均布荷载作用下工字形截面单跨超静定深梁应力计算方法研究

工字形截面单跨超静定深梁因截面形式复杂目前其应力计算仍无解析方法。该文对均布荷载作用下工字形截面单跨超静定深梁应力计算进行研究,通过引入合理的参数并对工字形截面作恰当的拆分和组合及合理假设,建立了力学模型,应用半逆解法求解,并考虑了弯剪耦合效应,给出了各应力分量的计算公式。分析了弯应力沿梁高及跨长的分布规律及剪力对弯应力的影响,结果表明剪力对弯应力的影响较大,这种影响随跨高比的减小或翼缘与腹板面积比的增大而增大。结果可为工字形截面单跨超静定深梁的设计提供概念明确的理论计算方法。     

竖向闭口加劲钢板剪力墙在非均匀压力下的弹性稳定性研究

对非均匀压应力作用下设置多道竖向闭口加劲肋的钢板剪力墙进行了有限元弹性屈曲分析,得到了屈曲临界应力随加劲肋加劲系数变化的曲线,以及各情况下的门槛刚度值。加劲肋门槛刚度随偏压系数增大而减小,随加劲肋数目增多而增大,随小区格宽高比增大而减小,随加劲肋扭弯比增大而减小。提出了竖向闭口加劲钢板剪力墙弹性屈曲加劲肋门槛刚度的近似计算公式,公式计算结果偏于安全。     

竖向槽钢加劲钢板剪力墙剪切屈曲

对设置多道竖向闭口加劲肋的钢板剪力墙的剪切屈曲进行了有限元弹性屈曲分析,得到了剪切应力随加劲肋抗弯和加劲肋抗扭刚度变化曲线,以加劲板临界应力等于小区格按简支计算的剪切屈曲应力为条件,得到了双面加劲肋的门槛刚度。刚度小于门槛刚度时给出了剪切屈曲临界应力与加劲肋刚度的关系;将双面加劲同单面加劲、交错单面加劲两种情况进行比较,得出了后两者的门槛刚度放大系数。与数值结果比较表明:公式具有良好精度且偏安全。     

屈曲约束钢板剪力墙边框刚度影响研究

为了考察边框刚度对屈曲约束钢板剪力墙抗震性能的影响,该文将带边框普通钢板剪力墙和屈曲约束钢板剪力墙作为研究对象,采用ABAQUS非线性有限元分析软件,计算边框刚度对构件受力性能的影响。计算结果表明,在水平往复荷载作用下,带边框屈曲约束钢板剪力墙的滞回曲线饱满,等效粘滞阻尼系数较大,边框柱与边框梁对侧向刚度、承载力与塑性耗能均有一定贡献。在1/50层间位移角时,屈曲约束钢板剪力墙边框柱与边框梁的内凹变形均很小,Mises应力均小于普通钢板剪力墙的边缘构件,损伤程度显著降低,说明对边框柱与边框梁抗弯刚度的要求可以显著低于普通钢板剪力墙。屈曲约束钢板墙内嵌钢板的拉力带分布均匀、细密,最大面外变形与损伤程度均小于普通钢板剪力墙。螺栓对盖板面外变形有很大的约束作用,当螺栓间距较小时,混凝土盖板与钢筋的Mises应力显著减小。现行技术标准中对非加劲钢板剪力墙边框刚度的规定,不能很好地适用于屈曲约束钢板剪力墙。     

联肢加劲钢板剪力墙滞回性能试验研究与数值分析

完成了3个1/3比例的3层联肢钢板剪力墙试件的低周反复加载试验。3个试件的钢板剪力墙分别采用非加劲、槽钢竖向加劲和井字加劲的形式,钢板剪力墙的竖向边缘构件采用方钢管混凝土。得到了联肢钢板剪力墙试件的荷载-位移滞回曲线和破坏形态,对试件的骨架曲线、应力发展、延性及耗能能力等进行了分析。采用有限元软件ABAQUS对试件进行了数值模拟。结果表明:非加劲和槽钢竖向加劲墙板先屈曲后屈服,井字加劲墙板先屈服后屈曲,墙板屈服后连梁与钢板剪力墙边框梁相继屈服。方钢管混凝土柱脚屈服较早,屈服后仍具有良好的承载力和弹塑性变形能力。采用非加劲墙板的试件承载力最低,滞回环捏缩效应最严重,其次是采用槽钢竖向加劲墙板的试件。采用井字加劲墙板的试件滞回环较饱满。井字加劲和槽钢竖向加劲试件的峰值荷载分别比非加劲试件的峰值荷载提高了11.7%和6.9%,井字加劲和槽钢竖向加劲试件的等效黏滞阻尼系数分别比非加劲试件的等效黏滞阻尼系数提高了65.9%和19.9%。各试件的延性系数均大于4.5,表明不同加劲形式的联肢钢板剪力墙均具有良好的延性。数值分析与试验结果吻合较好,可充分地反映试件的滞回性能和破坏过程。加劲肋对连梁和边缘构件的内力影响较小,但可显著提高剪力墙板的抗剪承载力。相较于两片单肢钢板剪力墙,联肢钢板剪力墙的承载力和耗能能力均有大于20%的提高。     

钢板剪力墙加劲肋刚度及弹性临界应力研究

我国现行加劲钢板剪力墙整体屈曲临界应力计算公式来自密肋加劲板,但实际工程中采用的钢板剪力墙多采用1条或2条横向加劲肋。对1600多个加劲钢板剪力墙模型进行了三维有限元弹性屈曲分析,深入研究了仅设置竖向加劲肋、竖向和1条横向加劲以及竖向和2条横向加劲肋钢板的加劲肋门槛刚度要求。并提出了加劲钢板剪力墙弹性剪切临界应力计算公式。与数值模拟结果的比较表明,新公式具有良好的精度,并且公式结果均在安全一侧,有望在工程中得到应用。     

带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能试验

提出一种带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙,并进行5个1:4模型试件的拟静力试验,研究该形式组合剪力墙在不同轴压比、剪跨比下的破坏形式、滞回性能、变形能力以及耗能能力。试验结果表明:带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能良好,5个试件的屈服位移角平均值为1/114,极限位移角平均值为1/48;增大轴压比可提高试件的承载力,但其抗震性能有所降低;减小剪跨比,试件的承载力和刚度有较大幅度提高,其抗震性能变化不明显。采用有限元软件ABAQUS建立该形式双层钢板-混凝土组合剪力墙模型并进行分析,其计算结果与试验吻合良好。     

支座约束及荷载分布对薄壁深梁应力的影响

薄壁深梁的应力精确计算是个复杂的力学问题。该文在以往研究工作的基础上，运用弹性力学中的半逆解法并考虑了弯剪耦合效应，引入合理的无量纲参数，推导出不同支座约束及不同荷载分布作用下工字形截面深梁的应力计算公式。通过对无量纲翘曲正应力的分析指出：支座约束越强，翘曲正应力越大；线性分布荷载变化率越大，翘曲正应力越大。薄壁深梁的...     

聚氨酯-钢板夹层正交异性桥面板试验研究

通过2个不同纵向加劲肋间距的聚氨酯-钢板夹层结构正交异性三跨连续桥面板的钢箱梁模型试验,结合有限元计算分析方法建立多种加劲肋间距桥面板的钢箱梁计算模型进行计算对比,研究该种桥面板的受力性能,试验模型按实桥同种材料的箱梁缩小1/4制作,按汽车荷载在跨中及支点截面产生最大弯矩时测试截面各关键点的纵向、横向应变和挠度。结果表明:桥面板各点应变试验值与计算值基本吻合;采用聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板可大幅削减局部应力集中峰值,从而可大幅减少加劲肋数量,减少程度主要取决于夹层板厚度;板面有些部位要同时承受两个正交方向的反号应力;相应截面中间加劲肋底部纵向应力最大;夹层桥面板的应力和挠度随着芯层厚度减小,增幅加大。     

无加劲方钢管柱-H形钢梁节点弹性刚度的级数解答

按照欧洲规范EU3(EN1993-1-8)的计算方法,平面无加劲方钢管柱与H 形钢梁直接焊接节点一般情况下是半刚性的,其半刚性主要是由于柱壁平面外变形引起的.为准确计算包含这种节点的结构的位移、构件内力,需要确定节点弹性刚度.日本规范《钢构造接合部设计指针》根据试验和数值分析结果拟合出了该刚度的计算公式,但在力学概念上存在缺陷,且当梁与柱材料屈服强度取不同值时的计算结果与实际情况差异较大.该文从经典弹性板壳理论出发,依据数值分析建立的梁翼缘截面应力分布模型,推导出与柱壁变形相关的刚度的级数解答,其结果与试验数据、有限元数值结果能较好吻合.     

新型全装配式混凝土剪力墙(含水平缝节点)的整体性能

采用连接钢框和高强螺栓作为连接件,可实现相邻上下层预制混凝土墙板之间的干式连接。为评价该全装配式剪力墙的抗震性能,对2 个试件分别进行了单调加载试验和低周反复荷载试验。试验结果表明,该新型全装配式剪力墙的变形能力、延性性能及耗能能力略优于或相当于装配整体式剪力墙及现浇剪力墙。在试验研究的基础上,计入连接件的影响,推导了剪力墙屈服点、峰值点、破坏点荷载和侧移的理论公式。该计算公式反映了构件的主要受力特点,与试验结果吻合较好。计算结果表明:连接钢框的变形对总侧移的影响可以忽略不计,高强螺栓的滑移引起的顶点侧移占总侧移的12.0%~44.8%。     

Mechanistic model and numerical analysis for corrosion damage of reinforced concrete structure

Through sampling, we have conducted systematically the analyses of changing characteristics of steel bar corrosion and crack width on reinforced concrete surfaces. Based on the analyses from the sampling, we have obtained the mathematical model for outer elliptical contour and the formulas to calculate thickness of corrosion layer at any associated point on steel bars. A stress model of discrete displacement on fictitious boundary for the corrosion layer and corresponding solutions for displacement and stress on the fictitious boundary have been advanced, which solve quantitatively the stress to the structure acted by corrosion layer. Finally, under the conditions of displacement on the fictitious boundary and by applying numerical manifold method, we had performed the simulation of track for crack propagation caused by corrosion and expansion of side steel bars as time elapses in existing reinforced concrete structures. The simulation results have conformed to those of the experiment.     

模拟酸雨腐蚀钢管混凝土构件静力性能研究

该文讨论了模拟酸雨腐蚀环境下钢管混凝土构件静力性能的退化规律,具体包括模拟酸雨腐蚀后:钢材材料力学性能;钢管混凝土构件轴压力学性能;钢管混凝土构件纯弯力学性能;钢管混凝土构件偏压力学性能。分析了腐蚀率对钢材屈服强度、弹性模量、极限抗拉强度和极限延伸率的影响,采用钢管壁厚折减以及壁厚折减耦合材性折减的模拟腐蚀损伤方法,结合有限元ABAQUS软件、规范公式,分别计算了构件荷载-变形关系曲线、极限承载力,并和试验结果进行了比较,发现钢管壁厚折减方法优于壁厚折减耦合材性折减方法,地方标准严于国家标准。     

Surface stress effects on the free vibration behavior of nanoplates

A new frontier of research in the area of computational nanomechanics is to study the behavior of structures at very small length scales. As the dimensions of a structure approach the nanoscale, the classical continuum theories may fail to accurately predict the mechanical behavior of nanostructures. Among these nanostructures, nanobeams are attracting more and more attention due to their great potential engineering applications. One of the most important factors that influence the behavior of such submicron-sized structures is surface stress effect because of their high surface to volume ratio. In this paper, a non-classical solution is proposed to analyze bending and buckling responses of nanobeams including surface stress effects. Explicit formulas are proposed relevant to each type of beam theory to evaluate the surface stress effects on the displacement profile and critical buckling load of the nanobeams. Numerical results are presented to demonstrate the difference between the behaviors of the nanobeam predicted by the classical and non-classical solutions which depends on the magnitudes of the surface elastic constants.     

带环形阻尼器的装配式高强钢板剪力墙抗震性能研究

钢板剪力墙因具有良好的抗震性能被大量应用到高层建筑和高烈度区域。为解决装配式钢板剪力墙滞回曲线捏缩、平面外屈曲问题,该文提出一种带环形阻尼器的装配式高强钢板剪力墙。针对该装配式高强钢板剪力墙,变化高厚比和钢材牌号对其进行拟静力荷载作用下抗震性能有限元和试验研究,分析破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能性能和延性。研究结果表明：该装配式高强钢板剪力墙内嵌板环形阻尼器和边界连接板带屈服破坏,其他构件完好;滞回曲线饱满,位移延性系数在5.7～8.7,抗震性能良好;提出的抗剪承载力计算公式简单明了、概念明确,与有限元模拟和试验吻合良好。     

斜拉桥跨中竖向位移的温度灵敏度系数研究

环境温度变化下桥梁跨中竖向位移的变化规律是结构健康监测关注的重要问题。前期研究表明,拉索温度和主梁平均温度是引起斜拉桥主跨跨中竖向位移变化的关键温度变量。该文通过平面几何分析和级数展开得到了对称双塔斜拉桥主跨跨中竖向位移关于拉索温度、主梁平均温度的灵敏度系数的实用计算公式。该公式反映温度变形的物理机理,揭示温度灵敏度系数与材料特性(线膨胀系数)和结构尺寸参数(主跨长度L₀、边中跨比γ₀和塔高跨比ξ)之间的关系,为斜拉桥温度变形的研究提供了新思路。     

高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料受拉应力-应变关系

为了研究高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,EEC)的受拉性能,考虑高强不锈钢绞线配筋率、ECC抗拉强度、高强不锈钢绞线网增强ECC试件宽度3个影响因素,对设计的27个高强不锈钢绞线网增强ECC试件进行了单轴拉伸试验。试验结果表明,高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的开裂应力和极限应力随着钢绞线配筋率、ECC抗拉强度的增大而增大;增大试件宽度对试件的开裂应力和极限应力几乎无影响。基于试验结果,提出并建立了高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型,推导了开裂应力和极限应力计算公式。经验证,计算结果与试验结果吻合良好,说明所建立的受拉本构模型可准确描述高强不锈钢绞线网增强ECC的受拉应力-应变关系。      

复式空心钢管混凝土组合轴压弹性模量分析

将复式空心钢管混凝土柱分成混凝土、内钢管和外钢管三部分,作为拟平面轴对称问题进行分析。应用弹性力学中的势能驻值原理进行弹性理论分析,描述复式空心钢管混凝土柱在小变形下的弹性行为及套箍机理。导出了钢管混凝土柱在轴向压力作用下的套箍系数、组合轴压弹性模量的理论计算公式。分析结果表明:复式空心钢管混凝土的组合轴压弹性模量与钢管的泊松比、混凝土的泊松比有着必然的联系,同时钢管与混凝土之间的“套箍作用”对组合弹性模量也有一定的影响。组合轴压弹性模量随着含钢率的增大基本成线性增长,并得到了复式空心钢管混凝土柱在轴力作用下的应力分配比不是简单地按单轴弹性模量比分配的结论。     

柔性环形防护网顶破受力归一化分析

开展了6组环形钢丝网片单元顶破承载力试验,并基于LS-DYNA开展了非线性数值模拟,揭示了柔性环形网的顶破受力的三阶段工作特性。进一步考虑钢丝缠绕圈数、圆环直径、顶破端与环形网的面积比以及环形网长宽比等影响开展参数分析,据此提出了环形网片拉伸变形的解析计算方法,建立了顶破力-拉伸位移的相关性方程。研究结果表明:随着圆环缠绕圈数的增多,环形网的极限破断力线性增大,极限拉伸位移线性小幅减小;随着圆环直径的增加极限破断力指数型降低,极限拉伸位移线性增大;随着顶破端与网片的面积比的增大极限破断力和极限拉伸位移均幂函数持续减小,变化速率基本一致;随着环形网长宽比的增大,极限破断力和极限拉伸位移都呈幂函数减小,破断力的减小更为明显。研究成果可用于柔性防护系统环形网单元设计。     

Viscoplastic BEM fracture analysis of creeping metallic cracked structures in plane stress using complex variable techniques

This paper extends a boundary element approach developed earlier by the present author to the solution of viscoplastic fracture problems arising in creeping cracked metallic structural components undergoing plane stress deformation conditions. By using a plane stress viscoplastic formulation this work adopts the procedure of Lyness and Moler to express the derivative of displacement rate as the ratio of the imaginary part of the displacement rate to the imaginary part of a complex variable representing the coordinates of a collocation point. In this manner the evaluation of creep stresses at internal points is greatly simplified. The results thus obtained are highly accurate in comparison with conventional BEM. The application of the present BEM approach is illustrated by obtaining creep stress and strain distribution for center cracked and standard CT fracture specimens subjected to remote tensile and shear stress loading under plane stress deformation conditions.