钢管混凝土拱稳定分析的有限元法

在20结点三维块体等参元及16结点相对位移板壳元[1]的基础上、引入梁的基本假定,采用等效数值积分法,构造出12-20结点三维退化平面和柱面层合曲梁单元,同时给出用于梁或拱线弹性稳定性分析的有限元列式,最后,以绍兴轻纺大桥为工程背景,计算出轻纺大桥钢管混凝土拱面内屈曲及面外侧倾屈曲的临界荷载.     

钢管混凝土拱稳定分析的三维退化层合曲梁单元

为计算钢管混凝土拱的屈曲荷载,本文在文[1]三维退化梁单元的基础上,采用等效数值积分法,构造出12-20结点三维退化层合曲梁单元,并考虑几何非线性影响,给出用于层合梁或拱线弹性稳定性分析的有限元列式,最后,以绍兴轻纺大桥为工程背景,计算出轻纺大桥钢管混凝土拱面内及面外屈曲的稳定系数.     

钢管混凝土空间桁拱徐变计算的单一单元模型

采用空间杆单元模拟结构杆件,基于徐变作用下钢管与核心混凝土黏结良好因而应变协调的特点,结合徐变的时间步增量分析方法,建立适合钢管混凝土空间桁拱徐变分析的单一单元模型并开发了程序,对湖南茅草街大桥(主跨为368 m的中承式钢管混凝土拱)进行了《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG-T D65-2015)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)规定的两种徐变模式下拱肋下挠、截面应力以及杆件内力重分布的对比分析。结果表明：本研究的钢管混凝土杆件单一单元模型相对于常规的双单元模型能提高计算效率;两种徐变模式下计算的由徐变引起的拱肋下挠、截面应力重分布非常明显,杆件内力重分布不太明显;相对而言,后一种徐变模式下徐变对拱肋受力行为的影响更强些。     

钢管混凝土助拱桥拱肋截面几何特性计算的探讨

讨论了钢管混凝土拱肋截面几何种不同方法之间的区别与联系。     

哑铃型钢管混凝土拱肋极限承载力研究

为了研究哑铃型钢管混凝土拱肋的力学性能,基于统一强度理论和等效梁柱法,考虑中间主应力和材料拉压比的影响,推导了其极限承载力的新公式。采用梁单元建立哑铃型钢管混凝土拱肋的有限元模型,对其受力全过程进行双重非线性分析。将理论分析结果和数值计算结果与相关文献的试验结果进行比较,吻合良好,验证了本文理论分析方法和有限元计算方法的正确性。采用有限元方法,对荷载工况、长细比、矢跨比、截面形式和腹腔混凝土等参数的影响特性进行分析,研究结果表明,荷载工况对哑铃型钢管混凝土拱肋的极限承载力影响显著,荷载越对称、均匀,拱肋的极限承载力越高,竖向变形越小;拱肋的极限承载力随长细比的增大而显著降低,随矢跨比的增大先提高后略有降低;截面形式对拱肋的强度和刚度均有较大影响,而腹腔混凝土对其强度和刚度几乎没有影响。     

钢管混凝土肋拱桥拱肋截面几何特性计算的探讨

讨论了钢管混凝土拱肋截面几何特性计算几种不同方法之间的区别与联系．     

倒三角形截面板管连接式钢圆弧拱在平面内的稳定承载力研究

采用理论推导与数值模拟相结合的方法,对倒三角形截面板管连接式钢圆弧拱在平面内的弹性屈曲和弹塑性屈曲进行了深入研究.首先,理论推导了拱的截面剪切刚度,并提出了拱在全跨均布径向荷载作用下的弹性屈曲公式.此外,还提出了避免连接板和弦杆在拱发生整体弹性失稳之前发生局部失稳的限制条件.然后,分别研究了在全跨均布径向荷载和全跨均布竖向荷载作用下,拱的整体弹塑性失稳机理.结果表明,在全跨均布径向荷载下,拱在1/4跨和3/4跨附近的弦杆会发生屈服,最终发生拱的整体弹塑性失稳.基于数值结果,建立了拱在全跨均布径向荷载作用下的稳定曲线,并针对拱发生整体弹塑性屈曲提出了相应的稳定承载力设计公式.在全跨均布竖向荷载作用下,钢拱发生整体失稳时,在拱脚两端附近的下弦杆会进入屈服.同样地,本文也提出了拱在全跨均布竖向荷载作用下,发生整体弹塑性失稳时的稳定极限承载力设计公式.本文所建议的公式与有限元结果符合得较好,可供实际工程设计参考.     

圆弧拱考虑一般缺陷的面内屈曲

研究了几何缺陷、荷载非均匀分布和支座沉陷对圆弧拱面内屈曲的影响.基于能量的变分原理推导了考虑缺陷的微分方程,得到了外荷载和轴力的关系式以及径向位移的表达式.从微分方程出发用摄动法对屈曲荷载的缺陷敏感性进行了分析,得到了屈曲荷载的近似表达式.结果表明近似解与精确解吻合良好;正对称屈曲荷载对正对称缺陷参数十分敏感;反对称缺陷参数对反对称屈曲荷载影响显著而正对称缺陷参数影响很小.     

钢管混凝土纯压拱失稳临界荷载计算的等效柱法

在双重非线性有限元分析的基础上,进行了钢管混凝土纯压拱失稳临界荷载的简化计算方法——等效柱法的研究,提出了等效柱法中考虑矢跨比影响的稳定系数K₁ 以及考虑初始几何缺陷影响的折减系数K₂及其与现有规范相对应的计算公式。与有限元计算结果的对比表明,采用考虑矢跨比因素的稳定系数的等效柱法能较精确地估算钢管混凝土纯压拱的非线性失稳临界荷载,且计算精度受含钢率和钢材种类变化的影响较小。     

内爆炸下钢管混凝土结构变形与破坏的试验分析及数值模拟

钢管混凝土结构由于具有良好的力学性能和低经济成本而受到广泛应用,因此对它的研究很多,但对它在爆炸作用下尤其是内爆炸作用下的研究很少,故分析钢管混凝土结构在内爆炸下的变形与破坏具有重要意义.本文通过试验与数值模拟方法,分析了内爆炸下钢管混凝土结构在具有二条预制狭缝时的变形与破坏情形.结果表明,钢管变形主要发生在靠近狭缝处,变形大小随药量的增加而增大,最终导致钢管在狭缝两端出现约45°方向的裂纹,引起钢管混凝土剪切破坏.     

预应力钢管混凝土组合构件的稳定性研究

给出了预应力筋初始张拉力和有效张拉力的计算方法．根据弹性力学理论和能量法原理,建立了组合构件挠曲微分方程,推导了各种边界条件的预应力钢管混凝土组合构件的压屈载荷计算公式,并由强度条件确定了界限长细比．算例分析表明,对超过界限长细比的钢管混凝土组合构件,施加预应力可以有效地提高其稳定承载力．     

方钢管型钢再生混凝土组合短柱偏压性能试验研究

对12个短柱试件进行偏心受压试验,研究方钢管型钢再生混凝土组合短柱的偏压力学性能,观察试件的偏压破坏过程及破坏形态,获取试件的偏压荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线、侧向挠度及刚度退化曲线,分析再生混凝土强度、型钢配钢率、方钢管宽厚比、偏心距、再生粗骨料取代率对组合短柱偏压性能的影响规律,研究结果表明：在偏压荷载作用下,各试件的破坏特征较为相似,主要表现为组合柱中部型钢的受压侧最先开始到达屈服状态,随着偏压荷载的继续增加,外部钢管的受压侧也进入屈服状态,最后核心再生混凝土被压碎,组合柱的破坏是由于外部钢管的中部出现了明显的局部鼓曲;试件偏压承载力分别随再生粗骨料取代率和偏心距的增大而逐渐降低,其中偏心距对试件的偏压承载力和侧向挠度影响显著,再生粗骨料取代率对试件偏压承载力和变形能力影响是不利的;增加方钢管壁厚或型钢配钢率均对于提高试件的偏压性能是有利的;提高再生混凝土强度会降低组合短柱的变形能力,这与普通混凝土类似,但试件的偏压承载力会得到相应的增强。总体上,该组合柱在偏压荷载作用下具有较高的承载力和良好的变形能力,研究结论可为该组合柱的工程应用提供一定参考。     

泊松比对钢管混凝土拱桥极限承载力的影响

主要研究在几何和材料双非线性影响下,分析大跨度钢管混凝土拱桥钢管内混凝土泊松比变化对桥梁极限承载力的影响.。以某桥为背景,利用ansys程序进行三维有限元仿真分析,在考虑混凝土泊松比变化情况下,逐步改变核心混凝土泊松比直至结构破坏,并与不考虑混凝土泊松比变化的情况相比较,以考察核心混凝土泊松比变化对桥梁极限承载力影响程度,得出在对拱桥的极限承载力分析时,考虑钢管对核心混凝土的套箍作用,可使极限承载力比不考虑混凝土泊松比变化时的计算值高出10%。     

不同长细比圆钢管混凝土柱偏心试验研究

针对不同长细比圆钢管混凝土短柱试件进行了试验研究, 介绍了试验参数、试验装置和方法, 得到载荷与应变、载荷与挠度的曲线, 分析了长细比对该类构件力学性能的影响规律, 并应用相关规程进行了极限承载力的验算, 针对该类构件在工程中的应用提出了合理的建议. 结果表明, 随着长细比的增大, 钢管对核心混凝土的约束作用不断减弱, 极限承载力也明显下降, 而其横向变形能力逐渐减弱, 在延性方面则影响不大. 试件达到极限承载力时对应受压区的纵环向应变也比较大.     

外包波纹钢-混凝土组合梁与波纹钢-钢管混凝土柱节点抗震性能研究

基于课题组研发的外包波纹钢-混凝土组合梁与波纹钢-钢管混凝土柱,本文提出一种组合结构的节点形式,并进行了该类节点试件的低周往复荷栽试验.对节点的破坏模态、滞回曲线、骨架曲线、耗能、延性、节点核心区应变进行了分析,对该类节点变形组分及变化规律进行了研究,结果表明:试件最终为梁端塑性角区弯曲破坏,延性系数为2.45,等效黏...     

钢管混凝土拱桥缀板鼓包应力的测试方法

钢管混凝土拱桥的缀板在灌注混凝土的泵送施工中极易产生鼓包现象,鼓包处的应力测试对工程处置极为重要,但因其位置和大小有一定的偶然性,难以采用预置传感器方法进行,需采用固有应力的测试方法,本文提出了用局部微损的小盲孔表面应力释放测试方法进行钢管混凝土拱桥缀板鼓包应力的思路,并结合工程实例研究了方法实施过程中遇到的若干问题,如方案的选择、测试的理论依据、实施过程和对结果的解释等问题。     

环形板屈曲与过屈曲的横向剪切效应

本文应用分支理论和打靶法研究了环形板屈曲与过屈曲的横向剪切效应     

局部屈曲FRP增强薄壁钢管混凝土抗震性能

为了研究FRP(Fiber Reinforced Polymer)增强薄壁钢管混凝土的抗震机理,提出FRP约束钢管局部屈曲应力-应变关系并建立FRP约束钢管恢复力模型,在此基础上建立FRP增强薄壁钢管混凝土柱滞回模型,开展FRP增强薄壁钢管混凝土柱拟静力试验以验证滞回模型的合理性,同时考查FRP布置方式对柱体抗震性能的影响,利用滞回模型对FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能机理进行分析。研究表明,薄壁钢管局部屈曲所导致的强度退化是柱体抗震性能劣化的主要原因,基于纤维力学特性合理设计FRP的增强方式可有效提升柱体的抗震性能。CFRP宜采用环向约束方式抑制薄壁钢管的局部屈曲;GFRP宜采用纵向抗弯方式提高柱体大变形下的承载能力。FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能主要由钢管承担,在本文研究参数范围内,薄壁钢管耗能占比超过80%,混凝土耗能介于10%～20%,纵向FRP耗能小于8%,对薄壁钢管实施有效约束后,其耗能可提高40%以上。     

Long-term non-linear behaviour and buckling of shallow concrete-filled steel tubular arches

This paper presents a theoretical analysis for the long-term non-linear elastic in-plane behaviour and buckling of shallow concrete-filled steel tubular (CFST) arches. It is known that an elastic shallow arch does not buckle under a load that is lower than the critical loads for its bifurcation or limit point buckling because its buckling equilibrium configuration cannot be achieved, and the arch is in a stable equilibrium state although its structural response may be quite non-linear under the load. However, for a CFST arch under a sustained load, the visco-elastic effects of creep and shrinkage of the concrete core produce significant long-term increases in the deformations and bending moments and subsequently lead to a time-dependent change of its equilibrium configuration. Accordingly, the bifurcation point and limit point of the time-dependent equilibrium path and the corresponding buckling loads of CFST arches also change with time. When the changing time-dependent bifurcation or limit point buckling load of a CFST arch becomes equal to the sustained load, the arch may buckle in a bifurcation mode or in a limit point mode in the time domain. A virtual work method is used in the paper to investigate bifurcation and limit point buckling of shallow circular CFST arches that are subjected to a sustained uniform radial load. The algebraically tractable age-adjusted effective modulus method is used to model the time-dependent behaviour of the concrete core, based on which solutions for the prebuckling structural life time corresponding to non-linear bifurcation and limit point buckling are derived.