冲击荷载作用下热轧H型钢梁力学性能试验研究

采用落锤冲击试验机进行了4个热轧H型钢梁动态抗冲击力学性能试验,通过改变落锤冲击速度和落锤冲击能量以研究双跨约束钢梁的动态抗冲击力学性能。试验测试了冲击力、位移时程曲线及型钢表面应变时程曲线,研究约束钢梁在冲击荷载作用下悬链线效应的形成机理和影响规律。试验结果表明：在试验参数范围内,钢梁最大冲击力和冲击力时程曲线变化趋势与冲击能量无明显关系,冲击作用时间和残余变形随冲击能量的增大而增大。在冲击荷载作用下,钢梁跨中受冲击区域均发生了不同程度的局部变形,主要表现为翼缘翘曲和腹板剪切变形,钢梁转角在0.046 4～0.098 4 rad范围内,基本保持了截面的完整性,表明热轧H型钢梁在冲击荷载作用下具有良好的抗冲击性能和延性性能。     

水平冲击荷载作用下钢管混凝土柱动力响应试验与数值模拟

为研究钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的动力性能,进行了2根圆形钢管混凝土柱的水平冲击试验,实测了冲击过程中冲击力、冲击点位移时程曲线及冲击力-位移曲线等冲击响应。建立了ABAQUS非线性有限元模型,对破坏模态及冲击力、冲击点位移时程曲线等动态响应进行模拟,模拟结果与试验结果吻合良好,进而用有限元模拟结果揭示了钢管混凝土柱在冲击荷载下的破坏机理,即整体失效过程分为冲击区局部响应、柱顶支座响应、稳定响应和卸载响应4个阶段。结果表明:在冲击荷载作用下,钢管混凝土柱发生弯剪型破坏;所得结论为深入认识钢管混凝土柱的抗冲击行为和破坏形态提供了试验与理论基础,可为今后研究制定合理的抗冲击设计方法提供依据。     

焊接H型钢局部纵弯失稳下抗弯强度计算

对由厚度为6.0mm、名义屈服强度为315.0MPa的钢板制成的H型钢进行了一系列弯曲试验,研究焊接H型钢的抗弯强度。截面几何形状和侧向边界条件决定了薄壁受弯构件的屈曲形式(局部屈曲、侧向扭转屈曲或交互屈曲)。翼缘或腹板宽厚比较大的受弯构件最先出现局部屈曲,继而发生侧向扭转屈曲,在交互屈曲作用下材料最终破坏。侧向扭转屈曲下局部屈曲对抗弯强度有负面影响。计算薄壁抗弯构件名义屈服应力时应将该现象考虑在内。对翼缘和腹板宽厚比不同的焊接H型钢梁进行了试验。进行有限元分析时将局部和侧向扭转屈曲模态的初始缺陷及残余应力考虑在内。基于考虑焊接型材局部和侧向扭转屈曲相互作用的试验和有限元分析结果,给出直接强度法(DSM)计算抗弯强度的简化公式。计算强度曲线与AISC规范(2005),EC3(2003)及试验结果进行比较,验证了DSM方法所计算的强度曲线的准确性。通过试验得出薄壁焊接H型钢的抗弯强度和结构性能的有关结论。     

轴压下薄壁圆柱形壳屈曲试验承载力的准确可靠预测方法

论述了一种能可靠并准确预测偏心荷载下薄壁圆柱形壳屈曲试验的方法。详细描述了试验装置和试件,包括用配套的设备测量试件表面的几何缺陷。为了精确地预测屈曲试验的荷载,根据不同的复杂度建立了不同的有限元模型模拟试验装置,并研究了初始几何缺陷、荷载偏心、沿柱圆周方向的荷载偏心位置和影响边界条件的不同试验装置对屈曲承载力的影响。解释了具有简单刚性支座的有限元模型会过高估计屈曲试验承载力的原因。尽管这些模型均考虑了初始几何缺陷和荷载偏心的影响。作为对比,计算了考虑实际支座条件有限元模型的结果。在有限元模型中,用弹性实体单元模拟固定装置,用面—面接触单元模拟试件与支座间的接触面,计算出的屈曲承载力与试验有着平均约-1.59%的偏离。沿有缺陷薄壁圆柱形柱圆周方向的荷载偏心位置对屈曲承载力有显著影响。     

侧向冲击下箱形钢管混凝土叠合柱动力响应试验研究

为研究箱形钢管混凝土叠合柱抗冲击性能,利用自主研发的落锤式试验机进行了箱形叠合柱冲击试验,研究了边界条件、冲击高度和轴压比对冲击力时程、跨中位移、应变时程以及破坏形态的影响。试验结果表明:箱形叠合柱在冲击荷载作用下发生弹塑性破坏;随冲击高度的增加,冲击力时程曲线由两段式发展为三段式,柱破坏形态表现为外层混凝土开裂且剥落明显,但内部钢管混凝土跨中冲击部位钢管无局部屈曲;两端固定时的抗冲击性能较两端简支时增强;而轴力对其动力响应影响不显著。     

Experimental study on dynamic response of box concrete-encased CFST columns under lateral impact

为研究箱形钢管混凝土叠合柱抗冲击性能,利用自主研发的落锤式试验机进行了箱形叠合柱冲击试验,研究了边界条件、冲击高度和轴压比对冲击力时程、跨中位移、应变时程以及破坏形态的影响。试验结果表明：箱形叠合柱在冲击荷载作用下发生弹塑性破坏;随冲击高度的增加,冲击力时程曲线由两段式发展为三段式,柱破坏形态表现为外层混凝土开裂且剥落明显,但内部钢管混凝土跨中冲击部位钢管无局部屈曲;两端固定时的抗冲击性能较两端简支时增强;而轴力对其动力响应影响不显著。     

蜂窝钢梁屈曲模型的相互影响

基于侧扭屈曲模型,采用三维非线性有限元法,考虑初始几何缺陷和材料非线性,研究普通和高强蜂窝钢梁的性能。通过不同跨度和横截面的蜂窝梁试验,对模型进行验证。研究了蜂窝钢梁的破坏荷载、屈曲模型间的相互影响、荷载-侧移曲线。采用有限元模型进行参数分析,研究横截面尺寸、梁长、型钢强度对蜂窝钢梁承载力和屈曲性能的影响。腹板的畸变屈曲较大地降低了细长蜂窝钢梁的承载力。将有限元分析得到的侧扭屈曲下钢梁破坏荷载与澳大利亚规范进行比较,结果表明:规范对侧扭屈曲下普通蜂窝钢梁的破坏分析偏保守,对腹板屈曲下蜂窝钢梁的破坏分析较合理,而对侧扭屈曲下高强蜂窝钢梁的破坏分析非常保守。     

多孔钢梁在组合屈曲模态下的非线性分析

讨论了一般强度和高强度多孔钢梁在组合屈曲模态下的非线性分析。建立一个考虑腹板和翼缘初始几何缺陷、残余应力和材料非线性等情况的多孔钢梁的三维有限元模型。用具有不同长度,不同截面,不同荷载条件和不同失效模态的多孔梁的试验结果验证了此有限元模型。该模型能计算多孔梁的失效荷载,跨中荷载-挠度关系和失效模态。用120根多孔梁的有限元计算数据进行了参数分析,研究截面几何尺寸,梁长和钢材料强度对多孔梁强度和屈曲性能的影响。参数研究结果显示:由于组合腹板的扭转和腹板后屈曲引起的多孔梁失效对承载力有很大的影响。对于长细比较小的多孔梁,应用高强度钢材料将能显著提高失效荷载值。将有限元计算得到的失效荷载与利用澳洲规范计算的多孔梁平面外屈曲计算结果进行了对比,发现规范的计算结果对于平面外屈曲的一般强度多孔梁是不保守的,而对于组合腹板扭转和腹板后屈曲的高强度多孔梁的失效则非常保守。     

连续开孔实腹梁整体稳定性计算方法

为研究腹板开孔H型钢梁在纯弯荷载作用下的整体稳定性,采用翼缘和腹板刚度分离的方法,从理论上推导出带有连续正方形孔洞的H型钢梁的抗侧刚度、自由扭转刚度和翘曲刚度计算方法,得到其弯扭屈曲临界弯矩表达式。利用有限元软件ABAQUS对相同截面不同跨度的H型钢实腹梁在纯弯荷载作用下的弯扭屈曲临界弯矩进行分析,并将有限元模拟结果和规范计算结果进行对比。采用经验证的有限元模型对带有连续正方形孔洞的H型钢梁进行分析,并将有限元模拟结果与推导公式的计算结果进行对比。以现有规范为基础,推导出带有连续正方形孔洞的H型钢梁的弯扭屈曲临界弯矩实用计算公式。结果表明:连续开孔梁实用计算公式具有较高的精确度。     

圆钢管混凝土柱抗冲击性能试验与有限元分析

为研究钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的受力性能,通过对圆钢管混凝土柱进行横向落锤冲击试验,获得柱在冲击荷载作用下的破坏形态、整体变形和应变分布规律,分析了冲击力和试件跨中挠度时程曲线的特征;并通过有限元分析,研究了钢材和混凝土强度等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响。研究结果表明:在试验参数范围内,随着冲击能量的增加,试件冲击力峰值、跨中挠度峰值、冲击持续时间增加;含钢率较大试件的冲击力峰值和冲击力平台值较大,跨中挠度峰值较小、冲击持续时间较短;钢材屈服强度对试件抗冲击性能的影响较大,而混凝土抗压强度对试件抗冲击性能的影响则相对较小。     

Numerical investigation of inelastic buckling of steel–concrete composite beams prestressed with external tendons

The ultimate resistance of a continuous composite beam is governed by either distortional lateral buckling or local buckling, or an interactive mode of the two which is sharply different from the torsional buckling mode in a bare steel beam. A finite element model is developed and based on the proposed FE model, inelastic finite element analysis of composite beams in negative bending is investigated, considering the initial geometric imperfection and the residual stress patterns and the FE results are found agree well with the test results. Parametrical analysis is carried out on the prestressed composite beams with external tendons in negative bending. Factors that influence load carrying performance and buckling moment resistance of prestressed composite beams are analyzed, such as initial geometric imperfection, residual stress in steel beams, force ratio, which is defined as the extent of prestressing force and negative reinforcement in the beams, as well as the slenderness ratios of web, flange, and beams. By varying cross-section parameters, 25 groups of composite beams under negative uniform bending with initial geometric imperfection, residual stress as well as different force ratios, 200 beams in total are studied by means of the FE method. The computed buckling moment ratios are drawn against the modified slenderness proposed by the authors and compared with the Chinese Codified steel column design curve. It is demonstrated that the tentative design method based on the Chinese Codified design curve can be used in assessment of buckling strength of composite beams in a term of the modified slenderness defined.     

交叉加劲钢板深梁弹性屈曲分析

以交叉加劲钢板深梁为研究对象,利用有限元软件ANSYS分析其弹性屈曲性能,讨论了抗弯刚度比、跨高比、钢板深梁厚度对其弹性屈曲性能的影响;考虑钢板深梁在钢框架的弯剪受力特性,根据板的经典理论建立了交叉加劲钢板深梁屈曲荷载计算公式,提出了等效屈曲系数。结果表明:交叉加劲钢板深梁的临界屈曲荷载随抗弯刚度比增大而增大,但达到门槛刚度比后,增大幅度急剧减小,得到门槛刚度比约为10;临界屈曲荷载随跨高比和板厚的减小而减小,等效屈曲系数随板厚减小而增大;等效屈曲系数与跨高比关系曲线由二次抛物线形向波浪形渐变,交叉加劲钢板深梁受力特性由剪切主导向弯曲主导过渡。     

冲击受损RC梁残余力学性能试验

为给冲击受损后钢筋混凝土（RC）梁的修复加固和结构安全评估提供参考,开展了3根RC梁落锤冲击受损后的静载试验及1根静载梁的对比试验,通过变化冲击能量使RC梁遭受不同程度的冲击损伤,对冲击受损后RC梁的残余力学性能进行研究。比较分析了不同冲击能量下受损梁的裂缝发展形态以及冲击力、支座反力、跨中挠度和纵筋应变变化规律;重点研究了不同受损程度梁的残余承载力、残余抗弯刚度和残余变形能力。在综合分析相关文献试验数据并对冲击能量进行标准化的基础上,拟合出冲击受损后RC梁残余承载力与残余抗弯刚度的计算公式。结果表明:随着冲击能量增大,冲击损伤梁挠跨比也增大,残余承载力和刚度总体呈下降趋势;相比未损伤梁,冲击损伤梁弹性抗弯刚度和极限抗弯承载力先增大后减小,但加载后期延性明显降低。     

内置薄壁H形钢-木组合梁受弯性能研究

为实现钢材与木材的高效组合,提高钢木组合梁受弯性能,提出了一种内置薄壁H形钢-木组合梁。为研究其破坏过程、破坏形态及组合受力性能,以翼缘木板宽度、抗剪连接栓钉间距、薄壁H形钢厚度、翼缘木板厚度、腹板木板高度和腹板木板厚度等为变化参数开展了受弯试验。并提出了可用于预测内置薄壁H形钢-木组合梁挠度和受弯承载力的计算公式,进行了有限元分析。结果表明：依据内置薄壁H形钢-木组合梁破坏过程及特征,可出现受拉翼缘木板受拉断裂、腹板木板受拉区开裂以及受压翼缘木板受压破坏或薄壁H形钢受压翼缘严重压屈和严重粘胶剥离的受压破坏三种破坏模式;在配置截面面积比约3.5%的薄壁H形钢的情况下,内置薄壁H形钢-木组合梁的受弯承载力、抗弯刚度、耗能和延性相对于纯木梁明显提高;腹板木板高度、翼缘木板宽度、翼缘木板厚度和抗剪连接栓钉间距等参数影响内置薄壁H形钢-木组合梁受弯性能较为明显,增加腹板木板的高度、翼缘木板的宽度、翼缘木板的厚度和减小抗剪栓钉间距可明显提高内置薄壁H形钢-木组合梁的受弯承载力;增加薄壁H形钢厚度,可使内置薄壁H形钢-木组合梁受弯承载力和刚度得到一定程度的提高;腹板木板的厚度对内置薄壁H形钢-木组合梁的受弯承载力影响不甚明显。所提出内置薄壁H形钢-木组合梁的挠度及受弯承载力计算式和有限元模型合理有效,计算结果与试验结果吻合良好。     

湿式连接装配式混凝土框架抗连续倒塌静力试验研究

梁柱节点连接在大变形下的承载和变形能力对装配式混凝土框架结构抗连续倒塌性能具有显著影响。对4个不同湿式节点连接的装配式混凝土框架试件和1个现浇试件进行了静力连续倒塌试验,其中梁采用了机械套筒、弯起锚固和预应力连接,柱采用套筒灌浆和浆锚搭接连接。研究发现：采用机械套筒时梁钢筋在套筒处集中断裂,试件在压拱机制和悬链线机制下的倒塌抗力均显著降低;梁钢筋采用弯起锚固时,试件受力行为和倒塌抗力与现浇试件基本一致;预应力能够显著提升试件在两个机制下的倒塌抗力,但是在极限倒塌变形下预应力锚具传递较大的集中力,导致节点区混凝土的局部劈裂破坏;柱钢筋的套筒灌浆和浆锚搭接连接能够承受连续倒塌大变形下的水平剪力作用,但是柱接缝灌浆层在显著的水平剪力作用下发生滑移,减弱了柱对梁的约束;机制转换时,压拱机制轴压力对试件倒塌抗力产生负贡献;机械套筒和预应力连接试件的梁轴力对倒塌抗力贡献比例分别高于和低于现浇混凝土试件。     

侧向支撑对腹板开洞钢拱平面外弹性屈曲的影响分析

腹板开洞钢拱通过设置侧向支撑可以阻止钢拱发生平面外弯扭屈曲,支撑刚度的大小会对钢拱屈曲临界荷载产生影响.采用有限元方法分析了不同荷载、拱脚条件、支撑类型和位置对钢拱平面外屈曲稳定的影响.研究表明：在刚性支撑情况下,钢拱屈曲临界荷载随支撑刚度增大而增大,铰支钢拱屈曲半波随支撑数量的增加而增加,当支撑数量为n时,会出现n＋1个屈曲半波.两种支撑类型共同工作时,在侧向刚度支撑足够的情况下,扭转支撑对钢拱平面外屈曲临界荷载的影响有限.当侧向支撑刚度达到临界支撑刚度时,其屈曲临界荷载不再随支撑刚度的增大而增大.     

Finite strip elastic buckling solutions for thin-walled metal columns with perforation patterns

Approximate finite strip eigen-buckling solutions are introduced for local, distortional, flexural, and flexural-torsional elastic buckling of a thin-walled metal column with perforation patterns. These methods are developed to support a calculation-based strength prediction approach for steel pallet rack columns employing the American Iron and Steel Institute׳s Direct Strength Method, however they are generally posed and could also be useful in structural studies of thin-walled thermal or acoustical members made of steel, aluminum, or other metals. The critical elastic global buckling load including perforations is calculated by reducing the finite strip buckling load of the cross-section without perforations using the weighted average of the net and gross cross-sectional moment of inertia along the length of the member for flexural (Euler) buckling, and for flexural-torsional buckling, using the weighted average of both the torsional warping and St. Venant torsional constants. For local buckling, a Rayleigh–Ritz energy solution leads to a reduced thickness stiffened element equation that simulates the influence of decreased longitudinal and transverse plate bending stiffness caused by perforation patterns. The cross-section with these reduced thicknesses is input into a finite strip analysis program to calculate the critical elastic local buckling load. Local buckling at a perforation is also treated with a net section finite strip analysis. For distortional buckling, a reduced thickness equation is derived for the web of an open cross-section to simulate the reduction in its transverse bending stiffness caused by perforation patterns. The approximate elastic buckling methods are validated with a database of 1282 thin shell finite element eigen-buckling models considering five common pallet rack cross-sections featuring web perforations that include 36 perforation dimension combinations and twelve perforation spacing combinations.     

Experimental research on mechanical behavior of concrete-filled thin-walled stiffened square steel tubular short column under axial load

为研究带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱的受力性能,以钢管宽厚比、加劲肋宽度和加劲肋个数为参数,对26个薄壁方钢管混凝土短柱进行了试验研究。研究结果表明：对于无肋试件,在达到承载力以前管壁已经发生鼓曲,且试件宽厚比越大,鼓曲越早发生,鼓曲部位的钢管截面越早退出工作,没有发挥出钢管混凝土的优势。设置加劲肋后薄壁方钢管混凝土短柱的受力性能得到明显改善,钢管壁的局部鼓曲得以延缓,材料强度得到了充分利用,试件承载力提高。当试件宽厚比为60、80时,加劲肋宽度对试件承载力影响最明显,加劲肋宽度越大,承载力越高,增加加劲肋个数对试件承载力影响不大;而当试件宽厚比为100时,设置单个加劲肋已不能满足对管壁局部屈曲的抗弯刚度要求,必须增加加劲肋的个数以增加约束钢管变形的支撑点,减小管壁局部屈曲的波长,提高试件局部屈曲的临界荷载。同时利用ABAQUS有限元计算软件对薄壁带肋方钢管混凝土轴压短柱的受力全过程进行了模拟,并将试验结果与有限元模拟结果进行了对比,两者吻合良好,为下一步分析奠定基础。     

两边连接屈曲约束钢板剪力墙受力机理与等效支撑模型

采用理论分析和有限元方法,针对两边连接屈曲约束钢板剪力墙的受力机理和传力规律进行研究。提出了钢板墙边缘约束区的概念并确定了边缘约束区的宽度,分析了钢板墙的屈服形状、钢板墙内各部分应力流的分布规律和钢板墙与梁连接处的受力特点等。在此基础上提出了两边连接屈曲约束钢板剪力墙等效支撑模型,对不同尺寸、不同层数的框架 屈曲约束钢板剪力墙结构和框架 等效支撑结构在水平荷载作用下的力学性能进行分析,并对两种结构的荷载 位移曲线进行了对比。分析表明,所提出的等效支撑模型在结构刚度和承载力方面具有较好的准确性,无论是单调加载还是反复加载均能准确地模拟两边连接屈曲约束钢板剪力墙结构的受力行为。     

Improving strength and ductility of continuous composite plate girder bridges

The ultimate load carrying capacity of continuous composite plate girder bridges is usually limited by the local buckling failure of steel girders at interior supports. This paper presents a simple reinforcement method which changes the failure mechanism of the continuous girder from local buckling to formation of plastic hinges at the interior supports and mid-span. Such a change in failure mechanism greatly improves the strength and ductility of the superstructure. In this method the compressive portion of the web near the interior support is braced against local buckling by bolting pairs of stiff bracing elements on opposite sides of the web. The bracing elements prevent local buckling failure of the support section and create a section which can rotate inelastically at plastic moment allowing the second hinge to form at mid-span. The bracing elements may be plates or longitudinal stiffeners which should be designed to remain elastic while the section undergoes plastic deformation. The behavior of plate girders which are reinforced by such bracing elements is studied using nonlinear finite element analyses.