动刚度表现出较好的一致性,弹塑性阶段力学性能也相近;从计算模型中可以直接看出各参数对初始转动刚度的敏感程度。通过计算实例表明,对钢框架进行设计时,按半刚性设计比考虑节点域剪切变形的刚性设计偏于安全;依据提出的节点初始转动刚度计算模型进行带悬臂梁段连接的钢框架半刚性设计较为准确。