大庆监测塔塔筒结构设计中的特殊问题

因建筑对造型的需要,大直径塔筒在工程设计中的应用日益广泛,而多个大直径塔筒相互连接出现在同一座塔中,更是较少见。大直径塔筒在设计上与常见的构架式塔架不同,如何确保相互相连的塔筒的局部稳定成为其设计的重点,而塔筒分片问题成为设计的难点。本文以大庆监测塔为例,介绍了此种特殊塔的结构设计应注意的构造设计,为今后类似的结构设计提供可参考的依据。     

风电机组中空夹层钢管混凝土塔筒钢板稳定性能研究

为研究风电机组中空夹层钢管混凝土塔筒钢板在轴压荷载作用下的稳定性能,完成了1片中空夹层钢管混凝土塔筒缩尺试件的轴压试验,得到了内、外钢板的局部失稳破坏模式及稳定性能承载能力。采用ABAQUS建立了试件的有限元模型,模拟结果与试验得到的破坏模式和荷载-位移曲线吻合良好在此基础上进一步开展了有限元参数分析,研究了钢板曲率半径、钢板屈服强度、钢板厚度、栓钉竖向间距等参数对中空夹层钢管混凝土塔筒钢板在轴压荷载下峰值强度的影响规律,并对比了参数敏感性以找出关键设计变量,为构件设计方法的研究奠定基础:以期推动基于边缘加劲组合壳体的新型风电混合塔筒在工程中的应用。     

侧边开洞 斜向槽钢加劲钢板剪力墙 结构抗震性能试验研究

为研究开洞形式及槽钢加劲肋对钢板剪力墙抗震性能的影响，对2个1/3缩尺的单跨双层侧边开洞-斜向槽钢加劲钢板剪力墙进行了低周往复荷载试验，得到了双侧开洞 交叉加劲钢板剪力墙和单侧开洞-多道斜向槽钢加劲钢板剪力墙的荷载-位移曲线、破坏特征、骨架曲线等，分析了两种钢板墙的承载能力、延性、退化特性以及耗能能力等性能。通过分析框架梁的受力情况，给出了考虑加劲肋作用的开洞处梁腹板最小厚度计算公式。试验结果表明，两种形式的槽钢加劲钢板剪力墙均有良好的抗震性能。双侧开洞 交叉加劲钢板剪力墙试件的滞回环饱满呈梭形；单侧开洞-多道斜向槽钢加劲钢板剪力墙试件在加载前期滞回曲线有“捏缩”现象，耗能梁段形成后“捏缩”现象消失。槽钢加劲肋能有效限制内填钢板的屈曲变形，加载过程中未发生扭转，避免加劲肋破坏导致加劲效果失效。双侧开洞 交叉加劲钢板剪力墙试件受槽钢加劲肋作用，中梁开洞处梁腹板承受剪力增大约30%。建议在开洞处梁腹板合理布置加劲肋，避免框架梁过早屈服影响整体结构性能的发挥。     

钢板剪力墙抗震性能试验研究

以天津国际金融会议酒店工程为背景对钢板剪力墙的抗震性能进行试验研究。完成了3个4层1∶5缩尺比例的钢板剪力墙试件的拟静力试验。试件主要变化参数包括墙板开洞和中柱设置。试件SPSW-1墙板开洞,试件SPSW-2墙板不开洞,试件SPSW-3带有中柱,且中柱一侧墙板开洞。在钢板剪力墙的墙板上布置了槽形和一字形两种截面形式的加劲肋。试验结果表明：钢板剪力墙结构具有良好的承载力、延性和耗能能力;开洞降低了钢板剪力墙结构的刚度和承载力;中柱提高了钢板剪力墙结构的刚度和承载力;加劲肋可增强钢板剪力墙结构的刚度和稳定承载力,开洞补强效应显著。     

开洞钢板剪力墙洞口加劲肋性能研究

采用ABAQUS软件对中部开洞、一侧开洞及两侧开洞的钢板剪力墙进行了数值分析。对不同开洞形式的钢板剪力墙进行了弹性屈曲分析和非线性滞回分析,研究了洞口加劲肋刚度、强度对开洞钢板剪力墙性能的影响。研究结果表明:增大加劲肋刚度,可提高开洞钢板剪力墙的弹性屈曲应力,当肋板刚度比超过所提出的下限时,加劲肋对开洞钢板剪力墙屈曲应力的提高幅度降低;宽高比较大时,加劲肋对开洞钢板剪力墙屈曲应力的提高更加显著,在相同的肋板刚度比条件下,宽厚比不同的开洞钢板剪力墙屈曲应力的提高幅度基本相同。建议中部开洞、一侧开洞及两侧开洞钢板剪力墙的肋板刚度比下限分别取30,15和25。滞回分析结果表明:肋板刚度比对开洞钢板剪力墙弹性刚度、承载力和耗能能力影响较小。加劲肋强度过低时,无法充分发挥钢板剪力墙屈曲后的拉力场作用。按所提出的强度验算公式设计的加劲肋,可为开洞钢板剪力墙拉力场提供可靠锚固,确保拉力场充分发展。     

考虑材料塑性损伤的风力机塔筒屈曲稳定性分析

考察材料塑性损伤理论在风力机塔筒屈曲分析中的应用,利用有限元软件ABAQUS将塑性损伤引入塔筒模型弹塑性稳定性分析中。通过固有应变法在塔筒模型中引入焊缝,采用模态缺陷法确定几何初始缺陷的分布形式。利用非线性弧长法对塔筒屈曲过程进行数值模拟,得到失稳前后壳体变形情况,并利用材料塑性损伤理论对损伤部位及其发展程度进行了预测。分析结果表明;焊缝对塔筒局部损伤影响明显,焊缝的存在改变了结构的屈曲破坏模式与损伤部位,材料塑性损伤理论可以为预测塔筒结构的薄弱部位、抗风评估及优化设计提供参考。     

开洞加劲钢板剪力墙的抗侧承载力分析

为研究墙板开洞对加劲钢板剪力墙抗侧承载力的影响,首先建立了梁 壳混合弹塑性有限元单层墙板模型,研究了极限状态下影响开洞加劲墙板受剪承载力的关键因素。在此基础上,通过大量有限元计算和参数分析,提出了用于计算开洞加劲墙板受剪承载力折减率的简化计算式,并与有限元计算结果进行对比,精度满足要求。以3个加劲钢板剪力墙试件的低周往复荷载试验研究为基础,建立了精细有限元分析模型,有限元分析结果与试验结果吻合良好,证明了模型的合理性和准确性。提出了加劲钢板剪力墙结构抗侧承载力的理论模型和计算公式,理论计算结果与有限元分析结果吻合良好。     

腹板开洞钢拱的平面内稳定极限承载力设计理论及方法

腹板开洞钢拱组合了拱和开洞构件的特性,目前在轻轨列车站篷及航站楼等的钢结构中有广泛应用。本文首先用有限壳单元分析了以工形截面腹板开洞圆弧钢拱为代表的拱的平面内弹性屈曲性能,考察了腹板孔洞的几何参数和拱本身的几何参数对屈曲荷载的影响;按照整体屈曲荷载的等效原则,把腹板开洞拱等效为由两个T形截面和缀板组成的格构式构件,并给出了格构式构件的等效截面尺寸。然后研究了各参数下的腹板开洞钢拱的弹塑性屈曲性能,定量考察了孔洞对稳定极限承载力的削弱作用,提出了腹板开洞钢拱特有的单边塑性铰的破坏机理。利用已经建立的拱的稳定系数与拱的正则化长细比的关系,根据等效构件的换算长细比,提出了受静水压力及其它荷载分布形式的腹板开洞拱的平面内稳定极限承载力设计方法。     

双曲冷却塔下部子午线形对结构性能的影响

在不影响冷却塔冷却性能的前提下,对双曲冷却塔塔筒下部半径和下支柱斜率进行微调,并分析了其对结构动力特性、承载性能及稳定性的影响。研究表明,塔筒下部子午线形对结构的线性特征值屈曲分析结果影响甚微,下支柱斜率等于或略小于塔筒下缘斜率可以有效提高结构基频,提高其抗风性能。塔筒下部区域斜率的突然下降或持续快速下降均会使附近环向膜应力及环向位移发生突变,也因此可能使局部稳定无法满足要求。所以,在设计中应保证塔筒下部区域的子午向斜率与上部斜率一致缓慢下降,使应力分布连续平缓,同时又可在不增加壁厚的情况下满足局部稳定要求。     

叉筒网壳子结构圆柱面交叉立体桁架系巨型网格结构的稳定性研究

本文针对子结构为单层叉筒网壳的圆柱面交叉立体桁架系巨型网格结构,分析了结构的构成、形体参数、支承方式等;建立了几何非线性力学模型,编制了相应的稳定分析程序;针对本结构的特点,着重研究了结构的稳定性能、失稳形式(局部失稳与整体失稳),以参数分析的形式研究了结构局部失稳与整体失稳的关系,找出了不同跨度结构在整体与局部失稳临界状态某些参数的取值规律,并给出了整体与局部失稳状态的分界曲线,可为该结构形式的工程应用提供参考。     

带拉杆PBL加劲型钢箱-混凝土组合梁抗弯性能研究

提出了带拉杆PBL加劲型钢箱-混凝土组合梁并分析了其优点,通过试验方法研究了该梁的抗弯性能,并用有限元软件模拟计算,将计算值与试验值进行对比分析。结果表明,拉杆和PBL加劲肋的设置能有效提高钢箱对混凝土的约束程度、防止钢箱发生局部屈曲、减小钢箱与混凝土脱空面积、有效阻止钢箱与混凝土接触面的滑移,明显改善了钢箱-混凝土组合梁的抗弯能力和变形能力。另外,用有限元软件拓展参数,分析了PBL加劲肋宽度与厚度、拉杆沿纵向间距与直径等4个关键参数对该梁抗弯能力的影响。结果发现,影响最显著的参数是PBL加劲肋宽度,其次为拉杆间距,PBL加劲肋厚度与拉杆直径影响不明显,可按构造确定。     

参数设计法分析纵向加劲板梁在局部荷载下的弹性屈曲

研究受局部荷载的纵向加劲板梁的弹性屈曲。首先,使用有限元法,通过线性屈曲分析计算屈曲系数。其后,对可以衡量几何参数的屈曲系数进行一阶参数设计。最后,获得可以预测纵向加劲板梁屈曲系数的二阶模型。在所研究的几何参数内,与已有文献中的相似公式相比,有显著提升。     

腹部开洞的大型钢结构厂房柱的试验研究

以某腹板开洞的大型钢结构厂房柱为对象,通过3个1∶5模型柱试件的偏心受压试验,研究试件的破坏、应变、挠曲变形以及承载力等力学性能。结果表明,大型钢结构柱腹板开洞后,其承载力以及挠曲变形特性受到较大影响;仅在孔洞周边设置加劲肋对改善开洞柱力学性能的作用有限,同时设置加劲肋并加厚周边腹板厚度的作用明显;开洞试件洞口区域的侧向变形表现为局部的剪切变形形态。     

正交异性闭口加劲板的承载力分析理论及试验研究

加劲板的局部稳定是正交异性扁平钢箱梁结构设计中的一个关键问题,我国桥梁设计规范没有这方面的规定。为了解决正交异性扁平钢箱梁结构中闭口加劲板的稳定极限承载力计算问题,以适应我国目前钢桥应用日益广泛的需要,在总结中外学者研究成果和国内外设计规范的基础上,提出一种计算闭口加劲板稳定承载力的计算理论,该理论计入材料非线性、几何非线性、初始几何缺陷、焊接残余应力等4种不利影响,并对加劲板结构的初始几何缺陷大小的取值以及残余应力分布模式进行讨论。为了验证理论的正确性、把握闭口加劲板结构的屈曲特性,设计3种不同结构布置的6块闭口加劲板结构进行稳定承载力模型试验,得到加劲板的破坏形态、极限荷载大小以及荷载-位移关系曲线。试验结果与理论分析结果吻合较好,这表明该理论可用于对闭口加劲板的极限承载力计算。     

加劲环和子午肋对特大型冷却塔静风响应的影响研究

为研究内部加劲环和外部子午向加劲肋对特大型冷却塔静风响应的影响规律,以国内在建某电厂四塔组合超规范高度限值的220m特大型冷却塔为例,针对光滑塔、加肋塔、加环塔和加肋加环塔四种塔型设计方案,进行刚体测压模型风洞试验,获得该特大型冷却塔表面风压分布模式和塔群系数,并采用有限元方法对比分析了四种冷却塔模型动力特性和风致响应特征。在此基础上,提炼出加劲环和子午肋的设置对特大型冷却塔静风响应的影响规律。研究表明:加劲环的套箍作用能提高冷却塔整体结构刚度和基频,并显著减小了环基内力;子午肋通过减小塔筒负压极值明显减小了塔筒、支柱和环基的内力,同时也略微降低冷却塔的整体结构基频;同步加肋加环冷却塔整体刚度较优且受力性能更好。     

苏州火车站站房钢结构复杂节点设计研究

苏州火车站屋盖结构采用空间菱形大跨度钢管桁架结构,局部为双向交叉菱形桁架。桁架汇交杆件数量多、直径大,节点构造非常复杂。工程节点主要采用相贯焊接的形式,受力集中和几何构型非常独特的部位采用铸钢节点。焊接节点域进行局部加厚,并在主通弦杆内部设置环形加劲肋,以提高节点承载力。铸钢节点域根据构件的几何尺寸与空间关系确定主通杆件与加劲肋的设置方式,采用渐变壁厚的方式满足受力平衡过渡以及铸造工艺的要求,并在构件端口设置构造环肋以及反向焊接坡口解决与钢管的连接。通过有限元分析与试验研究对上述节点构造的合理性进行了全面分析,确保节点具有较大的安全储备。     

新型厚度渐变型塔筒门框受力性能研究

为了弥补门洞对塔筒的削弱,目前单管风力发电塔塔筒门洞处多采用环形加劲板门框进行补强,并增大门洞处塔筒壁厚度,这使得塔筒重量、焊接量及应力集中程度均增大。本文提出了一种无需增大门洞处筒壁厚度的新型厚度渐变型塔筒门框,并从极限强度、疲劳强度、自振特性及经济性等四个方面对采用新型门框进行补强的单管风力发电塔进行了分析,研究了新型门框的补强效果。分析结果表明,厚度渐变型塔筒门框极限强度及疲劳强度均满足要求,且对风力发电塔的一阶自振频率几乎没有影响;相比环形加劲板门框而言,采用厚度渐变型塔筒门框可以为整个塔架节省约2.1%的用钢量。     

受压U肋加劲板局部稳定受力性能数值模拟

为了掌握受压U肋加劲板的局部稳定受力性能,考虑残余应力与初始几何缺陷,建立U肋加劲板局部稳定试验试件的有限元模型,通过考虑不同宽厚比的试验验证该数值模拟方法的正确性;将U肋加劲板及其腹板简化为四边简支板,并通过数值模拟方法验证四边简支板简化模型的正确性。结果表明:采用数值模拟方法计算得到的破坏模态和应力 位移曲线与试验曲线吻合较好,所计入的残余应力和几何缺陷大小是合理的;采用简化的四边简支板模型和试验试件模型计算的应力 位移曲线从开始到峰值吻合较好,在下降段四边简支板模型下降斜率有所增大;在分析受压U肋加劲板受力性能时,可以选用等效四边简支板简化模型分析其局部稳定承载力。     

某冷却塔筒壁初始几何缺陷受力性能分析及加固方案

双曲线自然通风冷却塔的通风筒为大型钢筋混凝土薄壳结构,大部分为高空作业,施工难度大,稍有不慎就会出现过大的塔中心偏移、圆度失控、壁厚不均匀等初始几何缺陷。本文使用ANSYS有限元分析程序,对某工程有初始几何缺陷的筒壁进行应力、内力、位移计算,并以图表形式进行比较分析初始几何缺陷对冷却塔筒壁应力、内力、位移的影响。同时对该工程进行承载力分析,提出承载力不足的解决方案。     

U形肋加劲板局部稳定性试验研究

U形肋加劲板是构成钢箱梁顶板、底板的主要板件,U形肋腹板与被加劲板局部失稳是其两种主要失稳破坏模式。为研究U形肋加劲板的局部稳定性能,分别设计并制作了U形肋腹板与被加劲板壁板两组局部稳定试件,并考虑U形肋腹板宽厚比、被加劲板宽厚比以及U形肋翼缘与腹板间弯曲半径变化。通过轴压试验得到了U形肋加劲板的局部失稳破坏模式、稳定承载力、应力-位移曲线以及局部稳定折减系数。试验研究表明：随着局部板件宽厚比的增大,试件由强度破坏转变为失稳破坏,且失稳破坏特征表现得越明显。当板件宽厚比不小于22.5时,宽厚比较大的板件先于其他板件失稳。U形肋腹板与翼缘之间弯曲半径增大时,U形肋腹板宽度及宽厚比变大,导致U形肋腹板稳定承载力降低。将试验结果与公路钢桥规范中的稳定系数曲线对比发现,对于钢桥规范中的稳定曲线,采用钢材屈服强度计算得到的板件稳定承载力明显小于试验值,而采用抗拉强度计算得到的板件稳定承载力接近试验值,说明采用钢桥规范计算U形肋加劲板稳定承载力,其安全系数和钢材的抗拉强度与屈服强度比值相当。