单室受火对双层双跨组合钢框架抗火性能的影响

单室火灾是常见的火灾工况之一。本文利用自行研制的火灾试验炉,对单室火灾时2榀双层双跨组合钢框架的火灾性能进行了试验研究,火灾工况包括:梁、板、柱同时受火,节点不受火;梁、板受火,而柱、节点不受火二种。试验中量测了各种工况的炉温,H型钢梁、柱的翼缘、腹板及钢筋混凝土楼板中的温度分布,分析发现组合梁在三面受火时裸钢的温度相差很小,而混凝土中的温度与裸钢的差异较大;与钢的升温曲线不同的是,混凝土的升温曲线在加温初期由于内部凝结水等开始蒸发,使温升曲线存在有一平缓阶段,且随着距受火面距离增大混凝土的温升曲线有明显的滞后现象,当炉温和裸钢的温度开始下降时,混凝土的温度却仍在升高。文中还量测了一层框架柱中点、柱顶的水平位移和二层柱顶的位移,对框架的变形性能和破坏现象进行了分析介绍。     

新型PEC柱(强轴)-钢梁(RBS)组合框架层间倒塌机理试验研究

结构抗倒塌性能是维系结构震后整体性和实现"大震不倒"设计标准的关键所在。为研究新型PEC柱(强轴)-钢梁(BRS)组合框架结构的层间子结构倒塌机理,按1∶2缩尺比例设计制作1榀组合框架层间子结构试件并进行拟静力抗震试验。基于试验现象记录和测试数据整理,分析了试件的破坏过程、滞回特性、水平抗侧刚度退化、耗能能力、水平侧移模式与塑性破坏机构等抗震性能。研究结果表明:对穿螺栓连接实现了节点区混凝土斜压带传力模式,且梁端截面削弱使梁端出现塑性铰远离节点区,较好满足了"强节点弱构件"的抗震要求;试件位移延性系数μ_u=4.36,最大等效黏滞阻尼比(ζ_(eq))_(max)=0.344,具有较好的抗震延性和耗能能力;试件水平抗侧刚度沿高度分布均匀,呈现理想倒三角形侧移模式;试件最终破坏模式为梁端削弱截面屈服形成塑性铰的理想塑性破坏机构,且其承载力下降到极限承载力85%时,对应层间相对侧移和节点转角均超过罕遇地震作用下层间侧移限值1/30,试件具有良好的抗倒塌能力。     

考虑剪切变形的半刚性连接钢框架P-Δ效应研究

在综合考虑剪切变形和梁柱节点连接半刚性影响的基础上,给出了框架柱的抗侧移刚度公式。当不考虑剪切变形时对本文给出的公式进行简化可得到相关文献中的公式,但本文给出公式的应用范围更广。数值算例表明:剪切变形对框架结构的P-Δ效应影响显著,与不考虑剪切变形相比,考虑剪切变形的影响所计算的层间侧移的差值已超出工程上可接受的5%的误差范围;剪切变形降低了结构的抗侧移刚度,增大了层间侧移值,应引起高度的重视。本文所编制的计算表格不仅可供工程设计人员用于前期方案阶段的估算,而且可作为对平、立面均规则的钢框架结构电算结果的校核程序使用。     

竖向载荷对半刚性连接钢框架抗震性能的影响

利用拟动力试验对T 型钢半刚性连接钢框架在2 种地震峰值加速度下的抗震性能进行研究, 并对比分析了钢框架在柱顶施加竖向载荷和无竖向载荷等2 种工况下的应变、位移和载荷变化, 以及载荷-位移滞回曲线. 结果表明: T 型钢半刚性连接钢框架具有较好的变形能力, 滞回性能良好, 抗震能力较强, 且随着地震作用的增大, 钢框架的动力反应增大; 竖向载荷对钢框架的层间位移反应影响较大, 而对节点区域的应变和层间载荷的影响较小.     

型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点地震损伤研究

为研究型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点的地震损伤性能,对8个节点试件进行低周反复荷载试验研究,结果表明:节点核心区主要发生剪切斜压破坏,试件滞回曲线较为饱满,位移延性系数均值大于3.0,节点表现出较好的抗震性能。同时,基于最大变形和累积耗能的双参数准则,在Park-Ang地震损伤模型研究的基础上,通过引入组合系数α对该模型进行修正,计算节点的地震损伤指数,并以此评估分析再生粗骨料取代率和轴压比对节点地震损伤性能的影响。结合试验研究,将节点的地震损伤性态水平划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌5类,并给出其相应的量化指标;在此基础上,建立不同性态水平下节点的损伤程度、破坏等级与量化指标的一一对应关系。研究结论可为型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点抗震性能化设计提供参考。     

广义双重抗侧力结构体系的统一位移计算理论

在广义概念上将建筑结构视为由同时考虑弯曲变形、剪切变形的两种子结构组成的双重抗侧力结构体系, 提出弹性阶段广义双重结构水平位移的统一的计算方法. 子结构单独承受水平外载荷时其内力与变形的关系服从Timoshenko剪切梁基本理论, 在子结构协同工作的基础上, 采用水平变形连续化的计算方法, 建立了广义双重抗侧力结构体系的统一位移微分方程, 以结构承受均布载荷作用为例推导出两个子结构的弯曲变形、剪切变形及结构总水平位移的通用解析表达式. 对框架-剪力墙结构与广义双重结构的位移微分方程式、微分方程特解、水平位移解析解进行了全面对比分析, 证明了框架-剪力墙结构是隶属于广义双重结构体系的一种具体表现形式; 算例分析表明, 对于一般中高层双重抗侧力结构, 采用解析法计算所得的位移结果能够满足一般工程设计的精度要求.      

不同加载速率下煤的侧向变形特征研究

利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统开展了5种不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了加载速率对煤体侧向变形特性的影响。研究结果表明:在裂纹闭合压密阶段、弹性变形至裂纹稳定扩展阶段,煤样变形以轴向压缩为主,侧向变形很小;在裂纹非稳定扩展阶段侧向应变开始加速增大,并在峰前应力调整阶段出现小幅陡增现象;在峰后扩容阶段煤样侧向应变急剧增大,呈现扩容与脆性破坏多次交替出现的特征,这一阶段大多数试件的侧向应变占总侧向应变的70%～90%。在加载初期煤样侧轴比处于较低水平,当轴向应力出现第一次跌落以后,煤样侧向应变快速增大,而轴向应变增加速度较小,导致试件侧轴比呈现快速增大直至试验结束。不同加载速率下煤样第一次出现轴向应力跌落时的侧向应变保持在3.0×10-3左右,表明在不同加载速率下煤样出现第一次轴向应力跌落时的侧向应变基本相同,可将侧向应变作为预测煤体破坏的控制变量。     

型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点恢复力模型试验研究

为了建立型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架中节点的恢复力模型,进行了5个组合框架节点试件的低周反复荷载试验,观察试件破坏过程及形态特征,获取各试件的滞回曲线和骨架曲线,重点分析其滞回性能和抗震性能。试验结果表明,各节点试件均发生典型的剪切破坏形态,受力过程大致经历了弹性段、带裂缝工作段、屈服强化段及破坏4个阶段,节点滞回曲线呈较为饱满的梭形,位移延性系数均值为3.29,表现出较好的抗震性能。在此基础上,考虑节点试件受力特征,建立了适合型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点的四折线恢复力模型,该模型包括骨架曲线模型、刚度退化规律及滞回规则,计算曲线与试验曲线吻合较好,能够很好反映型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点在低周反复荷载作用下的滞回特性。本文研究结果可为节点抗震设计提供一定参考。     

哈大客运专线沈阳高铁站弹塑性时程分析

以哈大客运专线沈阳站为工程背景,对该结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。通过SAP2000有限元软件研究结构的动力特性、变形状况、基底剪力时程曲线,分析了框架梁、柱的塑性损伤发展历程、拱桁架的塑性铰出铰机制以及关键框架梁、柱构件的塑性损坏状态。结果表明:结构在7度罕遇地震作用下基底剪力与多遇地震下比值最大为5.69;框架梁的损伤比框架柱严重,已进入"极限承载力"状态,仅有少量框架柱进入塑性变形阶段,结构满足"强柱弱梁"的设防要求;关键梁、柱构件损坏程度为79%和68%,仍有较大的富余度。结构薄弱区集中在顶层商业层区域,由于屋面和框架柱的连接效应,柱顶率先出现塑性铰,致使顶层位移角增大。     

光伏支架柱平面内有侧移失稳计算长度系数研究

光伏支架是一种典型的不等高单层框架,有侧移失稳的光伏支架柱计算长度系数需考虑多方面因素的影响,无法直接套用现有规范公式．综合考虑了光伏支架短柱和长柱的刚度比γ、短柱和长柱的高度比β以及梁柱线刚度比K1的影响,进行了理论推导,得出了不等高单层框架柱有侧移失稳计算长度系数的计算公式,并制作表格以便工程人员查阅使用．然后以某典型光伏支架实际工程为算例,建立了有限元数值分析模型,并分别进行了线性屈曲分析和考虑几何非线性以及材料非线性的极限承载力分析．分析结果表明,提出的理论公式和计算表格能够精确地计算光伏支架有侧移失稳的极限承载力．     

西南民居明销直榫节点抗弯性能研究

西南传统民居主要为榫卯连接的木结构,其主要采用直榫连接方式,为了研究西南民族木结构中的明销直榫节点力学性能,设计了两个足尺节点并进行单向加载试验,得到节点的弯矩-转角曲线以及失效形态。在试验基础上,建立榫卯节点的理论模型,推导出相关参数的理论公式,并运用有限元软件ABAQUS对影响节点抗弯能力的因数进行数值模拟分析。研究结果表明:明销直榫节点在单向加载的情况下,其弯矩-转角曲线大致为弹性受力阶段、塑性发展阶段,将双折线模型理论曲线与试验曲线和数值模拟曲线进行比较,三者吻合较好。明销直榫节点的屈服弯矩和极限弯矩随榫头高度、榫头宽度、摩擦系数增加逐渐增大。     

Stresses in turbine-blade tenons subjected to bending

The photoelastic method was used to model large steam turbine tenon-shroud attachments under bending loads. Six models were used to investigate three basic tenon geometries: (a) single round tenon—here two different fillet radius-to-tenon diameter ratios were examined; (b) long narrow tenon—for this geometry the influence of shroud-seating clearance and shroud stiffness was investigated; (c) two separated round tenons. Stress-concentration factors for the tenon fillets were determined based on the nominal bending stress in the tenon using the moment of inertia of the tenon cross section. For the single round tenon, stress-concentration factors of 1.3 and 1.6 were found for fillet radius-to-tenon diameter ratios of 0.41 and 0.19. These compared very well with those values obtained by treating the geometry as a stepped round bar with a shoulder fillet subjected to bending. The long-narrow-tenon geometry showed a higher stress-concentration factor than the two separated round tenons—6.1 compared to 2.9. Increasing the shroud stiffness reduced the stress-concentration factor for the long-narrow-tenon design.     

角钢约束混凝土中长柱轴压力学性能试验及承载力计算

为了研究角钢约束混凝土中长柱在轴压荷载作用下的力学性能,以长细比、缀板间距、混凝土强度等级为变化参数,完成了8个试件的静力加载试验。通过试验观察了试件的破坏形态,获取了其极限承载力、刚度、位移延性和耗能系数等力学性能指标;分析了各变化参数对力学性能指标的影响,利用统一强度理论、极限理论和叠加理论对试件的承载力进行计算。研究结果表明:长细比越小越容易发生柱端破坏,长细比加大后易发生柱中破坏;减小缀板间距,试件的极限承载力和变形能力均得到提高。随着混凝土强度等级的提高,试件的极限承载能力和初始弹性刚度得以提高,但位移延性和耗能能力有所降低。采用统一强度理论的计算值略大于试验值,采用极限分析理论和叠加理论的计算值均小于试验值。     

The Effect of Multiple Buckling Modes on the Postbuckling Behavior of Plane Elastic Frames. Part I. Symmetric Frames

The postbuckling behavior of a one-bay, two-storey frame with built-in edges and symmetric with respect to midspan is analyzed. Columns are assumed to be inextensible and shear-undeformable, and beams are rigid. Then two buckling modes are possible, that is, sidesway of the lower floor with rigid horizontal displacement of the top floor and sidesway of the top floor with the lower floor undergoing no displacement. Obviously, the two buckling modes occur simultaneously if the ratios EI/h⁷ (EI being the bending stiffness of a column and h its length) are properly selected. Within the framework of a Koiter-type energy approach a suitable perturbation formulation is derived from a “hybrid” functional which is obtained by adding to the potential energy certain extra terms which account for the nonlinear energy associated with the internal forces applied to the beam at the joints. Results show that the postbuckling behavior of a single buckling mode can be stable or unstable according to the value of the ratio h/l, where l is the frame span. In the case of simultaneous buckling modes the structural behavior in the postbuckling range never improves, but no severe changes are noticed in comparison with the preceding case.     

半刚接钢框架的动力分析

推导了半刚接钢框架动力有限元的质量矩阵和刚度矩阵．建立了具有不同节点初始刚度的半刚接多层钢框架及相应刚性框架的计算模型．采用ANSYS软件进行数值模拟分析，研究了节点刚度对结构自振频率的影响以及结构在谐振荷载作用下的响应，对地震波激励下的结构进行了时程分析．分析结果表明不半刚接框架节点的柔性对结构自振频率产生较大的影响，节点柔性越大，结构自振频率降低也越大，结构的抗震设计应考虑节点柔性的影响；半刚接钢框架顶点位移和柱底剪力时程曲线在地震波激励时间内表现出良好的稳定性，柔性连接可以代替刚性节点用于抗震区的钢框架设计中．     

双曲冷却塔塔筒水平地震响应分析

为明确冷却塔在水平地震下的内力环向分布特征及内在原因,同时探究不同地震波时程与规范反应谱所得内力差异的原因,以某大型双曲冷却塔为例,在动力特性分析的基础上,通过反应谱方法和时程方法的水平地震响应计算及对比分析,对上述两个问题进行了研究。研究表明:由于仅侧弯振型对水平地震有贡献,而塔筒的侧弯振型和实际响应均表现为整体侧倾并伴随微弱的截面“流动”变形,这也使塔筒各内力的环向分布分别呈现正弦、余弦分布特征;其整体侧倾可类比于悬臂杆结构,塔筒子午向轴力FY、子午向弯矩MY、剪力FXY和扭矩MXY的环向分布可借助悬臂杆侧倾时截面正应力和剪应力分布来解释;而截面“流动”变形则决定了环向轴力FX和环向弯矩MX的环向分布;整体侧移显著而截面变形极小也使FY和FXY的幅值在塔筒中下部明显大于FX;由于冷却塔第1阶侧弯振型在水平地震响应中往往起绝对主导作用,因此可先对所选地震波计算得到其反应谱,对比第1阶侧弯振型周期对应的水平地震影响系数α值,即可初步推断不同时程及规范反应谱方法所得结果的大小关系。     

材料力学性能显微测试系统

介绍了适用于毫、微米量级材料的力学性能测试系统,该系统包括微型加力装置、显微镜及数字图像处理系统。通过计算机控制,加力机构可以对微小试件按力或位移控制方式加载,载荷大小通过传感器直接由计算机数字化。试件的变形测量采用数字图像相关技术,通过序列图像分析方式,获得试件在不同外力作用下对应的变形,从而获得该材料的应力应变关系。在利用显微镜对微细观图像进行放大时,图像的畸变会影响相关计算的精度,本文采用了精度极高的正交栅板,对成像系统进行标定,有效地消除了高放大倍数下的图像畸变。图像相关技术对被测物体的表面处理非常敏感,本文也对这一问题进行了讨论,并给出两个不同的应用实例。第一个为材料性能试验,对厚度为0.1mm的铝材进行单向拉伸,给出了材料的应力应变关系;第二个为稳态裂纹扩展试验,对用人牙制作的紧凑拉伸试件进行测试,获得裂尖后的COD曲线。实验表明,该测试系统在微细观力学实验中具有广阔的应用前景。     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

中国古建筑木结构力学研究进展

中国古建筑木结构是我国乃至世界的宝贵文化遗产, 也是中华文明的重要组成部分. 随着时间的延续, 对这些价值连城、失而不可复得的历史文物的保护日益迫切. 本文从古木结构的木材力学性能、关键节点(斗栱、梁柱节点和柱脚节点) 受力机理、木构架整体受力性能研究、结构残损勘查、安全评估及修缮加固等方面, 总结了近30 年来结构学者对古代木结构建筑的研究进展, 以期为今后进行古木建筑的结构研究提供参考.      

全螺栓装配式钢框架外挂轻质墙板有限元分析

基于一体化轻质保温装饰墙板全螺栓装配式钢框架的抗震性能试验研究,本文采用商业有限元软件ABAQUS对结构进行了精细化非线性有限元分析。研究了结构的滞回性能、结构能力、应力分布以及失效模式等,提出了在柱脚和龙骨间设置加劲肋的改进设计方案,并对诸如顶底L型件水平板和竖向板螺栓数量、加劲肋形式、结构高跨比以及轴压比等关键设计参数进行了拓展分析。结果表明,采用本文有限元建模方法能够精准地模拟试验的滞回性能,极限承载力与试验最大差值为8.86%,模型失效模式及应力分布与试验现象高度吻合;柱脚和龙骨间加劲肋使柱脚内外翼缘协同变形,减小翼缘局部屈曲,避免龙骨连接处焊缝的应力集中,显著提升了结构承载力;通过优化顶底L型件的螺栓数量和加劲肋形式等设计参数,可进一步提升结构能力;实际工程中应合理控制结构高跨比和轴压比,以满足抗震设防要求。