弯曲型支撑-框架的假想荷载法

为避免在钢结构设计中逐一去确定框架柱的计算长度,该文提出了一种应用于弯曲型支撑框架的假想荷载法。将假想荷载作用于框架楼层,配合二阶弹性分析,考虑材料非线性、残余应力和初始几何缺陷,研究了多种几何和荷载条件下的弯曲型支撑框架模型,分析了一系列模型的极限承载力,提出了统一的假想荷载系数以及假想荷载的近似公式,无论是有水平荷载或无水平荷载,无论是等截面还是变截面,其结果与有限元结果都符合较好。     

考虑随机缺陷的钢框架-支撑结构试验研究与有限元分析

该文对一榀单跨双层钢框架-支撑结构进行了静力试验,重点研究了初始几何缺陷对结构变形性能的影响,由试验结果与有限元分析结果对比吻合较好,证明了考虑随机初始缺陷有限元模型的正确性。采用有限元ANSYS软件对三跨三十二层钢框架-支撑结构的随机缺陷模型进行全过程高等分析,采用蒙特卡罗法拉丁超立方抽样的技术模拟了框架随机初始缺陷的分布情况,并对比多种国内外规范多种考虑初始缺陷的方法,重点研究了结构和构件的变形性能。结果表明:考虑随机初始几何缺陷的框架变形与无缺陷理想框架的柱顶侧移相差不大,在高层结构的高等分析中可不考虑。此外规范中假想力框架变形远远超出随机缺陷框架,可知假想力计算方法过分夸大了初始几何缺陷的不利作用。     

基于轴力权重的有侧移钢框架整体稳定性的实用算法

针对规范计算长度系数法逐个构件验算确定钢框架整体稳定的不便以及无法考虑同层柱间的相互支援以及层与层的支援作用的不足,该研究基于弹簧-摇摆柱模型阐述了有侧移框架结构失稳的物理意义。通过结构转换的概念,首先利用框架重复单元求解楼层抗侧刚度及利用临界刚度比系数求解楼层荷载刚度,然后将楼层抗侧刚度和荷载刚度进行整体组装,将求解钢框架整体稳定临界承载力的二阶计算转化为确定框架整体抗侧刚度的一阶问题,最后基于轴力权重加权平均的方法考虑楼层刚度激活程度,获得可直接计算钢框架临界承载力的计算公式。该公式能够判断结构的薄弱层,可以定量地计算楼层之间相互支援程度,避免了计算长度系数法可能因无法考虑两种支援作用造成的不合理设计。算例计算结果表明,该方法具有很好的精度及准确性,可供工程设计使用。     

型钢混凝土异形柱框架地震损伤分析

为实现对型钢混凝土异形柱框架的地震损伤分析,采用加权系数法建立了能够反映构件损伤、楼层损伤和整体框架损伤三者迁移演化的地震损伤模型,并对两榀型钢混凝土异形柱框架进行了地震损伤试验及有限元模拟,获得了梁的弯矩-转角滞回曲线和柱的水平荷载-位移滞回曲线,进而对试件的地震损伤指数进行了计算分析。结果表明,构件、楼层和整体框架的损伤指数变化规律与试件的破坏发展历程较为吻合,说明所建立的型钢混凝土异形柱框架地震损伤模型是合理的。基于试件的破坏状态及地震损伤分析结果,提出了型钢混凝土异形柱框架对应5个性能水平的损伤指数范围,为该类结构的震后损伤评估提供了依据。     

多层剪切型支撑钢框架整体稳定性的解析算法研究

剪切型支撑钢框架整体稳定计算需考虑钢框架与剪切型支撑之间的相互作用,还需要考虑同层柱间的相互支援以及层与层之间的支援作用,规范计算长度系数法无法考虑这些因素可能会造成不合理设计。提出了一种计算多层剪切型支撑钢框架整体稳定性的解析算法,首先分析了支撑刚度与结构临界承载力之间的关系,推导了层临界支撑刚度计算公式,接着利用弹簧-摇摆柱力学模型推导了任意支撑下框架柱临界刚度比系数计算公式,然后将各楼层的有效抗侧刚度及荷载刚度进行楼层间的组装,将求解剪切型支撑钢框架的临界承载力转化为求解结构的楼层有效抗侧刚度,最后基于轴力权重加权平均的方法推导了可直接求解多层剪切型支撑钢框架临界承载力的计算公式,该公式能够判断结构的薄弱层,可以定量地计算楼层之间相互支援程度,有效地弥补规范尚无法求解弱支撑钢框架柱计算长度系数的不足。     

几何缺陷影响下的CFRP-方钢管极限承载力解析解

该文利用计算压弯钢构件弹塑性失稳的Je?ek法,推导了受轴心压弯外力作用下具有初始几何缺陷且翼缘两侧分别粘贴碳纤维片后的方钢管构件失稳时极限荷载的计算公式。通过采用数值分析法,结合非线性屈曲理论,进行了受初始几何缺陷影响的碳纤维增强方钢管构件的屈曲分析,并得到极限承载力的数值解。将数值分析结果与Je?ek法得到的解析解进行比对,可以发现两种计算结果吻合的较好。由计算结果可知,当给定弯矩值时,三种构件当中碳纤维增强后的构件极限承载力始终保持较高数值。给定弯矩较小时,裸钢构件的极限承载力要高于考虑缺陷的碳纤维增强后的构件。当弯矩逐渐增加,其前者的极限承载力降低速度要快于后者。     

双重弯剪型抗侧力结构的屈曲及其二阶效应

该文采用连续模型对刚度和轴力均匀的双重弯剪型抗侧力结构的屈曲进行分析,得到了计算临界荷载的精确公式。公式表明:双重抗侧力结构总的临界荷载是两个结构作为独立结构时各自临界荷载的简单相加,与竖向荷载在两个结构上的分布无关。对在均布水平荷载和顶端竖向集中荷载共同作用下的双重弯剪型结构进行了二阶分析,得到了弯曲侧移、剪切侧移、总侧移及其两个结构中的弯矩的二阶效应放大系数,并提出了简化计算公式。该公式用于顶部侧移计算非常精确,用于下部侧移计算精度良好且偏于安全;该公式也可以用于子结构整体弯矩的计算,子结构是框架的情况下也可以用于框架柱柱端弯矩的放大计算,在下部2/3高度范围内偏于安全。整个解析解的推导过程表明,这些放大系数也与竖向荷载在两个结构上的分布没有关系。     

半刚性连接钢框架稳定性的刚重比控制方法

通过对构件转角-位移方程的修正,推导了半刚接梁单元线刚度修正系数。用等效水平力方法,推导了结构临界重力荷载,提出了用对结构刚重比的控制来进行半刚接钢框架考虑重力二阶效应的稳定计算方法。算例结果表明:连接的半刚性对结构稳定的影响非常大,在该类型钢框架计算时,必须考虑连接刚度的影响。该方法使用方便,计算结果精度高,便于工程设计。同时还计算分析了连接的初始刚度对结构位移和刚重比的影响。     

基于蒙特卡罗的考虑随机初始缺陷的分析方法

现行规范采用的多种直接或间接考虑初始缺陷的取值方法均没有很好的考虑构件缺陷的随机分布,夸大了初始几何缺陷的影响。针对现有工程初始缺陷实测分布具有随机偶然性的问题,该文采用蒙特卡罗法模拟了结构构件的随机初始几何缺陷。为进一步提高抽样效率,同时采用了具有抽样记忆功能的拉丁超立方抽样技术,避免了在抽样空间内重复抽样,有效减少了模拟次数。结果表明:用自编程序实现的考虑钢框架结构随机初始几何缺陷的分析方法,可以在多高层钢框架结构高等分析中模拟初始缺陷的随机分布与遇合,为开展准确有效的高等分析与设计研究奠定基础。     

地震作用下钢框架落层倒塌效应模拟分析

为了研究地震作用下钢框架结构的落层倒塌效应,根据相关文献提供的9层钢框架模型,利用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA分析其在地震作用下的结构响应,同时模拟相关文献中的振动台结构倒塌试验,分析结果同文献对比较为吻合,验证了模型的合理性。对该钢框架在强震作用下的倒塌效应进行仿真,分析表明强震作用下首先由于结构中部薄弱层层间位移角发展达到1/10并持续增大,发生落层倒塌,上部楼层碰撞作用于下部楼层,使下部相邻楼层柱轴力突增,加剧该层P-Δ效应,导致下层倒塌;此外第1层层间位移角亦发展达到1/10并持续增大,继而导致钢框架整体发生连续倒塌破坏。分析了落层倒塌碰撞作用下,薄弱层相邻下层柱总轴力变化规律,其动力放大系数可能大于规范取值。加强薄弱层抗侧刚度可有效防止钢框架发生倒塌破坏;合理设计的钢框架结构当薄弱层层间位移角超过规范限值但未出现持续增大现象时,不出现倒塌破坏。     

初始几何缺陷对仓壁柱承钢筒仓稳定性能的影响

仓筒壁直接支承于支柱是小型钢筒仓的一种简单、经济的支承方式。薄壳结构通常对初始几何缺陷十分敏感。引入周向轴对称焊缝凹陷和特征值屈曲模态两种缺陷形式,通过几何非线性分析,研究初始缺陷对轴压下仓壁柱承筒仓稳定性能的影响。研究表明,周向焊缝凹陷会显著降低结构的屈曲荷载,且与焊缝位置密切相关,而特征值模态缺陷只有在支柱接近仓顶时才会显著影响其屈曲强度。     

钢管混凝土框架实用荷载-位移恢复力模型研究

根据钢管混凝土柱-钢梁平面框架在恒定轴力与水平低周往复荷载共同作用下的试验结果,分析了钢管混凝土框架典型的水平荷载-水平位移滞回关系曲线的特征。基于非线性有限元理论,对影响钢管混凝土框架荷载-位移骨架曲线的主要因素进行了分析,结果表明:钢管混凝土柱含钢率、钢材强度、混凝土强度、柱轴压比、长细比、梁柱线刚度比及梁柱强度比等参数对钢管混凝土框架的荷载-位移骨架曲线有较大的影响。基于系统的参数分析结果,该文建议了单层钢管混凝土框架的荷载-位移恢复力模型。荷载-位移骨架曲线模型及滞回曲线模型的计算结果得到了试验及精确理论计算结果的验证。     

Probabilistic analysis of delamination onset in linear anisotropic elastic and viscoelastic composite columns

Previously developed deterministic and stochastic combined load invariant failure criteria are used to determine the onset of delamination in elastic and viscoelastic columns. The analysis includes the effects of initial imperfections as well as offset column loads and transverse shear contributions. The delamination predictions are found to be sensitive to the magnitude of applied loads and of initial imperfections. Illustrative numerical examples are presented for elastic and viscoelastic columns with random combined failure stresses in bending, shear, compression and with normal interlaminar stresses. Probabilities of delamination onset are established for various axial loads and initial imperfections and in the viscoelastic columns additionally as a function of lifetime. Since the failure theories consider the combined effects of bending, shear, compression and normal interlaminar stresses, delamination onset is predicted at smaller axial loads than the critical buckling loads in the elastic case and at shorter viscoelastic lifetimes compared to equivalent columns with no delamination effects.     

钢管混凝土平面框架子结构抗连续倒塌精细有限元分析

竖向关键构件失效后,结构的抗倒塌能力主要以失效柱上部钢梁的梁机制和悬链线机制为主。选取"两跨三柱"型钢管混凝土平面框架子结构形式为研究对象,采用精细有限元法细致剖析竖向荷载全过程作用下平面框架的倒塌全过程,分析中柱竖向位移与承载力的全过程曲线特征,研究不同几何和物理参数对框架的抗力曲线的影响规律。结果表明:中柱承载力P-竖向位移Δ曲线分为四个阶段:梁机制阶段、转换机制阶段、悬链线机制阶段、破坏阶段。综合抗力指标和位移延性指标可以看出,钢梁翼缘厚度和钢管含钢率对该类结构的抗连续倒塌影响较为显著,工程实际设计和应用中应予重视。     

矩形截面框架柱斜向受剪承载力计算模型

为避免矩形截面框架柱在斜向水平地震作用下发生脆性破坏,通过试验研究14根框架柱在斜向水平荷载作用下的受力性能和破坏机理。以桁架-拱模型为基础建立计算矩形截面框架柱斜向受剪承载力的空间桁架-拱模型,该模型主要考虑了框架柱截面面积、混凝土和箍筋材料强度、配箍率、轴压力以及混凝土强度折减系数对其斜向受剪承载力的影响。最后,利用该文以及其他试验共计30根矩形截面框架柱的斜向受剪承载力试验结果对此空间桁架-拱模型的可行性和适用性进行了验证,试验结果与计算值的对比表明利用该模型可以安全计算矩形截面框架柱斜向受剪承载力。     

实腹式型钢混凝土异形柱中框架拟静力试验及静力弹塑性分析

为研究实腹式型钢混凝土异形柱中框架的受力性能, 对1榀缩尺比为1∶2.5的两跨三层实腹式型钢混凝土异形柱中框架进行了拟静力试验, 得到了试件的破坏形态、滞回曲线和特征点荷载、位移参数。在试验研究的基础上, 对该新型框架结构在SAP2000程序中静力弹塑性分析模型的建立方法进行了对比分析, 结果表明:利用纤维铰建立的分析模型能更有效地分析其静力弹塑性性能。考虑影响实腹式型钢混凝土异形柱中框架弹塑性的4个主要因素:柱肢高肢厚比、型钢屈服强度、混凝土强度和梁柱屈服弯矩比, 对其静力弹塑性分析模型进行了变参数分析, 结果表明:提高柱肢高肢厚比或梁柱屈服弯矩比, 可显著提高框架的水平承载力;随柱肢高肢厚比的加大, 框架的刚度明显增大;改变柱肢高肢厚比、型钢屈服强度或梁柱屈服弯矩比, 框架的延性基本不变。     

Q420高强度等边角钢轴压构件整体稳定性能设计方法研究

为研究Q420高强度等边角钢轴压构件的整体稳定受力性能与设计方法, 该文采用有限元软件ANSYS建立数值模型, 并经与试验结果对比验证后进行了大量参数分析, 研究了构件几何初始缺陷、残余应力和钢材屈强比对该类轴压构件整体稳定性能的影响, 分析了已有设计方法的适用性。结果表明, 构件初始缺陷对其稳定性能的影响与构件长细比及失稳模态有关, 残余应力的影响与构件长细比有关, 钢材屈强比的影响较小。基于数值计算结果建议了Q420高强度等边角钢轴压构件考虑板件局部屈曲相关作用的整体稳定设计方法, 为补充和完善我国钢结构设计规范提供了参考, 同时也有利于促进高强度钢材在我国钢结构工程中的应用。     

Collapse of a high storage rack

A high storage rack collapsed during operation resulting in one fatality. The investigation had to prove whether an overloading or an incorrect design, manufacture or installation of the rack lead to the failure. A failure as a result of excessive external forces could have had two possible reasons: static failure due to local or global overloading with stored goods, or a dynamic failure due to an impact load (e.g., collision with forklift), vibrations or instable loads. At the start of the investigation, a detailed inventory taking of the scene of the collapse was performed, recording the broken rack components and reconstructing the loads carried at the time of failure. Based on the collected information, the utilisation of each rack bay had to be determined.The load capacity and the stability under load of the rack were investigated by finite element methods (FEM). Buckling analyses of the installed columns were performed and a sensitivity study comprising several geometric and load imperfections such as asymmetric loading of the column, local imperfections (dents) and bearing type (support) showed the impact of these parameters on the stability. The choice of an appropriate model cutaway and valid boundary conditions presented a major challenge.The recalculated actual load on the middle frame at the time of accident amounted to 68 kN per column. According to the rack manufacturer, the intermediate upright supports had a design capacity of 50 kN (comprising an unknown safety factor). The load capacity calculated by linear FE analysis amounted to 86 kN for the ideal case and less than 60 kN for the assumed imperfect case. Considering imperfections in a nonlinear static analysis, the ultimate load resulted between 67.3 and 70.3 kN. Thus, the failure could be attributed to a static overload of the intermediate frame without the need of any additional external perturbation. Only the assessment of the effective load capacity proved the causality between the non-compliance of the manufacturer instructions and the collapse.     

轴心受压梭形变截面钢管格构柱的弹性屈曲性能

梭形钢管格构柱是由若干钢管分肢以及许多横向缀管组成的变截面轴心受压构件,良好的力学特性和优美的建筑造型使其广泛应用于索膜结构、大跨度空间结构及高层结构的支承体系,它是近年来出现的一种新型的结构构件。利用有限元软件ANSYS分析了梭形三肢钢管格构柱的几何参数对其弹性屈曲荷载和屈曲模态的影响。这些几何参数包括:柱长、整体长细比、分肢钢管几何尺寸(外径和壁厚)、横向缀管几何尺寸(外径和壁厚)、横向缀管数量(或分肢长细比)等。分析结果表明,梭形格构柱在不同的结构参数下的屈曲荷载和屈曲模态与等截面柱有很大的不同,其中“S”形的屈曲模态反映了这种构件新的屈曲性能。