ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
对新颁布的国家标准GB 50429—2007《铝合金结构设计规范》中若干重要概念、理论和试验研究成果进行了综述。介绍了结构铝合金材料的物理力学性能、本构关系、焊接热影响区等基本特性,给出了铝合金焊接及紧固件连接的计算假定和依据,解释了考虑铝合金截面屈曲后强度和焊接热影响效应的有效厚度法计算理论和相应的有效截面计算方法,叙述了铝合金构件设计计算公式形式选定和相关参数取值的依据,阐述了铝合金面板中面板与支托的计算方法。将对新规范的推广和使用起到促进作用。
运用非线性有限元基本理论研究张弦空间结构的非线性特征。针对5个张弦空间结构工程,研究结构的几何非线性、材料非线性和边界条件的状态非线性特征,揭示其基本力学特性。分析表明:张弦空间结构的刚性构件体系贡献了结构的线性刚度,结构的变形协调使拉索应力刚化进而增大结构的几何刚度;对索施加初始预拉力可以增大结构几何刚度,但不影响结构总刚度增量的变化规律;结构总刚度的非线性部分随荷载步的改变而更新,结构分析须先确定结构所处的荷载工况;结构材料进入塑性后表现为结构总切线刚度中线性部分的降低,当结构达到弹塑性极限承载力时表现为结构材料失效。基于张弦结构的自平衡特性,当张弦空间结构滑动支座滑移达到滑程时,结构的边界条件转变为相应的铰支座或弹性支座。通过屋盖结构支座附近同位置且同方向的下部支承结构体系的刚度与屋盖邻支座区域杆件体系刚度的比较,可方便准确地对屋盖单独模型进行屋盖结构在实际工作环境中边界条件的模拟。
为研究既有结构地震损伤和破坏的特点,利用上世纪80年代初建造的一栋3层钢筋混凝土框架结构,进行了原位推覆试验。试验以原结构切割出的一单跨单开间框架为对象,其余部分作为反力装置。鉴于外砖墙的不对称性,水平加载力分布模式由按楼层倒三角分布的地震加速度乘以对应各加载点分配质量确定。根据结构的试验破坏过程,分析了结构的破坏机理,对其抗震性能作出评价。研究结果表明:墙体不对称布置引起结构严重扭转;梁、柱铰机制均未出现;结构的破坏是以底层柱剪切破坏为特征的脆性破坏。建议对既有老建筑结构抗震评估时,必须考虑梁、柱剪切破坏模式,并考虑楼板及墙体刚度的参与作用。
双塔连体结构是在两塔楼上部设置连体而形成的一种复杂的高层建筑结构形式,在我国实际工程中的应用越来越多,但目前对此类结构的抗震性能研究还不够全面和深入。针对一双塔连体高层建筑,进行了模拟地震振动台模型试验,并利用大型通用有限元分析软件ANSYS进行了结构动力特性和动力反应分析。结果表明,连体刚性连接节点及墙体采取的内设型钢的加强措施可以满足结构抗震要求;连体结构的连体部分对竖向振动效应的放大十分明显;应进一步加强连体桁架构件的整体和局部稳定性;开有较大洞口的楼层应采取改善延性的措施。
为了研究半刚性连接组合梁框架在地震作用下动力特性以及破坏模式,为半刚性框架抗震设计及在地震区的使用提供依据,进行了1个足尺半刚性连接组合梁框架结构模型振动台试验研究。通过试验,分析了小震、中震和大震作用下半刚性连接组合梁框架结构的动力特性、位移反应、加速度反应、半刚性组合节点内力反应、结构破坏模式。研究结果表明:半刚性连接组合梁框架具有较好的抗震性能,在罕遇地震作用下(1.20g),整体结构仍然没有明显损坏,结构破坏形式为半刚性组合节点和柱脚处产生较大塑性变形,半刚性连接框架结构完全可以在高抗震设防烈度地区使用。对试验框架建立有限元分析模型,进行结构的非线性动力时程分析,计算结果与试验结果较为接近。
为研究钢框架梁端连接板与柱翼缘间加设垫板的平齐式端板连接节点的工作性能,设计了9个平齐式端板连接节点足尺试件,其中5个加设了厚度为4mm,8mm,10mm的垫板,其余4个为未设垫板的对比试件。通过梁端单调和循环加载试验,研究了垫板对节点刚度、承载力、转动能力、滞回性能和破坏模式的影响。试验及分析结果表明,在本文研究的节点参数范围内(即加入厚度不大于梁端板厚度或螺栓直径1/2的垫板)垫板对节点的工作性能没有太大的影响。通过对螺栓变形的观察发现,随着垫板厚度的增加,对螺栓的受力会有不利的影响,因此,在可能的情况下应避免使用较厚的垫板。
在有限元分析边界约束对带缝钢板剪力墙性能影响的基础上,设计加工了一套带有连杆机构和侧向支撑从而能较好模拟框架梁对钢板剪力墙面内转动及端部侧移约束状况的试验装置。通过该装置完成了2个足尺带缝钢板剪力墙试件的低周往复加载试验。为了防止带缝钢板剪力墙过早失稳,试件在纵向边缘以方钢管进行加劲。通过试验考察了带缝钢板剪力墙的受力特性及破坏模式。试验结果表明:试件因实现了屈服后屈曲从而具有较好的变形及耗能能力;构造上采用方钢管加劲是可行的。试验同时暴露了试件出现的"角部失稳"和"螺栓滑移"等问题,并为这些问题的解决提供了有益线索。
针对带缝钢板剪力墙试验中出现的"角部失稳"和"螺栓滑移"等问题,对两个试件在加劲措施及螺栓布局上进行了改进,将钢板剪力墙两侧的加劲钢管通高设置,增加边部螺栓布置密度,同时还增加了与应用有关的新研究内容包括"中部栓接、上下端焊接"和"上栓下焊"的连接方式以及与楼板浇筑混凝土相协调的构造措施等。对这两个试件的低周往复加载试验结果表明:改进措施有效地克服了试件的"边角失稳"和"螺栓滑移",从而使试件表现出了更好的延性及耗能能力;"中部栓接、上下端焊接"和"上栓下焊"的连接方式以及与楼板浇筑混凝土相协调的构造措施是可行的。在细致分析试件延性及耗能性能基础上,建议将带缝钢板剪力墙的功能定位为类似阻尼器的耗能元件。
针对已有研究中开缝组合钢板墙开缝数量较多,使得墙板的抗侧刚度和承载力大大削弱的现象,对大宽厚比开缝组合钢板墙进行了试验研究。改进措施为采用预制混凝土板增加钢板的角部面外约束以防止墙板的整体屈曲。通过5个试件的反复荷载试验,研究大宽厚比开缝组合钢板墙的破坏模式、屈服承载力、极限承载力、延性、滞回性能以及耗能性能。试验结果表明,预制混凝土板角部设置约束装置可以有效避免试件的整体失稳,并改善大宽厚比开缝钢板墙的滞回性能。对大宽厚比开缝组合钢板墙试件进行的单调荷载和反复荷载作用下的有限元分析结果表明,单调荷载作用下的有限元分析结果明显低估试件的极限承载力,循环荷载作用下的骨架曲线与试验结果吻合较好,大宽厚比开缝组合钢板墙有明显的应变循环强化效应。相应地对大宽厚比开缝组合钢板墙极限承载力公式进行了改进。
已有研究在组合钢板墙的混凝土板与边缘构件之间留出缝隙,以避免混凝土板分担面内水平力,但却使缝隙处的钢墙板因失去混凝土板的约束而成为薄弱部位。为此提出在钢板上开圆孔的措施,将薄弱部位移至混凝土板约束区域以内。一个四层单跨1/4缩尺比例的开圆孔组合钢板墙结构模型振动台试验结果显示,混凝土板与边缘构件间缝隙处钢板没有发生屈曲,证明了所提措施有效。在组合钢板墙分析模型的基础上,针对开圆孔的组合钢板墙,提出了修正的双向多斜杆模型:将钢板用双向多根斜杆来模拟,斜杆的方向和截面面积根据所开圆孔的几何条件确定,斜杆的受拉承载力根据钢材的屈服强度确定,受压承载力根据组合钢板墙的受剪承载力计算公式确定。利用所提分析模型对振动台试验模型进行了弹塑性时程分析,计算结果与试验结果吻合良好,验证了分析模型的正确性。
设计16个内置钢板钢筋混凝土剪力墙(简称SPRCW)试件,进行低周反复加载试验研究。根据试验现象与试验数据得到的滞回曲线、骨架曲线、延性系数、等效粘滞阻尼系数等参数,从强度、变形和能量等三个方面判别和评定试件的抗震性能;比较不同参数如高宽比、墙体厚度、钢板厚度等条件下试件的工作性能;研究细部构造措施如拉结筋和钢板上焊接栓钉等对于剪力墙受力破坏特征以及抗震性能方面的影响;对比SPRCW与普通钢筋混凝土剪力墙发现,钢板对于提高构件的抗震性能效果十分明显。通过对试验数据的拟合,研究了构件在地震作用下的恢复力特性,确定结构构件恢复力的计算模型,为结构非线性时程分析提供理论依据;利用试验数据拟合了内置钢板钢筋混凝土剪力墙的受剪承载力公式,可为制定该类型构件的相关规范提供参考。
DIANA(DIsplacement method ANAlyser)是一种研究混凝土结构能力较强的有限元分析软件,尤其适用于结构非线性分析。选择合适的模型和本构关系,采用DIANA,对反复荷载作用下内置钢板钢筋混凝土剪力墙受力性能进行数值分析。比较数值模拟结果与试验实测结果可知,DIANA能够较好地模拟构件峰值荷载点之前的滞回特性;就轴压比、混凝土强度等级等参数对于墙体抗震性能的影响进行了讨论,结果表明DIANA仿真模拟与试验结果吻合较好。针对数值仿真中存在的未考虑钢板与混凝土的粘结滑移、网格划分精度等问题,提出了合理精度的网格划分与几何非线性计算相结合的建议,可以较好地模拟钢板的局部屈曲。
开孔板连接件是钢-混凝土组合梁中常用的一种抗剪连接件。通过21个开孔板连接件试件在单调静力荷载作用下的推出试验,研究了开孔板的开孔直径、混凝土强度等级、孔中横向贯通钢筋的直径和数量等对开孔板连接件的破坏形态、荷载-滑移特性和受剪承载力等的影响。研究表明:开孔板连接件的荷载-滑移曲线(P-S曲线)大致可分为弹性阶段、塑性发展阶段和下降段;提高混凝土强度等级、增大开孔直径可提高开孔板连接件的受剪承载力,横向贯通钢筋直径由16mm增大至20mm时,试件的受剪承载力提高了21.8%,配置横向贯通钢筋2 16的试件受剪承载力比相应的未配置横向贯通钢筋的试件高19.1%;随着混凝土强度等级的提高,试件抗剪刚度增大,而开孔直径及横向贯通钢筋直径则对抗剪刚度无明显影响。最后,基于试验结果提出了开孔板连接件受剪承载力的计算方法。研究成果可为编制《钢-混凝土组合桥梁设计规范》提供依据和参考。
上海世博会中国馆东方之冠建筑造型和结构体系独特,结构为复杂大跨大悬挑钢-混凝土混合结构,主体结构为四个混凝土筒体,上部楼屋面采用混凝土梁板体系、型钢梁-混凝土板梁板体系和钢桁架梁-混凝土板梁板体系。由于上部结构悬挑较大,结构1阶振型为扭转振型,不满足现行建筑抗震设计规范的要求。采用NosaCAD2005有限元程序建立整体结构分析模型,压弯构件采用纤维截面模型,墙体采用非线性平板壳单元,以反映构件非线性复杂受力情况。通过7度多遇和7度罕遇烈度下的弹塑性时程分析,研究了该结构的变形、内力、破坏情况的发展历程。计算结果表明,小震情况下,结构构件未出现损坏;大震情况下,结构最大层间位移角满足1/100的限值要求,筒体构件损坏顺序和分布较为合理,能在一定程度上耗散地震输入能量。出现塑性铰的杆件未超过极限承载能力,结构可以满足"小震不坏"、"大震不倒"的抗震设防要求。最后根据构件的受力或损坏情况,给出了设计改进建议。
基于离散单元法和杆端多弹簧模型的思想,引入适用于任意加载路径的弹簧恢复力模型,考虑混凝土轴向弹簧与截面剪切弹簧的耦合效应,建立了合理的弹簧破坏准则,并对单元失效后的碰撞问题进行了有效的处理,在此基础上开发了能够模拟强震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程的计算机仿真程序CSPF 1.0。以汶川地震灾区一实际建筑为例,利用CSPF 1.0程序模拟了地震作用下该结构响应的全过程,得到了该结构可能产生的强梁弱柱型倒塌模式。另外在增大原结构的柱截面尺寸及配筋的基础上,程序进一步模拟了强柱弱梁型的倒塌模式。通过对仿真结果的论述和分析,说明了程序CSPF1.0的可靠性和离散单元法在钢筋混凝土框架结构倒塌分析中的可行性,并在一定程度上揭示了框架结构的破坏机理和倒塌机制。
采用相贯节点的圆钢管结构广泛应用于大跨度网格结构中,对于具有一定抗弯刚度的连接,节点将受到弯矩作用。介绍了两个不同几何参数的X型厚壁圆钢管相贯节点试件的平面外受弯滞回性能试验,结合数值分析,对节点承载能力和变形能力进行了研究。结果表明:在合理的几何参数和焊缝质量保证下,厚壁圆钢管相贯节点平面外受弯的承载力较高;厚壁圆钢管相贯节点在支主管径比β较大时节点易发生主管壁拉剪断裂破坏;在支主管径比β较大时延性等抗震性能较好,β较小时延性等抗震性能较差。
上海光源工程采用圆钢管相贯而成的单层网壳结构,网壳结构的边界搭接在箱形截面主梁上形成了箱形主梁与圆钢管焊接连接节点。为研究该连接节点的平面外受弯性能,进行了3个不同构造型式的连接节点试件平面外受弯的滞回性能试验,考察了节点的受力性能和破坏模式。结果表明,3种节点破坏模式均为支管(贯通式连接管)根部塑性变形过大或局部屈曲破坏,其平面外受弯的承载力都能满足节点承载力高于构件承载力的要求,都具有良好的抗震性能。有限元软件ABAQUS的非线性分析表明,在接近破坏时,箱形主梁内部加劲部件的塑性化程度以贯通管式连接最为严重;套管式连接节点中槽形塞焊焊缝的作用在于将内力逐渐从构件传递到节点域,使得节点受力性能更加合理。
提出了一种适用于钢管塔的新型内外法兰节点连接形式,阐述了该法兰的特点,指出其内外圈螺栓拉力的确定是该法兰节点设计的关键。为考察这种内外法兰节点的受力性能、破坏模式及内外圈螺栓的拉力,以榕江大跨越塔为背景,进行了2个内外塔脚法兰节点的大尺寸缩尺模型静力试验。同时,对试验模型进行了有限元非线性数值分析。试验与有限元分析结果表明:这种法兰节点受力合理,可用于实际工程;榕江大跨越塔新型内外塔脚法兰节点是安全可靠的。最后,结合试验与有限元参数分析结果,建议实际工程中在进行内外法兰节点设计时,当内外圈螺栓规格相同时,其外内圈拉力比值可统一取1.0;当内外圈螺栓规格不同时,建议外内圈螺栓直径相差不宜超过2个级别,其拉力比值可取为1.1。
杭州湾跨海大桥观光塔处于近海,结构受到海洋波浪荷载的作用,需对塔中2个铸钢节点的疲劳性能进行试验研究。通过对塔中的2个铸钢上节点模型(缩尺比例为1∶4)的静载试验和抗弯疲劳试验,研究了GS-20Mn5V的铸钢节点的疲劳性能。试件在3种循环荷载作用下的滞回曲线的变化和应变随着循环次数的增加而降低的规律表明,GS-20Mn5V铸钢属于应力强化材料。分析试件在不同应力幅作用下的疲劳寿命变化,得到了GS-20Mn5V铸钢节点的疲劳极限及S-N曲线。研究结果表明,观光塔中的铸钢节点在波浪荷载作用下能够保证结构安全。
从球体钢材屈服强度的角度对受压破坏机理进行研究。采用弹塑性线性强化材料本构模型建立有限模型,考虑几何非线性,利用弧长法对受压球节点进行了全过程受力分析。系统研究了受压球节点的承载能力和破坏机理,节点因材料屈服形成塑性环铰而无法继续承载,材料屈服强度是影响承载力的主要因素。提出了破坏控制截面的概念,剪应力是破坏截面的控制应力。采用Q235B和Q345B材质的4组8个典型球节点试件的对比性破坏试验研究,直观了解节点的受力性能和破坏机理,验证了有限元分析的正确性。最后,利用冲切模型对受压承载力进行了理论分析,建立了承载力实用计算公式,可以直接应用于工程设计。
通过外加电流加速锈蚀法获取锈蚀钢筋混凝土试件,采用横向粘贴碳纤维布的方法进行加固,设计并制作了未加固锈蚀试件、先锈蚀后加固和先加固后锈蚀三组22个试件。考虑保护层厚度、加固前或加固后的钢筋锈蚀率等因素,通过拉拔试验研究了碳纤维布约束对锈蚀钢筋与混凝土间粘结性能的影响。分析结果表明,碳纤维布的约束作用能显著提高锈蚀后钢筋与混凝土间的粘结性能,试件破坏模式由混凝土劈裂破坏向钢筋拔出破坏转变。未加固锈蚀试件极限粘结强度随着锈蚀的发展而降低;锈蚀试件采用碳纤维布加固后,由于保护层的劈裂受到约束,极限粘结强度显著提高;由于碳纤维布对锈胀力和保护层劈裂的双重约束作用,先加固后锈蚀试件的极限粘结强度随着锈蚀的发展而增大,且比同等锈蚀率的先锈蚀后加固试件更为显著。根据试验结果分别建立了不同约束条件下锈蚀钢筋与混凝土间极限粘结强度的计算模型。
利用外加电流加速锈蚀法获得锈蚀钢筋混凝土梁,对其粘贴碳纤维布加固后进行受弯试验,并对加固试验梁建立有限元模型,研究其在静力荷载作用下的抗弯刚度和变形能力。结果表明,随钢筋锈蚀率增大,碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度发生退化,极限变形能力逐渐削弱。粘贴纵向碳纤维布在一定程度上能够提高锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度,设置横向U形箍则能有效提高加固体系的整体工作性能。在试验及分析结果基础上,按照传统钢筋混凝土梁截面抗弯刚度解析分析方法的思路,引入钢筋应变综合系数来考虑锈蚀钢筋与混凝土间粘结性能退化对梁抗弯刚度的影响,并根据试验梁和钢筋不同锈蚀程度有限元模型梁的计算刚度进行反推计算,建立了钢筋应变综合系数的计算公式,进而提出了碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的计算方法。与试验结果及有限元模拟分析结果的比较表明,所提计算方法具有较高的精度。
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。
介绍了一组约束钢柱抗火试验,包括试验设计、钢柱温度和位移测量结果、钢柱试验后残余变形,以及试验的数值模拟等。试验变化参数为钢柱所受约束的刚度。约束刚度大小对钢柱抗火性能的影响包括:约束刚度比大的钢柱,其屈曲温度和破坏温度均较低;钢柱屈曲后,约束刚度比大的钢柱在变形较小时即可达到新的平衡位置;约束钢柱的破坏温度一般高于其屈曲温度,且随轴向约束刚度比的增大,破坏温度与屈曲温度之差增大。试验结果与有限元分析结果进行了对比,两者吻合较好,有限元方法研究约束钢柱抗火性能具有较高的精度。
利用刚性模型的同步测压风洞试验,研究了矩形截面超高层建筑脉动扭矩的基本特征。研究内容包括扭矩系数的根方差、功率谱密度、竖向相关性以及横风向脉动风力-扭矩相干函数,另外还考察了厚宽比和风场类别这两个参数对脉动扭矩的影响。研究结果表明,脉动扭矩系数随高度增加递减,随厚宽比增加而增加;脉动扭矩谱具有两个谱峰,谱峰形状随厚宽比改变发生很大变化;相对横风向风力,扭矩的竖向相关系数随距离衰减更快;脉动扭矩与横风向风力具有较强的相关性。
利用风洞试验结果,对矩形截面超高层建筑风致脉动扭矩数学模型进行研究。以厚宽比和风场类别为基本变量,采用最小二乘法得到了风致脉动扭矩系数根方差、功率谱密度、竖向相关性系数以及横风向基底弯矩-基底扭矩相干函数闭合计算公式。这些公式的计算结果与原始试验数据吻合较好,说明计算公式具有较高精度。此外,利用结构随机振动方法,用提出的公式以及直接采用试验风压数据计算一栋实际超高层建筑的扭转动力响应,对比了扭转广义力谱、顶层扭转响应谱以及扭转响应根方差等计算结果,对比结果表明两者吻合较好,从而验证了公式的适用性。
采用Fluent6.0软件平台和雷诺应力模型(RSM),对我国沿海地区常见的一类带挑檐的低层双坡房屋屋面风压进行了数值模拟,研究了各影响因素对屋面平均风压的影响。首先,将数值模拟结果和模型风洞试验结果进行对比,以说明文中采用的湍流模型和计算参数的适用性。然后,采用数值模拟方法,研究带挑檐的低层双坡房屋屋顶具有不同外形参数(坡角、挑檐长度、檐口高度)时,屋面的局部平均风压分布特性和变化规律。结果表明,各参数对屋面风压的影响程度不一,且与风向角的影响有关。坡角对屋面风压分布的影响是整体性的,挑檐长度则只有局部性的影响,而檐口高度对整体屋面风压的影响较小。研究结果可供我国沿海地区低层房屋抗风设计参考。
基于Fluent 6软件平台,利用Realizablek-ε湍流模型对世博轴大跨膜结构屋面的平均风荷载进行了数值模拟研究。首先,通过与刚性模型测压风洞试验结果的对比,验证了数值模拟计算的有效性。然后,着重研究了周边建筑对膜表面平均风压分布的影响。最后,从数值模拟得到的流场信息分析了周边建筑对膜表面平均风压分布影响的机理。结果表明:周边建筑对膜表面局部风压分布有一定的影响,主要是由于上游建筑的"遮挡"改变了膜表面附近气流的流动状态,使建筑后面区域膜表面局部风压的绝对值有所减小,但随着上游建筑与膜结构之间距离的增大,这种影响逐渐减弱,并且远离上游建筑位置的膜表面风压基本不受影响。
为了提高索力动力检测精度,考虑索的垂度、抗弯刚度和边界弹性约束等因素建立数学物理模型,给出索频率方程的无量纲形式,研究各因素对索力动力检测的影响。结果表明:索的垂度只影响奇数阶频率,采用偶数阶频率进行索力检测可以忽略索垂度的影响;对较短或索力较小的索,索的抗弯刚度和边界条件对索力动力检测的影响不可忽略,索的抗弯刚度越大,边界条件的影响越大。以索力动力检测理论为基础,假设不同边界条件下的索力识别公式具有相同形式,导出了考虑索的抗弯刚度和边界条件对索力动力检测影响的实用计算公式。通过试验验证了实用计算公式的精确性和实用性。
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