大跨度钢-混凝土组合桁架铁路桥端节点模型试验研究

钢-混凝土组合桁架梁上弦端节点受力复杂,有必要通过模型试验对其钢-混上弦节点的应力应变状态及工作性能进行研究,探索组合桁架上弦节点合理构造和承载力。介绍节点模型的设计、加载过程和测点布置等;重点通过对试验结果分析和有限元计算的比较,得出弦杆应变和节点板应力的分布规律,通过绘制弦杆荷载-水平位移曲线,对节点的非线性受力行为进行研究,得出节点整体的受力性能。研究表明:钢-混凝土组合桁架节点受力合理,节点承载力安全储备较高,满足铁路桥梁设计要求,PBL连接件抗剪能力良好;节点板是受力的关键部位,加设节点板加劲肋可以有效提高节点屈服后强度,但对极限荷载的提高作用不大。     

耳板式组合桁架节点试验及有限元分析

以某槽形梁-钢桁组合结构桥梁下弦节点为原型,根据相似理论,制作了3个1∶3的节点模型。通过对模型进行水平单调静力加载和有限元模拟分析,对节点的破坏形态、极限承载力及各组成构件的受力性能进行了研究。结果表明:节点模型的破坏形态主要包括受压腹杆局部屈曲和节点核心区混凝土的开裂;节点核心区刚度大,承载力高,PBL剪力键群和节点板能有效地将弦杆和腹杆连接成整体;采用有限元软件对节点进行分析合理可行。     

高铁虹桥站钢桁架-钢管混凝土柱节点性能试验研究

最近建设完成的京沪高速铁路上海虹桥站结构中,有一种钢桁架-钢管混凝土柱焊缝连接的新型节点,该节点构造和受力性能极其复杂。本文对该节点进行了1∶4缩尺模型承载力试验研究,介绍了如何实施对该复杂节点加载的试验方法,讨论了节点的受力性能、薄弱环节和破坏模式。试验表明该节点构造设计有效,具有足够的承载力,可达到设计荷载的3倍,并具有良好的塑性变形能力。但是,节点也显示出薄弱坏节,表现为在钢桁架受拉斜腹杆翼缘与节点环板竖向加劲肋的焊接部位出现开裂现象。建议适当增大受拉斜腹杆端部的翼缘弯折曲率半径,平缓腹杆向竖向加劲肋的传力,可使节点性能得到进一步完善。     

钢-UHPC组合桁式拱桥拱肋与腹杆节点性能试验研究

钢-UHPC组合桁式拱桥的提出,有望解决特大跨径拱桥造价高、难以施工等难题。对1000m钢-UHPC组合桁式拱桥拱肋与腹杆关键节点的受力性能进行了研究,计算表明,在荷载基本组合作用下节点拉、压杆的轴力均超过10000kN,为保证节点处钢和UHPC两种材料牢固结合,通过节点受力分析和优化研究,提出了一种带混合连接件钢接头的UHPC箱型拱肋与钢腹杆新型节点连接构造。对最不利受力的节点制作了1∶5缩尺模型,不考虑箱型拱肋底板和腹板对节点受力的贡献,开展了平面三向加载试验和抗拔试验。试验结果表明：平面三向加载试验中节点的破坏模式为UHPC拱肋一侧开裂,另一侧压溃,但节点连接保持完好;抗拔试验中节点的破坏模式为UHPC拱肋沿钢接头的轮廓剪切破坏;平面三向加载试验中,钢腹杆的极限荷载是设计荷载的2.72倍,且UHPC拱肋的名义开裂应力为13.36MPa,是设计应力的1.85倍,表明节点的承载能力和抗裂性能满足设计要求;钢接头与UHPC拱肋结合面的抗剪性能和抗拔性能满足正常使用极限状态和承载能力极限状态的要求。     

模块化装配式钢结构桁架梁承载力性能研究

对装配式钢结构住宅体系的钢桁架梁承载力进行研究,采用有限元软件ANSYS建立不同跨度、不同弦杆尺寸的钢桁架梁有限元模型,对其进行非线性静力分析,对比不同参数桁架梁的荷载-位移曲线,对桁架梁的极限承载能力以及变形破坏特性进行分析研究,获得装配式钢结构体系中钢桁架梁的破坏机理。钢桁架梁破坏时塑性区主要在跨中弦杆处,而腹杆相对受力较小,跨中弦杆先于腹杆破坏,满足"强剪弱弯"的设计要求;各桁架梁屈服荷载与极限荷载相差比较大,使得构件从屈服到破坏有较大的延性空间。     

模块化装配式钢结构桁架梁受弯性能试验研究

与传统实腹梁相比,模块化装配式钢结构体系中的钢桁架梁腹部空隙大,更便于管线综合穿过,有效地增加了房间的净高,而且更加经济、美观。通过对钢桁架梁静力性能的试验及有限元分析研究,获得装配式钢结构体系中钢桁架梁极限承载力及变形破坏特征。钢桁架梁破坏位置集中于加载点附近上弦杆处,各腹杆应变均未达到屈服应变值,桁架梁弦杆先于腹杆破坏,符合结构"强剪弱弯"的设计原则;桁架梁极限荷载值与屈服荷载比值较大,说明构件从屈服到破坏有较大的安全储备;桁架梁有限元模拟结果与试验结果互相验证,有较好的吻合度。     

斜拉桥桥塔钢-混结合段的力学行为和传力机理研究

为研究斜拉桥桥塔钢-混结合段的力学行为与传力机理,设计某组合斜拉桥的桥塔钢-混结合段的1∶3缩尺试验模型,对其进行正常使用极限状态与承载能力极限状态的加载试验;测试试验模型的控制断面和主要构件的应力、变形情况;结合非线性有限元分析,研究钢-混结合段的传力机理。试验得到如下结论:钢-混结合段构件的应力分布均匀顺畅,应力水平较低;钢结构与混凝土之间相对滑移量较小,二者能协同受力;采用非线性弹簧单元能近似模拟钢-混结合段中PBL剪力键的受力行为,数值分析结果具有良好的工程精度;PBL剪力键分担60%以上的荷载,在钢-混结合段设计中,可以将其作为主要传力构件。     

钢管混凝土组合桁梁受弯承载力简化计算方法研究

钢管混凝土组合桁梁由钢管混凝土桁架和混凝土板组成,其在承受正弯矩时可充分发挥混凝土板与桁架的组合作用。为对这种结构的受弯受力性能进行研究,提出了基于铰接桁架的分析方法,以不带竖腹杆的warren型钢管混凝土组合桁梁为例,推导了在节点单点荷载以及两点对称荷载作用下简支组合桁梁各个构件的效率系数。通过不同构件之间的效率系数进行对比,得到了组合桁梁的破坏模式判定以及受弯承载力简化计算方法。同时通过引入腹杆抗力折减系数,将节点承载力对组合桁梁受弯承载力的影响也考虑在内。将公式计算结果与既有文献中的钢管混凝土组合桁梁、桁架试件试验结果进行了对比,破坏模式和受弯承载力均吻合良好,所选全部33榀试件的计算值与实测值的相对误差为1.27%,标准差为0.128。结果表明,该简化计算方法建立了节点与组合桁梁承载力之间的相互联系,能够快速、准确地对破坏模式及受弯承载力进行估算,可极大地简化设计流程。设计中应根据组合桁梁各构件的效率系数对其截面尺寸进行优化,确保不同破坏模式下的受弯承载力较为接近,同时避免由于节点或腹杆过早失效导致组合桁梁发生剪切破坏。     

基于微观断裂机制的XK型相贯节点极限承载力分析

采用基于微观断裂机制的空穴扩张模型（VGM）和应力修正应变模型（SMCS）对XK型相贯节点进行断裂预测,分析了有限元模型中考虑焊缝构型与否对断裂预测结果的影响。通过与试验结果的对比,证明了合理考虑焊缝构型在相贯节点断裂预测中的重要性,验证了VGM模型用于预测相贯节点在单调荷载作用下延性断裂的适用性。分析了XK型相贯节点在腹杆轴力作用下的破坏模式和极限承载力。结果表明,XK型相贯节点可能在受拉腹杆与弦杆之间的焊缝处发生断裂,这种破坏模式属于强度破坏,节点极限承载力应取该断裂荷载|XK型相贯节点也可能在受压腹杆与弦杆相交处因过大的塑性变形而破坏,此时,节点极限承载力应取荷载-弦杆变形曲线的峰值荷载。XK型相贯节点的破坏模式与节点几何构造和腹杆受力状态有关。     

复杂空间桁架节点抗震性能试验研究及有限元分析

桁架转换层被广泛应用于高层建筑中,以实现结构形式的垂直转换,多榀桁架交界处的节点,其受力性能对整个桁架的安全性影响较大。结合工程实例,对上海市长宁来福士广场东部裙房桁架转换层中的两处复杂节点进行1∶4缩尺模型试验和有限元分析,研究了节点的承载力、应变发展、受力性能和破坏模式。试验结果和有限元分析表明：节点具有较高的承载力和良好的耗能能力,满足设计要求;节点腹杆板件端部的尺寸放大,改善了腹杆的轴向传力,降低了应力集中。节点的薄弱部位位于型钢混凝土柱与弦杆翼缘的交界处,节点发生破坏时,弦杆和腹杆基本没有进入屈服状态。     

复杂应力状态下抗剪连接件应力在组合梁桥的实验研究

为了研究组合梁在复杂应力状态下抗剪连接件的力学性能,进行了两个布置有不同类型的抗剪连接件的小规模模型测试。这些模型的设计都是基于广州的一座组合梁桥。详细地研究了在相同边界条件下的刚性抗剪连接件模型和弹性抗剪连接件模型的钢筋混凝土交界面的相对滑移的比较分析。在三种不同类型的荷载形式作用下的两种抗剪连接件的反应也进行了比较。模型测试结果表明混凝土的极限承载能力是决定钢筋混凝土交界面上的相对滑移的关键因素而且刚性抗剪连接件和弹性抗剪连接件的区别是非常明显的。这份报告对于组合梁的抗剪连接件的未来研究和设计很有参考价值。     

Behavior of steel-concrete composite cantilever box beams under negative moment

Four steel-concrete composite cantilever beam specimens were tested to investigate their mechanical behavior under negative moment induced by concentrated loads at the ends of the beams. The failure modes, serviceability and ultimate bearing capacities of the composite beams with full shear connection were studied. The crack initiation and propagation were investigated with consideration of two types of shear connectors. Three kinds of longitudinal reinforcement ratios were also examined. The experimental results indicate that an increase in the reinforcement ratio is beneficial to the bearing capacity of the composite beams to some extent and that the shear stud connector is superior to the steel block connector with regards to the serviceability of the beams. Two numerical models, which were based on a concrete material model and an elasto-plastic material model, were employed to simulate the behavior of steel-concrete composite beams. The numerical calculation results show that the combination of the two models can be used to predict the longitudinal cracking load and ultimate bearing capacity of composite cantilever beams. Based on the experimental and numerical results, it was found that the ultimate bearing capacity of a steel-concrete composite beam under negative moment can be significantly affected by longitudinal cracks in the concrete slabs. An equation to predict the longitudinal cracking load of a composite cantilever beam under negative moment by concentrated load was proposed and found to have good accuracy.     

Experimental study on shear behavior of bolt connectors in steel-concrete composite beams

为研究螺栓抗剪连接件在钢-混凝土组合梁中的受剪性能,对24个采用螺栓连接件的钢-混凝土组合试件进行了推出试验,分析了螺栓直径、螺栓强度、螺栓埋置长细比和混凝土强度等参数对螺栓连接件的破坏模式、荷载-滑移特性和受剪承载力的影响。研究结果表明：螺栓抗剪连接件的破坏模式主要为螺栓周围混凝土受压破坏和螺栓栓杆的剪断破坏;当发生混凝土受压破坏时,增大混凝土强度、螺栓直径、螺栓埋置长细比可以提高螺栓连接件的受剪承载力;当发生螺栓的栓杆剪断破坏时,提高螺栓强度可以提高螺栓连接件的受剪承载力。在试验研究的基础上,给出了不同破坏模式下钢-混凝土组合梁螺栓连接件的受剪承载力的计算方法,建议公式的计算结果与试验结果吻合较好。     

上海中心大厦伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的静力性能试验研究

超高层框架-核心筒结构体系中,伸臂桁架连接着外围巨柱框架与内部核心筒,需传递巨大内力,其连接构造、传力机制等非常复杂。以上海中心大厦工程为背景,选取钢骨混凝土巨柱-伸臂桁架-环带桁架连接区域和伸臂桁架-核心筒连接区域进行了单调静力加载试验,并进行了有限元分析和简化模型计算分析。结果表明：伸臂桁架能够有效连接相邻构件并可靠传力,其破坏模式表现为伸臂桁架斜腹杆的受压屈曲以及上、下弦杆的弯曲变形,具有较好的延性;伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的节点板虽然部分区域进入塑性,但塑性变形不明显,表明连接区域的承载力远高于杆件的承载力;有限元分析及简化模型分析结果与试验结果吻合良好;简化模型反映了伸臂桁架的非线性受力机理,可对其失效荷载进行准确预测,并可根据结构性能设计要求进行伸臂桁架分析和构件截面选择。     

圆钢管混凝土柱-钢筋桁架组合梁节点抗连续倒塌机制及参数分析

为研究钢筋桁架组合梁对钢管混凝土结构抗连续倒塌性能的影响,采用ABAQUS建立圆钢管混凝土柱-钢筋桁架组合梁节点数值模型,分析中柱失效工况下该类节点的破坏机理和抗力计算曲线,以及钢筋桁架高度、混凝土强度、钢筋强度等主要参数对组合节点抗连续倒塌能力的影响。结果表明:相比钢管混凝土柱-RC组合梁节点,钢筋桁架组合梁节点的梁机制和悬链线机制峰值承载力分别提高了12.5%和10%; 因钢筋桁架在下弦钢筋屈服后上弦钢筋仍可以提供拉力,使得钢梁下翼缘断裂后承载力可以继续提高,表现出良好的抗连续倒塌能力; 钢筋桁架高度和钢筋桁架钢筋强度主要对节点梁机制峰值承载力与极限承载力提升较显著,对悬链线机制峰值承载力影响较小,楼板混凝土强度对节点各阶段的承载力影响较小,并且会降低节点延性; 综合对比分析不同参数下节点的抗力指标和位移延性指标发现,增加钢筋桁架高度和钢筋强度对节点的抗连续倒塌极限承载力具有有利影响,在工程设计和应用中应予以考虑。     

风荷载作用下输电塔极限承载力和失效模式计算模型

针对现有输电塔极限承载力和失效模式研究未考虑计算模型影响的问题,剖析了空间桁架、空间刚架和空间梁桁组合3种常用计算模型的力学基础和模拟方法;以110 kV鼓形直线输电铁塔为例,对比研究了0°,45°,60°,90°四种风向工况下3种计算模型的弹性响应,同时对比分析了最不利工况下各计算模型极限承载力和失效模式的计算结果,揭示了不同计算模型对结构极限承载力和失效模式的影响规律。结果表明:空间刚架和空间梁桁组合模型较桁架模型能给出偏安全的弹性响应结果;该类输电塔最不利风荷载工况下的极限活荷载乘子约为2.00,空间梁桁组合模型能反映铁塔结构的延性破坏性质,给出偏安全的极限承载力计算结果;该类输电塔高承载构件主要集中在塔腿主材,空间刚架和空间梁桁组合模型都能较准确识别出高承载构件;建议采用空间梁桁组合模型进行输电塔极限承载力和失效模式的分析。     

PBL剪力连接件力学性能研究进展

介绍了PBL剪力连接件(PBL shear connectors)的各种常见形式及其国内外的主要应用实例;从连接件的试验方法、破坏形态、极限承载力的影响因素和计算公式以及疲劳性能几个方面系统阐述了近年来国内外PBL剪力连接件的试验研究进展,其中重点阐述了连接件的极限承载力研究现状;并介绍了国内研究的一些新型PBL剪力连接件;最后,对今后PBL剪力连接件的进一步研究工作提出了建议。     

Push-out tests on a new shear connector of I-shape

In steel-concrete composite beams, the shear connectors are commonly used to transfer the longitudinal shear forces across the steel-concrete interface. This paper summarizes the results of 24 push-out test specimens with a new type of shear connector called “I-shape connector”. The test specimens were designed to study the effect of the following parameters on the ultimate load capacity: the height of I-shape connector, the length of I-shape connector, the compressive strength of concrete and the number of transverse reinforcing bars. The experimental results are presented and discussed, focusing on the failure modes and load-slip behaviour. Finally, the experimental results are compared to the existing design equations to predict the ultimate load capacity of I-shape shear connectors.