核电站用钢板混凝土组合结构的线弹性设计方法探讨

对美国《核设施相关钢结构设计规范》(ANSI/AISC N690-12)提出的钢板混凝土组合墙(SCS组合墙)的线弹性设计法进行了适用性分析。基于等效刚度的模型将钢板与混凝土等效为线弹性材料并进行了有限元分析。通过对文献中的3片SCS组合墙进行计算发现:该设计方法的等效刚度取值偏于保守,荷载-位移曲线与试验结果相比偏差较大;拉剪区单元控制墙体极限状态,而压剪区单元承载能力还相当富余。为解决该方法高估拉坏区单元刚度的问题,本文建议根据SCS单元主内力空间的不同区域设定弹性参数,以提高设计分析的准确度。     

钢板混凝土单元双轴反复加载模型研究

进行了钢板混凝土组合构件(SCS)单元双轴拉压反复加载研究,在已有的研究基础上,根据弹塑性力学基本理论推导出SCS单元在各个加载卸载阶段的单元刚度,建立了SCS单元平面内双轴拉压反复加载模型。用该模型与本课题组做过的4个钢板混凝土组合构件(SCS)单元双轴反复加载试验结果对比,发现了加载卸载时,材料双向应变关系的变化。重点研究不同含钢率和不同加载比例下的刚度以及残余应变等方面的差异,发现本模型结果与试验结果非常吻合。     

长期荷载作用下SCS墙受力性能研究

根据混凝土的多轴徐变理论,基于弹塑性力学基本原理,采用比例加载方式研究了长期荷载作用对钢板混凝土(SCS)墙平面内极限承载力、钢板屈服时承载力(屈服承载力)和应力-应变关系的影响。在此基础上,分析了加载比例、截面配钢率等因素对长期荷载作用下SCS组合墙力学性能的影响规律。对比结果表明,长期荷载作用对SCS墙的极限承载力影响程度较小,对屈服承载力影响较大;在双轴受压和双轴拉压的受力状态下SCS构件屈服承载力显著降低,单元割线刚度减小;双轴受拉情况下SCS构件承载力几乎不变,割线刚度提高。     

钢板-混凝土组合墙平面内受力性能研究北大核心CSCD

从单元和构件两个层次研究了钢板-混凝土(SC)组合墙的平面内受力行为。在单元层次上,基于已有SC组合墙单元平面主内力空间屈服面,推导了SC组合墙单元的压(拉)剪承载力计算模型;在构件层次上,利用ABAQUS有限元软件,研究了SC组合墙构件在平面内轴向力、剪力及弯矩复合作用下的受力性能,得到剪跨比、轴压比、钢板厚度及混凝土厚度等关键参数对其平面内受力性能的影响,并利用推导的压(拉)剪承载力计算模型对计算结果进行了分析。     

装配式轻型钢管混凝土框架-不同构造内藏钢板组合墙结构抗震试验

为提高村镇住宅的抗震性能,提出了一种装配式轻型钢管混凝土框架-内藏钢板组合墙结构。该结构由轻型钢管混凝土框架和内藏钢板组合墙组成。为研究不同构造内藏钢板组合墙对该结构抗震性能的影响,进行了4个足尺试件的低周反复荷载试验,比较了试件破坏特征、承载力、滞回性能、刚度退化、耗能能力等。采用“混合拉-压杆模型”对内藏钢板组合墙进行简化,并基于OpenSEES软件对轻型钢管混凝土框架-内藏钢板组合墙结构进行推覆模拟。研究表明：内藏钢板组合墙可显著提高钢管混凝土框架的承载力;钢筋暗支撑提高了内藏钢板组合墙的承载力,减缓了刚度退化并增加了耗能能力;“混合拉-压杆模型”较好地考虑了内藏钢板混凝土组合墙的受力特性,计算结果与试验结果吻合较好,可用于此类组合墙受力分析。     

多层冷弯薄壁型钢结构住宅水平荷载分配关系研究

为了确定水平荷载在多层冷弯薄壁型钢结构住宅中的分配关系,基于冷弯薄壁型钢组合墙体和组合楼盖的试验研究成果,将组合墙体计算模型中上导轨简化为桁架单元,墙架柱简化为梁单元,覆面板等效为非线性对角弹簧,将组合楼盖计算模型中楼盖梁简化为桁架单元,面内剪切刚度由非线性对角弹簧的刚度确定,以达到合理简化组合墙体和组合楼盖计算模型的目的。采用ABAQUS有限元软件建立4层双跨冷弯薄壁型钢结构住宅模型,模拟分析水平荷载通过冷弯薄壁型钢组合楼盖传递至冷弯薄壁型钢组合墙体的分配关系,并通过6层足尺冷弯薄壁型钢结构房屋振动台试验,验证楼盖刚性和水平荷载分配关系的判定方法。研究表明：组合墙体和组合楼盖简化计算模型能较好地模拟冷弯薄壁型钢墙体和楼盖全过程的受力性能,与试验结果的误差小于20%,模型可用于简化分析组合墙体的受剪性能以及组合楼盖的面内受力性能;多层冷弯薄壁型钢结构住宅中采用的压型钢板上覆不同材料的组合楼盖型式均为刚性楼盖,水平荷载按剪力墙等效刚度的比例分配。     

基于有限等参单元的等效平面桁架模型

针对有限元分析的复杂性,从弹性力学平面应力单元出发,结合无限小单元法和有限单元法,提出了等效平面桁架模型.基于平面应力单元和等效桁架单元在同样节点荷载下的位移等效,分析了等效后桁架杆件的初始刚度、截面面积及等效弹性模量等特征值;建立了等效平面桁架模型的单元刚度矩阵、应变矩阵和单元的轴力矩阵;给出了等效平面桁架模型的分离式模型,分析了非规'则带钢筋的四边形等参单元,建立了等参单元等效平面桁架模型的单元刚度矩阵.以某混凝土简支粱和混凝土重力坝作为研究对象,将等效桁架模型与有限元分析软件ANSYS 9.0的计算结果做比较.结果表明,等效桁架模型对平面问题的处理可以满足工程精度的要求,同时使计算模型简单化,体现了等效平面桁架模型的科学性.     

四边连接开洞屈曲约束钢板墙简化分析模型

为简化四边连接开洞屈曲约束钢板墙结构的建模、分析和设计，提出采用等效多斜杆模型作为四边连接开洞屈曲约束钢板墙的等代模型。确定了合理的杆件数量、位置和斜杆截面面积分配比例。基于刚度和承载力等效原则给出了斜杆截面面积和等效材料强度的计算公式。利用有限元方法对四边连接开洞屈曲约束钢板墙和等效多斜杆模型进行了分析对比，验证了等效多斜杆模型的准确性。结果表明：提出的等效多斜杆模型不仅能够准确模拟四边连接开洞屈曲约束钢板墙的受力过程，还能较好地模拟开洞屈曲约束钢板墙对边缘构件的传力，结构的初始刚度、屈服承载力、荷载-位移曲线和边缘构件的内力大小与分布均符合较好，可以作为四边连接开洞屈曲约束钢板墙的等代模型进行结构分析与设计。     

基于梁柱杆件的墙/板宏观模型研究

多次地震震害表明墙和楼板对结构抗震性能有重要影响。为考察地震作用下墙和楼板在结构中的作用规律,弹塑性分析时结构模型中必须对墙和楼板进行合理模拟。针对已有模型的不足,建立基于梁柱杆件的墙和楼板宏观模型-BAC墙板模型,可兼顾墙/板平面内、外的力学性能。模型由若干梁柱杆件组成,各杆件的截面几何参数按刚度等效结合墙或楼板构件的原始几何尺寸确定;材料特性直接采用墙或楼板的材料特性。在弹性阶段,采用BAC墙板模型分别对墙/板构件以及含墙、楼板的二层钢筋混凝土结构进行计算。结果与采用壳单元模型的计算结果比较,二者在动力特性、受力变形等方面均吻合较好。在塑性阶段,分别对单调荷载作用下的砌体填充墙钢筋混凝土平面框架和往复荷载作用下的钢筋混凝土剪力墙进行弹塑性分析。研究构件的破坏特征以及荷载位移关系,将结果与试验进行比较,验证BAC墙板模型在塑性阶段分析的可靠性。     

改进型组合钢板剪力墙有限元分析与研究

为改进型组合钢板剪力墙设计了合理的有限元模型,对纯钢板和3种不同混凝土板厚度以及3种跨高比的组合墙进行了有限元对比模拟分析.结果表明：两侧混凝土板对组合墙的承载力影响不大但可提高其后期刚度,并可有效限制钢板的出平面屈曲;同时,随着跨高比的增大,结构整体承载力有所提高.在此基础上,比较了几组模型的抗剪承载力性能,以及预制墙板对其屈曲荷载的影响,并给予建议的简化模型.可以看出,改进型组合钢板剪力墙有较好的延性以及耗能性能,能充分利用材料的性能.     

加热和冷却过程中约束复合板的试验及数值研究

在曼彻斯特大学,对约束复合板进行一系列耐火试验。在不同火灾场景下,对6块不同荷载比下的复合板进行试验,观察加热和冷却过程中板内力的变化。设计试验方案,建立两种不同的非线性有限元模型,模拟复合板在加热和冷却过程中的热学和力学性能。在热分析模型中,采用平面单元模拟。在结构分析中,混凝土、钢板、锚钉分别采用实体单元、壳单元、桁架单元模拟。混凝土和钢板间的连接简化为弹簧单元。根据试验结果和有限元计算结果,详细分析了复合板的性能。最后,进行参数研究,分析了混凝土强度、钢板厚度和锚钉尺寸的影响。     

钢板混凝土组合墙体局部稳定性轴压试验研究

进行了4个应用于核电工程的钢板混凝土组合墙轴压试验,试验设计中主要考虑距厚比参数的不同。分析了构件的破坏机理、荷载-位移曲线、钢板的荷载-屈曲曲线。分析结果表明：钢板的屈曲对试件整体刚度影响不明显,栓钉能有效地保证钢板和混凝土协同工作;随着距厚比变小,试件极限承载力有所提高,钢板的屈曲应变变大。在试验分析基础上,给出了组合墙体的初始刚度和极限承载力的经验公式,导出了适合钢板弹性屈曲应变的理论公式。     

钢筋混凝土平面等效桁架模型

针对钢筋混凝土结构有限元分析模型复杂性和难以确定的断裂损伤关系,提出了一种简便的钢筋混凝土有限元模型——平面等效桁架模型。通过RC结构平面应力单元和平面等效桁架单元在同样的节点荷载作用下的位移等效,分析了桁架单元中各桁架杆件的初始等效轴向刚度、等效截面积和等效弹性模量。借鉴有限元求解模式,建立RC平面桁架单元的单元刚度矩阵、应变矩阵和轴力矩阵,进而得出RC平面等效桁架整体式模型和相应的破坏准则。最后,用可视化的VISUAL BASIC语言编制程序计算了Scordelies和Bresler试验梁,理论分析和计算结果表明,对平面应力(应变)问题。用此单元达到简化计算模型,通过一维桁架杆件的开裂或压碎方便模拟构件裂缝的发生和延伸和结构刚度的退化,并有较好的计算精度。     

竖向荷载作用下框支密肋壁板结构墙梁内力计算分析

通过对不同比例模型框支密肋壁板结构墙梁在单调竖向荷载作用下的试验,对墙梁在竖向荷载作用下的受力特点给予探讨;结合有限元分析,对影响墙梁内力分布的主要因素进行研究;以弹性地基梁理论为基础,采用三角级数解析,给出框支密肋壁板结构墙梁内力计算公式,并回归出内力修正系数。理论分析和试验结果表明,托梁与密肋复合墙体具有相当强的组合作用;采用本文提出的内力计算公式进行计算更接近试验结果。     

两边连接屈曲约束钢板墙边缘构件的受力规律

利用理论分析和有限元方法对两边连接屈曲约束钢板墙边缘构件（梁）的受力规律进行研究,提出了两边连接屈曲约束钢板墙与边缘构件的传力模型和边缘构件内力计算方法。利用等效支撑模型对所提出的边缘构件内力计算方法进行了验证,对不同层数和跨数的框架 屈曲约束钢板墙结构和框架 等效支撑结构进行分析,对梁、柱构件的内力进行了对比,分析了屈曲约束钢板墙布置方式对边缘构件内力、变形的影响。结果表明:所提出的方法能够准确计算屈曲约束钢板墙边缘构件的内力;建议屈曲约束钢板墙的宽度宜设计成大于跨度的1/3,并将屈曲约束钢板墙布置在跨度中间;如果屈曲约束钢板墙的宽度只能小于跨度的1/3,则宜布置在靠近梁端部。     

钢板-混凝土组合剪力墙正常使用阶段有效刚度

钢板-混凝土组合剪力墙是一种新型的剪力墙构件,它具有承载力高、抗裂性能好、耗能能力强、延性好、并且施工快速高效等优点,应用前景广阔。刚度是表征组合剪力墙变形能力的核心指标,剪力墙刚度包括弯曲刚度和剪切刚度,现有的正常使用阶段有效刚度的计算主要采用抗剪折减系数进行计算。文中弯曲变形基于纤维单元模型,经过大量数值计算拟合得到简化计算公式,并通过试验数据的验证。剪切变形计算基于桁架模型理论建立平面组合桁架模型(plane combination truss model),该模型假设混凝土处于斜压杆受力状态,并考虑组合剪力墙中钢板平面应力状态,且满足各项平衡条件,适用于同类型钢板-混凝土组合剪力墙抗剪刚度计算。通过一组组合剪力墙试验,将模型计算结果与试验结果进行充分对比,证明文中提出的平面组合桁架模型(PCTM)和弯曲变形简化公式具有良好的精度,对组合剪力墙变形计算的研究和应用有借鉴意义。     

两边连接屈曲约束钢板墙动力分析简化模型研究

为简化两边连接屈曲约束钢板墙的动力分析,在等效支撑模型的基础上提出用等效桁架模型代替两边连接屈曲约束钢板墙。等效桁架模型的支撑点取在屈曲约束钢板墙与梁传力的合力点处,斜杆的截面面积和材料强度分别按与两边连接屈曲约束钢板墙的初始刚度和屈服承载力相等进行换算,竖杆的截面面积取屈曲约束钢板墙横截面面积的一半,材料强度与屈曲约束钢板墙相同。对三个不同层数和不同跨数的平面屈曲约束钢板墙-框架结构及相应的等效支撑模型和等效桁架模型分别进行了模态分析和地震响应分析,结果表明两种简化模型的地震响应均与原型结构吻合较好,但等效桁架模型能更准确地模拟原型结构的动力特性,具有更好的适用性。     

Stiffness analysis of concrete filled steel plate composite coupling beams

联肢剪力墙弹性阶段的内力分布、抗侧刚度等工作性能主要受墙肢与连梁刚度的影响。为了准确分析外包钢板-混凝土联肢组合剪力墙的受力性能,对外包钢板-混凝土组合连梁的刚度进行了分析。基于钢板与混凝土无相对变形和忽略混凝土抗拉强度的基本假定,建立了组合连梁钢与混凝土无滑移的截面内力与变形之间的关系,并推导了截面刚度的计算公式。对于常用工程设计参数范围内的组合连梁,考虑滑移后得到的抗侧刚度相比无滑移情况减小了10%~24%。通过对无滑移组合连梁刚度公式中的混凝土部分贡献的折减(折减系数为0.5),得到了无特殊界面构造的外包钢板 混凝土组合连梁的刚度计算公式。通过与有限元分析和试验结果的对比,验证了公式的准确性。     

外包钢板-混凝土组合连梁刚度分析

联肢剪力墙弹性阶段的内力分布、抗侧刚度等工作性能主要受墙肢与连梁刚度的影响。为了准确分析外包钢板-混凝土联肢组合剪力墙的受力性能,对外包钢板-混凝土组合连梁的刚度进行了分析。基于钢板与混凝土无相对变形和忽略混凝土抗拉强度的基本假定,建立了组合连梁钢与混凝土无滑移的截面内力与变形之间的关系,并推导了截面刚度的计算公式。对于常用工程设计参数范围内的组合连梁,考虑滑移后得到的抗侧刚度相比无滑移情况减小了10%~24%。通过对无滑移组合连梁刚度公式中的混凝土部分贡献的折减(折减系数为0.5),得到了无特殊界面构造的外包钢板-混凝土组合连梁的刚度计算公式。通过与有限元分析和试验结果的对比,验证了公式的准确性。     

边支承双向板与柱支承双向板的界定条件

建立了考虑板、梁、柱协同工作的楼盖结构三维有限元分析模型;对具有不同梁板刚度比、板区格跨度比的31个现浇混凝土楼盖结构模型进行了弹性有限元分析,同时用弹性薄板理论计算了这些楼盖结构模型中板的内力和挠度;将两种方法的计算结果进行比较,研究了梁、板刚度比变化对板内力和变形的影响。研究结果表明,梁板刚度比变化对板内力和变形有较大的影响;综合比较弯矩和挠度计算结果,提出将αl2/l1≥5作为弹性内力计算时边支承双向板与柱支承双向板的界定条件。