带有残余应力的钢梁内嵌式预应力组合梁抗火性能研究

为研究残余应力对钢梁内嵌式的预应力简支组合梁在火灾效应下的受力性能的影响,通过ABAQUS软件建立钢梁内嵌式的预应力简支钢-混组合梁几何非线性和材料非线性的有限元模型,利用热力-耦合法计算组合梁在高温下的结构响应行为。通过对梁的截面温度、整体挠度和跨中挠度、跨中截面应力分布、拉索应力和塑性变形、梁的整体曲率和跨中曲率等特性在高温下的结构响应进行考察,探究工程应用中常见初始残余应力对组合梁的影响机理。结果表明：残余应力主要是通过影响钢梁的截面模量,进而对钢梁的截面抗弯刚度产生影响,在升温后期或当钢梁开始进入塑性状态时,残余应力的影响逐渐减小。残余应力在钢梁腹板上的分布能较为明显的影响组合梁的承载能力,分布形式不同影响效果也不同。残余应力主要影响了组合梁中钢梁的截面刚度,进而也影响了组合梁的挠度幅度、曲率分布、中和轴高度以及拉索内力变化。     

初始残余应力对预应力钢-混凝土连续组合梁抗火性能影响

为研究钢梁残余应力对预应力连续组合梁抗火性能的影响,建立了预应力连续组合梁在高温下非线性升温过程受力行为的有限元模型。通过考察梁的破坏形式、跨中挠度、预应力拉索张力、截面弯矩以及梁的曲率等关键参数随温度的变化,得到不同残余应力模式对组合梁抗火性能的影响机理。分析结果表明：残余应力的分布并不总是对预应力钢-混凝土组合梁的高温性能产生不利影响,腹板具有初始残余拉应力分布模式的预应力钢-混凝土组合梁高温下的挠度相对最小;残余应力主要通过影响截面正应力分布来影响钢梁的截面刚度;在临界状态时,残余应力对组合梁截面刚度的影响不明显;不同残余应力模式对高温下预应力钢-混凝土组合梁的截面抗弯刚度影响不同;当预应力钢-混凝土组合梁的初始残余应力模式以腹板全截面拉应力为主时,预应力钢-混凝土组合梁跨中截面抗弯刚度最大;当残余应力对组合梁跨中截面抗弯刚度有利时,梁跨中截面处中和轴位置比无残余应力影响时较高。     

拉索防火涂层对预应力组合梁抗火性能的影响

采用有限元软件ABAQUS建立了用于模拟预应力组合梁在火灾下全过程受力行为的模型,研究拉索防火涂层对预应力连续组合梁抗火性能的影响.考察组合梁跨中挠度、拉索应力及塑性应变随温度的变化,分析了预应力组合梁在高温下的温度变化和破坏模式.结果表明:钢梁下翼缘与腹板升温较快,二者温差很小,而腹板与上翼缘的温差较大;混凝土截面各...     

Influence of accordion effect on fire resistance of prestressed steel-concrete composite beams with corrugated webs

由于预应力波纹腹板组合梁的腹板存在显著的手风琴效应，使其受力性能不同于普通平腹板组合梁。为了研究手风琴效应对预应力波纹腹板组合梁抗火性能的影响，采用ABAQUS有限元软件建立了考虑端部约束的预应力波纹腹板组合梁在火灾下的数值模型，分析了预应力波纹腹板组合梁在高温下的破坏形式、跨中挠度、拉索张力及组合梁轴力等随温度变化的特点。结果表明： 高温下波角30°腹板的局部失稳区域大于波角45°和60°组合梁的失稳区域；波高50 mm的组合梁跨中挠度值最小；波高越大，临界状态时腹板局部失稳区域越大；平直段长度50 mm组合梁跨中挠度最小，轴向刚度更大；腹板厚度对波纹腹板组合梁跨中挠度的影响最为显著；轴向约束作用下的组合梁典型破坏形态是梁端负弯矩区腹板和下翼缘发生局部屈曲；不同轴向约束比下，梁的轴向力从压力转变为拉力时温度为691 ℃；转角约束比对组合梁的影响主要集中在473 ℃至临界温度阶段；不同转角约束比下，组合梁轴向压力转变为轴向拉力的温度为677 ℃。     

手风琴效应对预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁抗火性能影响研究

由于预应力波纹腹板组合梁的腹板存在显著的手风琴效应,使其受力性能不同于普通平腹板组合梁。为了研究手风琴效应对预应力波纹腹板组合梁抗火性能的影响,采用ABAQUS有限元软件建立了考虑端部约束的预应力波纹腹板组合梁在火灾下的数值模型,分析了预应力波纹腹板组合梁在高温下的破坏形式、跨中挠度、拉索张力及组合梁轴力等随温度变化的特点。结果表明： 高温下波角30°腹板的局部失稳区域大于波角45°和60°组合梁的失稳区域;波高50 mm的组合梁跨中挠度值最小;波高越大,临界状态时腹板局部失稳区域越大;平直段长度50 mm组合梁跨中挠度最小,轴向刚度更大;腹板厚度对波纹腹板组合梁跨中挠度的影响最为显著;轴向约束作用下的组合梁典型破坏形态是梁端负弯矩区腹板和下翼缘发生局部屈曲;不同轴向约束比下,梁的轴向力从压力转变为拉力时温度为691 ℃;转角约束比对组合梁的影响主要集中在473 ℃至临界温度阶段;不同转角约束比下,组合梁轴向压力转变为轴向拉力的温度为677 ℃。     

端部约束型腹板开孔预应力波纹钢-混凝土组合梁抗火性能

为研究腹板开孔对端部约束预应力波纹钢-混凝土组合梁抗火性能的影响,采用有限元软件ABAQUS对该类组合梁在高温作用下的力学性能进行了非线性有限元分析,研究了具有端部约束预应力波纹腹板开孔组合梁的内力、跨中挠度演化过程以及破坏模式,并对其耐火性能进行了参数分析。结果表明：受约束预应力波纹腹板开孔组合梁在高温作用下的破坏模式为开孔截面腹板与端部截面波纹腹板及钢梁下翼缘发生局部屈曲;随着温度的升高,组合梁由压弯发展至拉弯的悬链线阶段;在荷载比相同、孔洞均位于剪弯区的条件下,开孔尺寸越大、开孔位置越靠近支座的组合梁进入悬链线阶段的温度越低,相同温度下组合梁挠度越大,抗火性能越差;位于纯弯区的孔洞基本不影响端部约束预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁的高温力学性能。     

钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究

对两种组合梁形式:主梁式试件(压型钢板肋平行于钢梁)和次梁式试件(压型钢板肋垂直于钢梁)分别进行了抗火试验。试验中量测了试验炉火升温过程,试件的温度和跨中挠度。通过对试验结果的分析发现:由于混凝土板有明显的阻热作用,组合梁中的混凝土板升温较慢,钢梁升温较快,导致钢梁截面温度分布不均匀;由于高温和外力共同作用下,在梁端发生混凝土抗剪破坏,而栓钉由于受到混凝土的保护,温度较低,栓钉仍能正常发挥抗剪连接作用;跨中挠度达到梁跨的1/30后,变形快速增大,随之在跨中形成一条横向贯穿混凝土楼板的主压溃裂缝,产生塑性铰并形成机构,使简支组合梁产生不适于继续承载的变形,达到破坏。     

连续曲线双箱钢-混组合梁弯扭性能试验研究

为研究连续曲线双箱钢-混组合梁的弯扭性能,以实际工程为背景,以曲线半径和横隔板连接方式为参数,设计了3根1∶10的缩尺模型,并对其进行静力加载试验,研究试验梁跨中截面的荷载-挠度曲线、横向挠度分布和钢梁与混凝土板间的相对滑移规律。结果表明,3根梁的破坏形式一致,均为弯扭破坏,负弯矩区在0.1P;(P;为极限荷载)时就会开裂;极限荷载时,试验梁跨中截面外侧挠度达内侧的1.37倍;试验梁的抗弯刚度和抗扭刚度均随着曲线半径的增大而提高,横隔板连接方式对其弯扭性能影响不大;混凝土板与钢梁结合面切向滑移随着曲线半径的增大而减小,横向栓接试验梁的滑移量小于横向焊接试验梁的;切向滑移量最大值出现在跨度的3/4处,径向滑移量最大值出现在中支点附近处。     

约束组合梁抗火试验及理论研究

处于整体结构中的构件受到相邻结构构件的约束作用,其火灾中的反应与单个构件具有明显差异。采用约束框架模拟整体结构为组合梁提供约束作用,通过2个组合梁试件研究简支组合梁和连续组合梁的火灾反应。试验表明,在整个火灾过程中,组合梁轴力、挠度及其抵抗弯距相互影响和转化,共同抵抗外荷载作用。在火灾初始阶段,组合梁轴力为压力,削弱了组合梁抗火能力;在火灾中后期,组合梁轴力发展为拉力,挠度可达跨度的1/15,产生的悬链线效应有效提高了组合梁极限抗火能力。简支组合梁和连续组合梁均发生了下翼缘屈曲,下翼缘屈曲是组合梁轴力由压力向拉力的转折点。依据功能原理建立了组合梁下翼缘屈曲的屈服线模型和计算方法,计算结果与试验结果吻合良好。     

对预装体外钢筋的钢-混凝土组合梁弹塑性屈曲的数值分析

连续组合梁的极限承载力由侧向畸变屈曲、局部屈曲,或者由两者的相互作用决定,这一点与纯钢梁的扭转屈曲破坏模式完全不同。利用有限元模型对负弯矩区的组合梁进行了弹塑性有限元分析,其中考虑了初始几何缺陷和残余应力,最终发现有限元分析结果与试验结果吻合良好。另外,对负弯矩区的预装体外钢筋的组合梁进行了参数研究。分析了影响组合梁承载能力和屈曲弯矩抗力的因子,如初始几何缺陷、钢梁的残余应力、力比值、预应力范围、负力矩钢筋、板、翼缘和梁的宽厚比。利用有限元法对负弯矩作用下的25组共200根具有不同截面参数、初始几何缺陷、残余应力和不同力比值的组合梁进行了分析。将计算出的屈曲弯矩率与改进宽厚比的曲线与中国规范中钢柱设计曲线进行了对比。结果证实:对于改进了的宽厚比值,本文依据中国规范的设计曲线推导出来的设计方法可以用于对组合梁屈曲强度的评估。     

蜂窝梁弹性弯扭屈曲承载力的简化计算方法研究

蜂窝梁构造复杂,对其承载力进行精确计算困难。为了研究蜂窝梁弹性弯扭屈曲承载力,在对蜂窝梁截面各特征值进行简化计算的基础上,用实腹H型钢梁的弹性弯扭屈曲临界荷载计算理论研究了蜂窝梁在不同荷载作用形式下的弹性弯扭屈曲承载力。使用ABAQUS软件对蜂窝梁的弹性弯扭屈曲承载力进行特征值屈曲分析,并与理论计算结果进行对比,验证了计算式的有效性。最后,通过分析不同因素对蜂窝梁弹性弯扭屈曲承载力的影响得出:高跨比影响最大;扩张比影响次之;距高比影响最小,可以忽略。     

冷弯翼缘闭合新型截面受弯构件性能研究

空翼缘梁(Hollow Flange Beam——HFB)具有截面形式开展,抗弯、扭刚度大的特点,主要用于承受弯矩。借鉴HFB的截面形式,适当改变其截面构成及截面参数,提出两种新型冷弯翼缘点焊闭合截面——HF1和HF2。采用有限元方法,建立适于冷弯截面受弯构件性能分析的非线性有限元分析模型。模型中考虑各种影响构件承载力的因素,包括材料的强化、局部屈曲、构件失稳以及构件的初始几何缺陷。通过对新型截面的变形模式、跨中相对挠度、弯矩-曲率曲线、极限弯矩等方面的研究,全面分析两种截面构件的静力性能。分析表明,新型截面构件具有刚度大、抗弯承载力高、截面局部屈曲不易发生等优越的受力性能,可以深入试验研究并合理推广使用。     

薄壁U型钢-混凝土组合梁抗剪性能的试验研究

钢与混凝土组合梁因承载力高等特性在工程中得到了广泛的应用,薄壁U钢-混凝土梁正是其中一种特殊构件。为综合分析不同条件下薄壁U型钢的剪切性能、屈曲破坏模态等,观察梁随着荷载的施加受力的传递过程及破坏特征,进行了8根简支组合梁的抗剪性能的试验研究。结果表明,相对于普通混凝土组合梁及纯钢梁,薄壁U钢-混凝土梁剪切破坏有较好的延性,钢梁腹板因内填混凝土屈曲模态由三个屈曲半波变成一个屈曲半波,承载力得到大幅度提高;与普通钢-混凝土组合梁相比,薄壁U型钢-混凝土组合梁在剪跨比小于2时即会发生弯曲破坏。     

变截面大尺度多开孔钢梁结构性能研究北大核心CSCD

某高铁线下站房的钢结构屋盖选用了超出设计标准规定的变截面、腹板大尺度多个开孔的钢梁,有必要对其承载能力和延性等性能进行研究。通过试验和有限元分析,研究了开孔梁荷载挠度关系、空腹截面应力分布,对比了空腹桁架理论、试验和有限元计算结果。进一步运用有限元软件ABAQUS对变截面大尺度开孔梁进行了特征值屈曲分析,并进行了考虑不同幅值、不同分布形式的初始几何缺陷在全跨活荷载和半跨活荷载作用下的几何、材料双非线性分析,得到了不同特征的破坏模式。研究发现:大尺度开孔梁弹性设计时,可用费式空腹桁架理论进行验算;大尺度多个开孔梁非线性效应影响显著,在设计时,应充分考虑结构的非线性特征;在全跨活荷载作用下,开孔梁的安全系数可达到2.8,具有良好的承载能力;不同分布形式的缺陷会显著影响大尺度开孔梁的承载力和延性;全跨活荷载比半跨活荷载对变截面大尺度开孔梁的性能更为不利;引入第1阶屈曲模态分布形式的缺陷不一定是最不利的缺陷分布形式,不同的缺陷会造成4种不同的破坏模式。     

变截面大尺度多开孔钢梁结构性能研究

某高铁线下站房的钢结构屋盖选用了超出设计标准规定的变截面、腹板大尺度多个开孔的钢梁,有必要对其承载能力和延性等性能进行研究。通过试验和有限元分析,研究了开孔梁荷载挠度关系、空腹截面应力分布,对比了空腹桁架理论、试验和有限元计算结果。进一步运用有限元软件ABAQUS对变截面大尺度开孔梁进行了特征值屈曲分析,并进行了考虑不同幅值、不同分布形式的初始几何缺陷在全跨活荷载和半跨活荷载作用下的几何、材料双非线性分析,得到了不同特征的破坏模式。研究发现：大尺度开孔梁弹性设计时,可用费式空腹桁架理论进行验算;大尺度多个开孔梁非线性效应影响显著,在设计时,应充分考虑结构的非线性特征;在全跨活荷载作用下,开孔梁的安全系数可达到2.8,具有良好的承载能力;不同分布形式的缺陷会显著影响大尺度开孔梁的承载力和延性;全跨活荷载比半跨活荷载对变截面大尺度开孔梁的性能更为不利;引入第1阶屈曲模态分布形式的缺陷不一定是最不利的缺陷分布形式,不同的缺陷会造成4种不同的破坏模式。     

某椭圆抛物面辐射式张弦梁结构的非线性屈曲及施工仿真分析

以一31.1m×24.1m跨度的椭圆抛物面辐射式张弦梁结构为分析对象,考虑几何非线性、初始几何缺陷、材料弹塑性及活载的半跨布置,对其非线性屈曲性能进行研究。采用分批分阶段的拉索张拉施工方案,通过对张拉全过程的仿真分析,得到直接指导施工的各组拉索张拉力。研究表明:初始几何缺陷按最低阶屈曲模态分布时,稳定承载力系数并非最小;荷载不对称分布对结构的稳定性更为不利;材料非线性对结构稳定性影响较大;初始几何缺陷取短轴跨度的1/500较为适宜;各组拉索的实际施工张拉力与目标索力差别较小,张拉过程中,群索之间索力的相互影响不大。     

铝合金梁弯扭稳定系数的试验研究及数值分析

本文依托国家标准《铝合金结构设计规范》编制研究项目,采用数值分析与试验相结合的手段研究了铝合金梁弯扭稳定系数的计算问题。首先根据铝合金材料的Ramberg-Osgood本构关系,近似地将梁屈曲时截面边缘纤维的切线模量应用于全截面,由此得出无缺陷铝合金梁弯扭稳定系数的计算式;接着采用有限元数值模拟技术,应用壳板单元结合材料的随动强化模型,并同时考虑构件的初始缺陷,对强硬化和弱硬化合金分别拟合出Perry-Robertson形式的铝合金梁弹塑性弯扭屈曲稳定系数计算公式;最后,针对梁弯扭屈曲时侧向扭转的特点,合理设计了一套试验装置,并进行了铝合金拉伸力学性能的测定和10根跨中受集中力作用的简支工字梁弯扭屈曲承载力的测定,通过与试验结果的比较,验证了拟合公式的正确性。     

冷弯薄壁C形钢-石膏基自流平砂浆组合梁受弯性能试验研究

为研究冷弯薄壁型钢-石膏基自流平砂浆组合梁的受弯性能,对未设置抗剪件、设置钢丝网以及设置Z形抗剪件的3个组合梁足尺模型进行了施工阶段、正常使用阶段和荷载极限阶段的受弯性能试验研究。考察了冷弯薄壁型钢-石膏基自流平砂浆组合梁在不同受力阶段的工作原理和破坏模式。试验结果表明:设置的两种抗剪件对组合梁在施工阶段和正常使用阶段的抗弯刚度影响均较小;组合梁的最终破坏模式为C形冷弯薄壁型钢梁腹板发生严重的剪切变形并伴随扭转屈曲,设置抗剪件可提高组合梁的极限荷载。在试验研究的基础上,将组合梁简化为T形截面,引入考虑组合翼板与C形梁之间相对滑动的滑移模量,提出了部分抗剪连接组合梁的抗弯刚度计算方法,用于计算组合梁的跨中挠度,计算结果与试验结果相近。     

蜂窝钢梁屈曲模型的相互影响

基于侧扭屈曲模型,采用三维非线性有限元法,考虑初始几何缺陷和材料非线性,研究普通和高强蜂窝钢梁的性能。通过不同跨度和横截面的蜂窝梁试验,对模型进行验证。研究了蜂窝钢梁的破坏荷载、屈曲模型间的相互影响、荷载-侧移曲线。采用有限元模型进行参数分析,研究横截面尺寸、梁长、型钢强度对蜂窝钢梁承载力和屈曲性能的影响。腹板的畸变屈曲较大地降低了细长蜂窝钢梁的承载力。将有限元分析得到的侧扭屈曲下钢梁破坏荷载与澳大利亚规范进行比较,结果表明:规范对侧扭屈曲下普通蜂窝钢梁的破坏分析偏保守,对腹板屈曲下蜂窝钢梁的破坏分析较合理,而对侧扭屈曲下高强蜂窝钢梁的破坏分析非常保守。     

高温下蜂窝组合梁性能试验研究

为研究蜂窝组合构件抗火性能,对实腹组合梁与蜂窝组合梁的抗火开展试验,研究蜂窝组合梁高温下的性能,对比分析腹板是否开孔、开孔形状等参数对组合梁高温下性能的影响。结果表明:高温下蜂窝组合梁因腹板屈曲发生弯扭失稳而破坏。开孔对梁受火时的温度分布有着很大影响,显著降低了梁的耐火极限,开孔形状对蜂窝组合梁耐火性能影响不大,高温下圆形开孔蜂窝组合梁的稳定性优于正六边形开孔蜂窝组合梁。