双翼缘荷载作用下腹板开洞冷弯型钢截面的腹板压屈(1):试验和有限元分析

进行了82个腹板压屈试验,其中20个试验为没有开洞腹板的槽形截面,62个为有开洞腹板的槽形截面。试验考虑了端部双翼缘受荷和内部双翼缘受荷2种工况。在有开洞腹板的试验中,洞口直接位于集中荷载处。集中荷载通过承重板施加;研究了不同支承长度的影响。另外,还考虑了翼缘与支撑固定和不固定2种工况。介绍了非线性弹塑性有限元模型,研究表明,在强度和失效模式下有限元模拟结果与试验结果均吻合较好。     

冷弯薄壁拼合Ⅰ形截面构件腹板压屈性能研究

腹板无加劲肋的冷弯薄壁型钢构件在横向集中荷载或反力作用时极易发生压屈失效。对24个由自攻自钻螺钉连接的冷弯薄壁型钢双肢拼合Ⅰ形截面构件在跨中双翼缘(ITF)荷载条件下的腹板压屈性能进行试验研究。结果表明:C形槽钢拼合试件比Ⅰ形槽钢拼合试件的承载力更高、延性更好;腹板中线上布置的自攻螺钉是引起试件整体性能削弱的主导因素。     

腹板开洞钢拱的平面内稳定极限承载力设计理论及方法

腹板开洞钢拱组合了拱和开洞构件的特性,目前在轻轨列车站篷及航站楼等的钢结构中有广泛应用。本文首先用有限壳单元分析了以工形截面腹板开洞圆弧钢拱为代表的拱的平面内弹性屈曲性能,考察了腹板孔洞的几何参数和拱本身的几何参数对屈曲荷载的影响;按照整体屈曲荷载的等效原则,把腹板开洞拱等效为由两个T形截面和缀板组成的格构式构件,并给出了格构式构件的等效截面尺寸。然后研究了各参数下的腹板开洞钢拱的弹塑性屈曲性能,定量考察了孔洞对稳定极限承载力的削弱作用,提出了腹板开洞钢拱特有的单边塑性铰的破坏机理。利用已经建立的拱的稳定系数与拱的正则化长细比的关系,根据等效构件的换算长细比,提出了受静水压力及其它荷载分布形式的腹板开洞拱的平面内稳定极限承载力设计方法。     

腹板开洞钢-混凝土组合梁极限承载力的影响因素分析

腹板开洞组合梁在国外工程中已广泛应用。在钢梁腹板上开矩形洞的钢-混凝土组合梁可减少管道对建筑空间的占用,降低工程成本。但腹板洞口的存在影响了组合梁开洞截面的抗弯和抗剪承载力。介绍目前开洞组合梁承载力的计算方法,并利用ANSYS软件对影响腹板开洞组合梁极限承载力的主要因素进行计算分析。结果表明:洞口弯剪比、洞口尺寸、栓钉连接件数量、洞口上方组合板的宽度与厚度、洞口偏心距、混凝土板的横向配筋率对开洞组合梁的承载力均有一定影响,在结构设计时应予以考虑。     

负弯矩区腹板开洞钢-混凝土组合梁受力性能试验研究

为研究腹板开洞对负弯矩区组合梁受力性能的影响,对三根腹板开洞外挑组合梁和一根对比梁进行了试验研究,考虑是否开洞、洞口大小、洞口补强等参数的影响.试验结果表明:腹板开洞后,组合梁开裂荷载减小,且初始裂缝出现在洞口上方混凝土板中;洞口区域截面纵向应变分布不再满足平截面假定;组合梁最终表现为洞口上方混凝土板的剪切破坏,承载力降低;洞口补强可显著改善梁的受力性能,提高其承载力.     

宽翼缘窄腹板冷弯薄壁型钢柱承载力分析

取2种板厚、6种试件长、5种翼缘宽度的固支轴压构件进行非线性有限元分析,旨在分析上述参数对宽翼缘窄腹板冷弯薄壁卷边槽钢轴压构件承载力和屈曲模式的影响。结果表明:不同翼缘宽度的此类构件极限承载力与其长度成反比。翼缘宽厚比和翼缘宽度与腹板宽度的比值(B/H)对此类构件的极限承载力和失效模式具有显著影响,并且承载力的变化趋势具有一定的规律性。设计时建议采用B/H=1.2的此类截面构件。     

具有钢翼缘的波形钢腹板的面内刚度计算

针对波形钢腹板与混凝土板的连接形式,通过有限元模拟分析,提出对于具有钢翼缘的波形钢箱梁应考虑其腹板面内刚度的必要性。通过对国外已建34座波形钢腹板箱梁桥的腹板进行统计分析,得出波形钢腹板面内刚度受波形腹板的腹板高度与腹板厚度比值的影响较大的结论,并引入“有效宽度”的概念,提出了能包罗常用波形腹板有效宽度的简单有效的面内刚度计算公式。     

腹板加劲冷弯薄壁型钢立柱组合墙体轴压性能试验研究

为研究截面形式、腹板开孔和面板材料等因素对组合墙体轴压性能的影响,对墙柱形式为复杂卷边槽钢(S1截面)、腹板V形加劲复杂卷边槽钢(S2截面)和Σ形复杂卷边槽钢(S3截面),覆面板为定向刨花板(OSB)和石膏板的10片冷弯薄壁型钢立柱组合墙体进行了轴压性能试验。试验结果表明,S1截面、S2截面、S3截面的组合墙体上覆OSB板或石膏板时承载力之比分别为1∶1.36∶1.50和1∶1.34∶1.60;腹板加劲墙柱的主要失稳模式为畸变屈曲;与相同条件下无孔立柱组合墙体相比,腹板加劲有孔立柱组合墙体承载力下降约12.0%,非加劲墙体承载力下降1.6%。基于单根轴压构件的直接强度法开展了考虑墙板约束作用的组合墙体(有孔和无孔)轴压承载力计算方法研究,计算值与试验值的对比分析表明：以现有直接强度法为基础提出的墙体承载力计算方法对腹板非加劲立柱组合墙体的承载力预测较为准确,对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测偏不安全;考虑局部与畸变相关屈曲作用提出的承载力计算方法对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测值与试验值吻合良好。     

波形钢腹板体外预应力组合梁正截面承载力及应力分布特征研究

为研究预应力状态下波形钢腹板组合梁的截面应力分布特征,设计制作2根波形钢腹板组合梁,在预应力筋张拉过程中研究了预应力对组合梁受弯截面应力分布特征的影响,通过正截面受弯试验对试件塑性承载力先进行测定;对体外预应力组合梁正截面承载力进行了理论分析;利用有限元分析软件,对与试件同类型的波形钢腹板体外预应力组合梁的塑性受弯承载力进行了参数分析,研究了腹板高度和混凝土强度对正截面承载力的影响。结果表明：预应力对此类构件的翼缘应变变化量影响较波形钢腹板的大约2~3倍;预应力损失对截面中性轴位置变化影响可忽略不计;施加预应力将使波形钢腹板组合梁的受弯承载力提高约30%,腹板高度等参数与此类结构跨中截面承载力呈线性关系;理论值与有限元模拟结果吻合良好,验证了所提出正截面承载力理论的准确性。     

梁腹板在弯、剪及局压复合应力作用下的屈曲分析

前钢结构设计规范(GBJ17-88)中有关梁腹板局部稳定的计算公式来源于无限弹性完善板假定,一方面与构件的实际工作状况有一定出入,导致计算结果有时会偏于不安全;另一方面又与有关钢梁在弯曲正应力作用下的强度计算公式(考虑截面部分进入塑性)不相协调。针对《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中变动较大的该部分设计内容,本文考虑不同的几何参数及弯、剪、局压多种应力组合工况对梁腹板屈曲临界应力的影响,对修订后的梁腹板横向加劲区格在复合应力作用下的临界应力相关公式进行了大量的有限元分析与计算;重点考察了梁腹板的弹塑性屈曲性态及规范(GB50017-2003)中相关公式所具有的设计安全度。在此基础上,提出相关的设计建议,供规范修订及进一步的研究参考。     

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。     

近距离爆炸作用下工字形截面钢柱荷载分布与动态响应数值模拟研究

作为钢结构中主要承重构件的钢柱，其在近距离爆炸作用下的荷载分布和动态响应，尤其是入射角对钢柱爆炸荷载和动态响应的影响规律等方面研究较为匮乏。为此，采用LS-DYNA有限元分析软件，研究近距离爆炸作用下工字形截面钢柱在不同入射角下的爆炸荷载分布和动态响应。结果表明：当冲击波加载于钢柱截面强轴时，翼缘板爆炸荷载受稀疏波效应影响显著，与无限大反射面的相比，其反射冲量下降10%～50%;近距离爆炸工况下稀疏波传播速度远大于现行抗爆设计规范中所假设的环境声速，表明环境声速假设在近距离爆炸工况下并不适用；在弱轴加载工况下，稀疏波效应并不明显，由于冲击波在截面内发生多次反射，延长了其正相持时，因而腹板上的峰值冲量反而高于无限大反射面条件下的峰值冲量；当入射角小于同时通过迎爆侧翼缘板边缘点与工字形截面形心的入射角时，冲击波的主要作用区域为两翼缘板与腹板所围内凹区域，其爆炸荷载和腹板局部变形在入射角为30°时达到最大值，两个半翼缘板呈向外张开态势，且张开幅度随入射角的增大而减小；而当入射角大于同时通过迎爆侧翼缘板边缘点与工字形截面形心的入射角时，冲击波则主要作用于迎爆侧翼缘板，其爆炸荷载和整体挠度在入射...     

负弯矩作用下腹板开洞组合梁受力性能试验与有限元分析

为了研究负弯矩作用下腹板开洞钢-混凝土组合梁的极限承载力及相关受力性能,对4根组合梁试件进行了试验研究和有限元分析。结果表明,负弯矩作用下的组合梁腹板开洞后,其刚度和承载力明显降低,洞口区域应变不再符合平截面假定;通过增加混凝土板厚度可以提高其承载力;混凝土翼板对负弯矩区腹板开洞组合梁的抗剪承载力有很大的贡献;洞口形状对其受力性能有较大的影响。     

波形钢腹板组合梁无黏结预应力筋应力增量研究

预应力波形钢腹板组合梁翼板内的无黏结预应力筋应力变化与梁上荷载之间存在显著的相关关系,因而无黏结预应力筋的应力增量可以通过截面配筋指标等相关参数建立回归公式。参数分析表明:对于受弯破坏的预应力波形钢腹板组合梁,影响翼板内无黏结预应力筋应力增量的主要参数为受拉翼板的钢筋屈服强度及配筋率、钢翼缘板屈服强度及面积、翼板混凝土强度以及混凝土翼板厚度与梁截面高度之比,而波形钢腹板的厚度及其屈服强度、预应力筋的初应力及预应力筋配筋面积、梁跨高比等参数影响很小。通过大量计算分析,建立了翼板内无黏结预应力筋应力增量与受拉翼板的钢筋屈服强度及钢翼缘板屈服强度的关系,并提出了预应力波形钢腹板组合梁屈服时预应力筋应力增量计算方法,计算结果精度较好。     

矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板H形截面组合短柱轴压性能试验研究

为研究矩形钢管混凝土翼缘-蜂窝钢腹板H形截面组合短柱(STHCC)的轴压性能,进行了16根STHCC短柱的轴压静力试验。主要研究参数包括约束效应系数、混凝土立方体抗压强度、翼缘钢管腹板厚度和柱长细比。通过轴压试验得到STHCC短柱试件的试验现象和破坏形态、荷载-位移曲线、钢管翼缘和蜂窝钢腹板的荷载-应变曲线,分析了四参数对STHCC短柱轴压承载力的影响规律及受力机理。结果表明：钢管的外表面会产生吕德尔滑移线,所有试件钢管混凝土翼缘均呈剪切型破坏;试件荷载-位移曲线大致可分为弹性、弹塑性、荷载下降和残余变形等四段。随着约束效应系数和蜂窝钢腹板厚度的增加,试件的轴压承载力逐渐提高;随着长细比的增大,试件的轴压承载力却逐渐下降。最后,通过引入组合效应修正系数和综合影响变量,建立了与试验结果吻合较好的STHCC短柱轴压承载力计算式,并给出了该类轴压短柱的设计建议。     

碳素方钢管腹板屈曲性能试验研究

对碳素方钢管在集中荷载作用下的腹板屈曲性能进行单调加载的试验研究。实施50个不同边界条件、加载条件、支承板宽度和截面高度的碳素方钢管试件的腹板屈曲性能试验。介绍了碳素方钢管腹板屈曲试验方案,描述了碳素方钢管在端部和内部集中荷载作用下的破坏模式,给出荷载-端位移曲线以及腹板区域应变强度分布曲线,并将边界条件、加载条件、支承板宽度和截面高度对碳素方钢管腹板屈曲极限承载力和延性的影响进行讨论。试验研究结果表明:碳素方钢管腹板屈曲极限承载力随着支承板宽度的增大而增大;当支承板宽度为50mm和100mm时,腹板高厚比为18时极限承载力达到最大;当支承板宽度为150mm时,腹板高厚比为12.55时腹板屈曲极限承载力达到最大;腹板高厚比为24.67时达到腹板屈曲极限承载力的最小值。受压腹板中部应变测点全部进入塑性并最终形成塑性铰区域。内部一侧翼缘加载(IOF)的极限承载力最高,内部两侧翼缘加载(ITF)的极限承载力次之,端部一侧翼缘加载(EOF)和端部两侧翼缘加载(ETF)的极限承载力最低。有限元方法较好地模拟了试验破坏模式和极限承载力。采用中国钢结构设计规范的碳素方钢管腹板屈曲极限承载力计算值远大于其腹板屈曲极限承载力试验值,中国钢结构设计规范用于腹板屈曲承载力的计算偏于危险;采用欧洲钢结构设计规范的碳素方钢管腹板屈曲极限承载力计算值又远小于其腹板屈曲极限承载力试验值,欧洲钢结构设计规范用于腹板屈曲承载力的计算偏保守。提出的碳素方钢管腹板屈曲极限承载力计算公式则较好地预测了试验值。     

高强度钢焊接H形截面构件残余应力分布试验研究

采用分割法对国产Q460C、Q690D和Q960D 3种高强度钢沿焊接H形截面纵向分布的残余应力进行了测量,以研究钢材强度、板件宽厚比、板件厚度、焊缝类型和焊接工艺等因素对残余应力分布的影响。板件厚度选用10 mm和20 mm,板件边缘采用火焰切割,焊缝类型为对接与角接组合焊缝(K型熔透焊缝)和角焊缝,焊接方式为CO_2气体保护焊和埋弧焊。试验结果表明:在所介绍的焊接工艺下,板件的残余应力值与钢材名义屈服强度无直接关系;翼缘焊缝区域的最大残余拉应力值与板件宽厚比无关;翼缘和腹板的残余压应力值分别随着板件宽厚比和板厚的增大而减小;翼缘和腹板的残余压应力值随着与焊缝区域距离的增大而呈现先增大后减小的趋势,部分转变为残余拉应力;焊缝类型和焊接工艺通过影响热源输入点的位置和深度而影响残余应力值。     

螺栓连接蜂窝梁孔间腹板屈曲性能分析

对螺栓连接蜂窝梁和传统焊接连接蜂窝梁孔间腹板屈曲性能进行了有限元分析,研究了不同连接方式对蜂窝梁孔间腹板的屈曲模式和屈曲承载力的影响。蜂窝梁上、下两部分的连接方式包括焊接、螺栓搭接连接、借助单侧拼接板对接和借助双侧拼接板对接等。结果表明,在相同截面尺寸、相同孔径的情况下,螺栓连接蜂窝梁具有与传统焊接蜂窝梁相同的受力性能;除借助单侧拼接板对接的蜂窝梁发生孔间腹板局部压屈与费氏剪力塑性铰耦合破坏外,其它连接方式的蜂窝梁均发生孔间腹板屈曲破坏;不同的连接方式对蜂窝梁的屈曲承载力影响较小,但对其跨中挠度影响较大。     

负弯矩区腹板开洞钢-混凝土组合梁承载力试验研究与理论分析

通过外挑钢-混凝土组合梁的单调加载试验和有限元分析,研究负弯矩区腹板开洞对其受力性能的影响,并基于弯剪承载力相互作用的准则,提出承载力理论计算方法。结果表明：截面开洞显著降低了组合梁的承载能力和刚度;最终破坏形式为洞口上方混凝土板的剪切破坏;组合梁承载能力随着截面削弱的加大而降低;洞口补强板可减轻洞口区域应力集中,进而提高组合梁的承载力;承载力随着洞口中心线与支座距离减小（即弯剪比的增大）而减小。应用建议的负弯矩区腹板开洞组合梁承载力计算方法得到的承载力计算结果与试验及有限元分析结果吻合较好。     

考虑界面滑移效应的波形钢腹板箱梁解析解

为研究界面滑移效应对改进型波形钢腹板箱梁的影响,考虑腹板剪切变形及截面轴力自平衡条件建立了组合箱梁桥的控制微分方程,进而推导出简支箱梁的滑移位移函数和翼缘板最大纵向位移差函数表达式。以受均布荷载的改进型波形腹板组合箱梁为算例,基于箱梁荷载工况和边界条件,得到了组合箱梁桥挠度、上下翼缘板截面正应力和剪滞系数表达式。利用有限元软件,通过在翼缘和腹板间添加弹性连接单元模拟滑移效应,验证提出的理论方法的正确性。最后,采用推导的理论公式研究了剪切抗滑移刚度对组合箱梁桥截面正应力、剪滞系数和挠度的影响规律。结果表明：理论解与有限元模拟结果吻合较好,提出的理论公式可用于结构设计或软件开发;剪切抗滑移刚度对组合箱梁翼缘截面正应力及挠度影响较大;在均布荷载作用下,与不考虑滑移效应相比,考虑滑移效应后的上翼缘截面正应力减小7.44%,下翼缘截面正应力增大6.79%,箱梁桥跨中挠度增大8.8%;剪切抗滑移刚度对组合箱梁翼缘板剪滞系数的影响较小,影响幅度在1%以内。