Research on mechanics and deformation performance of plate-reinforced composite coupling beamswith small span-to-depth ratio

根据7个小跨高比钢板 混凝土组合连梁试件的应变量测数据，研究了纵筋、箍筋和钢板在不同转角位移下的应变分布，定量分析了不同工作阶段连梁中钢板承担的剪力，并采用ABAQUS软件对组合连梁试件的抗震性能进行了非线性有限元分析。结果表明：钢板承担的剪力占连梁总剪力的百分比随连梁弦转角的增大而逐渐增大；小跨高比组合连梁剪切变形和总侧移量并不成固定比例增长；随着加载位移的增加，连梁剪切变形所占比例逐渐增大，各试件达到屈服荷载以后，剪切变形已超过总变形的50%以上。采用混凝土应力-裂缝宽度关系来考虑混凝土受拉软化性能，能较好地进行小跨高比组合连梁的弹塑性有限元分析。钢板沿梁跨度方向全跨轴向受拉，拉力分布呈M形分布，随着钢板厚度的增大，M形的峰值点拉力逐渐增大，在梁跨内钢板拉力较小，最小仅约为其峰值拉力的20%；跨高比、截面配钢率、纵筋配筋率、混凝土抗压强度和楼板作用是影响组合连梁抗震性能的主要因素。     

小跨高比钢板·混凝土组合连梁受力与变形性能研究

根据7个小跨高比钢板-混凝土组合连梁试件的应变量测数据,研究了纵筋、箍筋和钢板在不同转角位移下的应变分布,定量分析了不同工作阶段连梁中钢板承担的剪力,并采用ABAQUS软件对组合连梁试件的抗震性能进行了非线性有限元分析。结果表明:钢板承担的剪力占连梁总剪力的百分比随连梁弦转角的增大而逐渐增大;小跨高比组合连梁剪切变形和总侧移量并不成固定比例增长;随着加载位移的增加,连梁剪切变形所占比例逐渐增大,各试件达到屈服荷载以后,剪切变形已超过总变形的50%以上。采用混凝土应力-裂缝宽度关系来考虑混凝土受拉软化性能,能较好地进行小跨高比组合连梁的弹塑性有限元分析。钢板沿梁跨度方向全跨轴向受拉,拉力分布呈M形分布,随着钢板厚度的增大,M形的峰值点拉力逐渐增大,在梁跨内钢板拉力较小,最小仅约为其峰值拉力的20%;跨高比、截面配钢率、纵筋配筋率、混凝土抗压强度和楼板作用是影响组合连梁抗震性能的主要因素。     

外包钢板-混凝土组合连梁试验研究(Ⅰ):抗震性能

对6根外包钢板-混凝土组合连梁试件进行了拟静力加载试验,试件变化参数有连梁跨高比、钢板厚度和弯剪比。连梁钢板的破坏包括连梁端部钢板的开裂和钢板的局部屈曲。试件承载力的下降主要由梁端钢板的开裂和裂口扩展引起。所有试件的连梁钢板开裂后,裂口迅速扩展,在钢板开裂或开裂后的下一级位移循环时荷载达到峰值。连梁钢板的局部屈曲分为连梁端部钢板的受压局部屈曲和钢腹板的剪切局部屈曲。局部屈曲的发生和形态主要受钢板厚度、连梁的跨高比和钢板开裂的影响。所有试件的内填混凝土均未发生明显的受压破坏。混凝土的开裂程度与裂缝分布与外部钢板的变形程度相一致。采用连梁钢腹板无对接焊缝构造试件的变形能力明显优于连梁钢腹板有对接焊缝构造试件的变形能力。所有试件的滞回曲线饱满,具有稳定的耗能能力。     

外包钢板-混凝土组合连梁非线性有限元分析:传力与变形机理研究

在外包钢板-混凝土组合连梁试验研究的基础上,对组合连梁试件和不同参数取值的补充模型进行了非线性有限元分析。有限元分析得到的滞回曲线与试验曲线吻合良好,能较好地模拟组合连梁的受力行为。通过应力分析,发现内填混凝土的工作机制类似于斜压杆,其压力沿着连梁对角线方向从一端的受压侧传递到另一端的受压侧。外包钢板承担的剪力比例和弯矩比例的范围分别为0.36~0.76和0.57~0.82;混凝土的剪力与轴压力之比和连梁的高跨比近似相等。连梁的侧向位移由节点区变形引起的梁端转角、连梁的弯曲变形与剪切变形产生;在常用的跨高比范围内,剪切变形产生的侧向位移在总位移中占有较大比例,且受跨高比的影响很大。     

双钢板内填混凝土短肢组合剪力墙抗震性能试验研究

为了研究双钢板内填混凝土短肢组合剪力墙的抗震性能,进行了2层半单跨1/3缩尺试件的低周反复加载试验,分析了试件在循环荷载作用下的破坏机理、滞回性能、延性、刚度退化规律以及耗能能力。试验结果表明:双钢板内填混凝土短肢组合剪力墙滞回曲线饱满,耗能能力强,延性好,水平刚度较大;循环荷载作用下,连梁腹板首先屈服进入塑形,接着连梁两端翼缘、柱脚和剪力墙底部进入塑性;第2层连梁两端翼缘拉断,导致试件失效;剪力墙的线刚度远高于连梁的线刚度,水平荷载作用下连梁两端弯矩大,为结构的薄弱部位;为避免剪力墙自由边底部与梁连接部位发生破坏,在自由边处应设置边柱加强;试件达到峰值荷载时,顶点位移角为1/50;双钢板内填混凝土短肢剪力墙试件底层变形比2层小,耗能相对2层少;弹性范围内同一水平荷载作用下,连梁腹板的剪应变最大,边柱柱脚的正应变较大,剪力墙钢板的剪应变较小。ABAQUS 有限元分析结果与试验结果吻合较好。     

改进型波形钢腹板组合箱梁试验研究

传统的波形钢腹板组合箱梁多采用开孔钢板连接件,其存在下翼缘混凝土板需要支模且浇筑困难,正弯矩区下翼缘混凝土板容易开裂等问题。基于此,提出了将钢梁下翼缘置于混凝土底板下侧以及用钢板代替混凝土受拉底板两种改进构造形式,并完成了4个波形钢腹板组合箱梁试件的静力试验,研究其承载能力、刚度、裂缝发展、应变分布等受力特征。试验结果表明,钢梁下翼缘置于混凝土底板下侧的试件,其抗裂性能、承载力和刚度均明显高于传统构造的试件;对于取消混凝土下翼缘及预应力的试件,其仍具有足够的承载力和刚度,但自质量显著降低且可避免开裂,应用于桥梁正弯矩区具有较大优势。经济指标对比分析表明,在连续组合箱梁桥中采用文中提出的改进构造形式,能够产生良好的经济技术效益。     

Nonlinear finite element analysis of concrete filled steel plate composite coupling beams: force and deformation mechanics

在外包钢板-混凝土组合连梁试验研究的基础上,对组合连梁试件和不同参数取值的补充模型进行了非线性有限元分析。有限元分析得到的滞回曲线与试验曲线吻合良好,能较好地模拟组合连梁的受力行为。通过应力分析,发现内填混凝土的工作机制类似于斜压杆,其压力沿着连梁对角线方向从一端的受压侧传递到另一端的受压侧。外包钢板承担的剪力比例和弯矩比例的范围分别为0.36~0.76和0.57~0.82;混凝土的剪力与轴压力之比和连梁的高跨比近似相等。连梁的侧向位移由节点区变形引起的梁端转角、连梁的弯曲变形与剪切变形产生;在常用的跨高比范围内,剪切变形产生的侧向位移在总位移中占有较大比例,且受跨高比的影响很大。     

型钢混凝土构件轴心及偏心受拉性能试验研究

为探究型钢混凝土构件受拉性能,结合结构大厅现有500t压力机,自行研发一套拉压转换装置。对12根型钢混凝土受拉构件进行单调加载试验研究。通过改变型钢腹板厚度、型钢翼缘厚度、配钢率、偏心距以及配筋率等主要参数。对试件的承载力、侧向位移、裂缝的情况进行了参数影响分析。试验结果表明,偏心受拉试件偏心距越大,试件屈服荷载及极限荷载下降情况越明显,且侧向位移及破坏裂缝宽度越大;在轴心受拉试件中,型钢配钢率及腹板、翼缘厚度对试件的屈服荷载、极限荷载影响明显,对于偏心受拉试件影响不大;而配筋率对承载力、侧向位移、裂缝宽度影响甚微。     

Experimental study on residual stresses in welded monosymmetric I-section

为了研究单轴对称焊接工字形截面残余应力分布规律,采用盲孔法对15个单轴对称工字形截面试件进行了试验研究,得到了不同试件全截面纵向残余应力分布,研究了腹板高厚比、翼缘宽厚比、翼缘宽度、施焊顺序等对残余应力的影响。试验结果表明：残余压应力数值与截面尺寸直接相关,残余拉应力数值受截面尺寸影响较小;腹板中靠近宽翼缘一侧的残余压应力峰值大于靠近窄翼缘一侧的压应力峰值;翼缘宽度增大时,分布于所在翼缘和腹板的残余压应力减小;施焊顺序对翼缘上的残余应力及腹板上的残余拉应力峰值有一定影响,而腹板上的残余压应力没有明显变化。基于试验结果,提出了适用于单轴对称焊接工字形截面的残余应力分布模型,该模型能够较准确反映各种因素的影响。     

单轴对称焊接工字形截面残余应力试验研究

为了研究单轴对称焊接工字形截面残余应力分布规律,采用盲孔法对15个单轴对称工字形截面试件进行了试验研究,得到了不同试件全截面纵向残余应力分布,研究了腹板高厚比、翼缘宽厚比、翼缘宽度、施焊顺序等对残余应力的影响。试验结果表明:残余压应力数值与截面尺寸直接相关,残余拉应力数值受截面尺寸影响较小;腹板中靠近宽翼缘一侧的残余压应力峰值大于靠近窄翼缘一侧的压应力峰值;翼缘宽度增大时,分布于所在翼缘和腹板的残余压应力减小;施焊顺序对翼缘上的残余应力及腹板上的残余拉应力峰值有一定影响,而腹板上的残余压应力没有明显变化。基于试验结果,提出了适用于单轴对称焊接工字形截面的残余应力分布模型,该模型能够较准确反映各种因素的影响。     

钢板混凝土组合连梁的试验研究

为了评估并提高钢板混凝土组合梁的抗震性能,对其进行了试验研究。对6个不同跨高比、钢板厚度和弯曲-抗剪能力比的组合连梁样本施加反复荷载。从梁角部的钢板断裂开始进入极限状态,并逐渐发展到钢腹板和钢翼缘的中部。断裂开始后连梁抗剪能力方面的增长有限。发现的两种局部屈曲现象为梁端的压缩局部屈曲和钢腹板的剪切屈曲。内填混凝土并无压缩失效现象,混凝土裂缝的模式与钢板变形相一致。无对接焊缝的连梁腹板和剪力墙连接试件的变形能力大于局部有对接焊缝的试件。连梁的稳定性和完整的滞回性能表明了其具有稳定的耗能能力。     

钢梁-混凝土墙刚接节点低周反复荷载作用下的受力性能试验研究

对3个钢梁-混凝土墙刚接节点试件进行了低周反复荷载试验,分析了节点核心区钢梁腹板、钢梁翼缘、连接板、封口板、牛腿腹板、牛腿翼缘、分布钢筋、型钢暗柱等的应力应变关系.试验结果显示,在加载过程中,钢梁翼缘和腹板、牛腿翼缘均产生了屈服变形,但是封口板、牛腿腹板、分布筋、型钢暗柱都没有屈服,在设计时应加强钢梁翼缘和腹板、牛腿翼...     

波折腹板H形截面梁的有限元分析

波折钢腹板相对于平直钢腹板具有优异的抗屈曲性能和良好的局部稳定性.利用ANSYS有限元软件分别建立了波折腹板H形截面梁和平直腹板H形截面梁的有限元模型,通过对比总结分析两种梁在轴压力、弯矩和剪力作用下的截面应力分布情况的差异,得出波折腹板H形截面梁在轴压力和弯矩作用下由翼缘承担大部分荷载,在剪力作用下由腹板承担大部分荷载.得到的结果可以为相关结构设计提供一定的参考.     

新型防屈曲高强钢腹板可更换钢连梁抗震性能研究

文章率先提出一种新型防屈曲高强钢腹板可更换钢连梁(简称“新型钢连梁”)：腹板采用高强钢，可提高钢连梁的屈服抗剪强度，连梁变形减小，从而减小可更换结构整体变形，便于更换；加劲肋紧贴腹板(但不焊接)提供约束，仅与上下翼缘焊接，可减少60%以上的焊接量。其次，设计并开展了11个试件的拟静力试验，研究了加劲肋间距(规范限值dmax、0.85dmax)、腹板厚度(6mm、8mm)、腹板钢材强度(Q460、Q550)和构造形式(加劲肋与腹板贴紧或焊接)等参数对新型钢连梁抗震性能的影响。试验结果表明：试件均发生剪切破坏；满足加劲肋间距限值的新型钢连梁，滞回曲线饱满，峰值时腹板未发生鼓曲且极限转角均超过0.1rad，大于规范限值0.08rad，表现出良好的耗能和变形能力；缩小加劲肋间距、增加腹板厚度或提高腹板钢材强度，新型钢连梁刚度及承载力提高；新型钢连梁峰值承载力较传统构造试件低约5%。最后，基于试验结果建立了有限元模型并开展了分析，研究结果表明：对腹板采用Q460、Q550高强钢材的新型钢连梁，峰值承载力计算时超强系数建议取1.43(长度比为0.5～1.0)或1.39(长度比为1.0～1.6)、1.25，以期为实际工程设计提供依据。     

钢连梁-部分包裹组合剪力墙焊接节点抗震性能试验研究

为研究混合联肢部分包裹组合剪力墙(混合联肢PEC剪力墙)结构中钢连梁-PEC剪力墙焊接节点基本受力性能和抗震性能，以墙肢腹板厚度和混凝土包裹效应为设计变量，设计3个钢连梁-PEC剪力墙焊接足尺弱节点试件，进行低周往复加载试验。观察节点加载全过程中变形形态，并对其滞回性能、承载力、耗能能力、破坏模式、连梁及节点区应变等进行分析。研究结果表明：加载过程中，结构的塑性变形和损伤集中在节点区，满足“弱节点”的设计要求，钢连梁处于弹性状态；节点的破坏模式主要为节点核心区钢板剪切变形，核心区内混凝土形成斜拉杆机构效应，墙肢节点核心区下部区格混凝土局部压溃、外翼缘严重屈曲后翼缘钢板撕裂或焊缝拉断；节点破坏时，中部区格距节点核心区上下150 mm范围内出现塑性区，型钢应变超过屈服应变，混凝土在拉压反复作用下开裂，设计时应考虑中部区格对节点受剪承载力的贡献；钢连梁-PEC剪力墙焊接节点滞回曲线饱满，承载力高，具有优良的抗震性能；节点等效黏滞阻尼系数大于0.25;节点核心区及上下区格内混凝土对钢腹板提供了良好的包裹效应，拉结筋及混凝土的设置延缓了节点区下部外翼缘钢板的屈曲，填充混凝土的试件正向承载力提高2...     

Q550GJ高强钢焊接箱形截面残余应力试验研究

为了研究国产Q550GJ高强钢焊接箱形截面构件的残余应力分布情况,根据其力学性能,设计和加工了6个Q550GJ高强结构钢焊接箱形截面构件,采用分割法对其进行残余应力试验。基于试验测量数据,得到不同试件的残余应力分布,研究板件宽厚比、板件厚度等几何尺寸对残余应力的影响。研究结果表明:高强钢Q550GJ焊接箱形截面构件的翼缘和腹板两端近焊缝区域出现较大的残余拉应力,翼缘和腹板中部呈现大小基本不变的残余压应力区,其余部位为由残余拉应力到残余压应力转变的过渡区域。随着宽厚比的提高,翼缘和腹板残余压应力值相应减小,残余拉应力值的变化规律不明显,有增大的趋势,且残余拉应力值均小于高强钢Q550GJ的屈服强度。在相同宽厚比情况下,焊接箱形截面构件厚度增加后,翼缘和腹板的残余压应力和残余拉应力相应减小。     

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。     

巨型钢管混凝土柱分配梁构造下竖向荷载传递机理研究(Ⅰ):试验研究

在前期试验研究的基础上,对设置分配梁构造的超大截面矩形钢管混凝土柱进行轴压1∶5缩尺模型试验研究。为考察分配梁构造对竖向荷载的传递机制,试验中竖向荷载仅通过加载梁施加于钢管壁,混凝土不直接承担荷载。通过对试件破坏模式、分配梁破坏模式、管壁应变分布、试件承载性能及钢-混凝土共同工作性能进行分析,结果表明:所有试件表现出良好的延性,根据试验竖向荷载-位移曲线得出试件达到峰值荷载前具有较长的屈服平台段;混凝土承担的荷载取决于分配梁截面面积及截面刚度,并随分配梁截面面积的减小而降低;分配梁破坏模式为在梁端产生剪切屈服区域并产生较大塑性变形,部分试件分配梁下翼缘及腹板处形成了贯通撕裂裂缝;分配梁试验屈服承载力略大于梁全截面抗剪承载力,试验极限承载力接近梁全截面抗拉承载力。     

巨型钢管混凝土柱分配梁构造下竖向荷载传递机理研究（I）：试验研究

在前期试验研究的基础上,对设置分配梁构造的超大截面矩形钢管混凝土柱进行轴压1∶5缩尺模型试验 研究。为考察分配梁构造对竖向荷载的传递机制,试验中竖向荷载仅通过加载梁施加于钢管壁,混凝土不直接承 担荷载。通过对试件破坏模式、分配梁破坏模式、管壁应变分布、试件承载性能及钢-混凝土共同工作性能进行 分析,结果表明：所有试件表现出良好的延性,根据试验竖向荷载-位移曲线得出试件达到峰值荷载前具有较长 的屈服平台段;混凝土承担的荷载取决于分配梁截面面积及截面刚度,并随分配梁截面面积的减小而降低;分配 梁破坏模式为在梁端产生剪切屈服区域并产生较大塑性变形,部分试件分配梁下翼缘及腹板处形成了贯通撕裂裂 缝;分配梁试验屈服承载力略大于梁全截面抗剪承载力,试验极限承载力接近梁全截面抗拉承载力。     

洞口形状对腹板开洞钢-混凝土组合梁的受力性能影响分析

通过研究洞口形状对腹板开洞钢-混凝土组合梁受力的影响,选择合适的洞口形状以降低开洞造成的不利影响;在已有试验基础上,利用ANSYS对洞口设置在弯剪区段且洞口形状不同的组合梁进行力学性能分析,研究了洞口形状对承载力、变形能力以及内力重分布和传力机制的影响。结果表明：钢-混凝土组合梁腹板开洞会导致刚度、极限承载力下降;非正方形洞口组合梁因洞口形状不同,极限变形有不同程度增强;洞口形状会影响洞口处混凝土、钢梁承担的剪力比例,混凝土占总剪力的46%～59%,而钢梁占总剪力的41%～54%;极限变形与洞口处塑性铰的面积大小有关;栓钉会对周围的混凝土产生一定预压力,对混凝土应力重分布有影响,洞口处混凝土的剪力有明显的剪力差,洞口下方钢梁所承受的剪力大于洞口上方钢梁;洞口形状会影响组合梁内部传力机制,长方形、正方形洞口试件在洞口区域以次弯矩传递力,非长方形、正方形洞口试件在洞口区域以主弯矩传递力;在结构设计时应该考虑洞口位置的偏心、主应力方向与洞口边缘的夹角。