火灾下防火涂料破损后约束柱的稳定承载力

为考察地震破坏防火涂料后钢柱的抗火性能,根据势能驻值原理推导了约束钢柱两端防火涂料破损后稳定承载力计算方法.分别讨论了防火涂料的破损长度、钢柱的升温以及端部转动约束刚度对稳定承载力的影响.结果表明:破损长度对约束柱稳定承载力影响较大;温度较低时,温度对稳定承载力影响不大,而端部约束刚度对稳定承载力影响较大,温度超过500℃以后,温度对稳定承载力有较大影响,而转动约束刚度对稳定承载力影响变小.     

轴向约束梁柱在火灾引起温度沿截面不均匀分布条件下的大变形分析

火灾升温引起钢材强度和刚度降低,对温度沿截面分布不均匀的构件还将产生热弯曲,火灾下结构分析同时涉及几何非线性和材料非线性,无法求得解析解,只能通过数值方法求解.本文基于轴线可伸长梁理论,用勒让德多项式作为基函数逼近梁柱轴向和横向变形,根据平衡方程误差平方和最小的条件确定多项式系数的方法,分析了轴向约束钢柱在火灾引起的沿截面线性分布温度场下的受力和变形性能.考虑了温度梯度、轴向约束刚度比、荷载比、构件长度等参数的影响和升温条件下钢材的弹塑性性能的影响,该方法结果与解析结果和有限元分析结果吻合.研究表明,随着荷载比的增大构件的临界温度迅速降低,轴向约束刚度、温度梯度和构件长度仅影响构件的变形,对构件的临界温度影响较小.     

受火浅圆钢拱平面内跳跃失稳与弯曲行为分析

通过ABAQUS有限元数值模拟分析,考察了受火作用浅拱结构平面内的跳跃稳定和弯曲行为。针对温度与集中载荷共同作用的圆钢拱,进行了详细的参数研究,包括载荷比、端部约束刚度、结构几何等对结构行为的影响,讨论了材料塑性效应和热膨胀效应;并根据火灾下截面弯矩与轴力共同作用的广义屈服函数和跳跃失稳的定义判定浅拱的失效模式,对比了不同加载方式对结构临界温度的影响。研究结果表明:在静力载荷和火灾作用下,浅圆钢拱存在两种失效模式,即弯曲失效和跳跃失稳;载荷比由0.2增大到0.9时,结构的临界温度逐渐减小;当载荷比接近1时,微小的载荷增大,临界温度会发生急剧变化,即载荷比越大,钢拱的临界温度越低,抗火能力越弱;对于不同的约束情况,固支拱的抗火能力最强,铰支拱的抗火能力最弱;临界温度随结构几何参数单调变化;另外,静载荷与温度的加载顺序也会对结构的失效行为产生影响。     

受火作用铝合金梁的临界温度及其参数分析

基于ANSYS数值模拟结果,首次对铝合金梁在火荷载作用下的响应行为进行模拟。系统比较了简支、铰支、固支、一端固支另一端简支等几种典型边界约束条件下铝合金梁的抗火特性,着重讨论了各自的临界温度并与已有规范进行了对比,在此基础上考察了端部约束条件、载荷比、载荷类型等因素对铝合金梁弯曲屈曲失效行为的影响。结果表明:设计规范公式计算出的临界温度偏于保守,比有限元结果低2.5%~16.7%,而有限元更能反映真实情况;对于不同的约束情形,铰支梁的抗火能力最强,其次是固支梁,简支梁的抗火能力最差;载荷比越大,铝合金梁的临界温度越低,抗火能力越弱,载荷比由0.3增加到0.7时,简支梁和一端固支另一端简支梁的临界温度减小约43℃,固支和铰支梁的临界温度分别减小37℃和30℃;载荷类型对铝合金梁的影响较小。本文研究为铝合金结构抗火设计提供了理论依据。     

轴心受压H型截面钢柱火灾行为的试验研究

本文对4根H型截面钢柱进行了火灾行为的试验研究。全部火灾试验采用自行研制的火灾试验炉,试验结果表明炉子性能稳定,使用方便。试验采用足尺试验形式,柱长3300mm。钢柱轴心受压,其中两个限制轴向变形,另两个不限制轴向变形。柱两端采用单向刀口支座,允许钢柱绕强轴转动。钢柱试验中考虑荷载大小和是否限制轴向变形两个因素。通过试验,得出了钢柱在火灾下的侧向变形和轴向变形随温度变化情况。试验证明:钢柱受火时,轴向变形明显的分为膨胀阶段和压缩阶段。压缩阶段很短,一旦进入压缩阶段,钢柱很快破坏。钢柱受到的外加荷载越大,其极限温度越低。限制轴向变形的钢柱极限温度降低。试验研究为今后钢结构火灾行为研究提供了依据。     

基于新型广义位移的箱形梁扭转单元及应用

为了改进变截面连续箱梁桥的扭转分析理论,将截面总扭转角分解为自由翘曲扭转角和约束剪切扭转角,选取自由翘曲转角扭率作为广义位移,提出一个2节点8自由度的扭转梁段单元。从约束扭转控制微分方程出发,推导单元刚度矩阵及等效节点荷载列阵。引入应力增大系数,以反映约束扭转对初等梁应力的增大效应。数值算例验证了本文梁段单元的可靠性。最后对一个三跨变截面连续箱梁桥进行分析,结果表明,双力矩影响线与弯矩影响线较为类似,按双力矩影响线进行最不利荷载加载时最大应力值偏小;应力增大系数在集中荷载作用截面出现极值,均发生在腹板与顶板交点处;利用偏载放大系数来考虑扭转附加效应时,不宜考虑弯曲正应力较小及翘曲正应力出现极值的梁段区域。     

钢结构框架中组合梁等效刚度的确定方法

刚接或半刚性连接的组合梁在荷载作用下,在梁的长度范围内既有正弯矩作用段,又有负弯矩作用段,由于组合梁截面在正弯矩作用和负弯矩作用下截面抗弯刚度不一致,因而在弯矩为零的点处梁的截面抗弯刚度发生突变,而组合梁框架分析的关键是确定组合梁刚度突变分界点的位置及确定在整体分析中所采用的等效梁的刚度。本文根据应变能相等的原理对钢结构框架中组合梁的等效抗弯刚度进行了研究,推导了其等效刚度的表达式,并给出不同荷载作用形式下刚接框架组合梁等效刚度简化计算公式,为组合梁钢框架的整体分析提供了便利。最后分析了水平荷载以及梁柱连接特性对组合梁等效刚度的影响,分析结果表明,采用本文提出的组合梁等效刚度进行半刚性连接框架整体分析偏于安全。     

受火作用单对称截面钢梁的侧向弯扭屈曲分析

通过非线性有限元通用程序 ANSYS 进行数值分析,首次对单轴对称钢梁在火载荷作用下发生的侧向弯扭屈曲行为进行系统的参数研究,主要考察载荷比、跨度、端部约束条件、温度梯度等因素对钢梁弯扭屈曲失效行为的影响.结果发现:钢梁发生侧向弯扭屈曲的临界温度随温度梯度的增加而提高,但随着载荷比的增大而降低;悬链作用对侧向弯扭屈曲的影响可以忽略;固支梁的抗火性能要优于简支梁;对于两种梁的跨度情形(3m和6m),跨度较大时具有突变特性的侧向弯曲屈曲难以发生,但这种跨度变化并未改变侧向弯扭屈曲这一重要失效形式.     

半刚性钢框架的内力分析

采用二阶非线性分析方法分析和设计半刚性钢框架，包括连接的柔性以及构件的几何非线性的影响，提出了半刚性钢框架中梁柱单元刚度矩阵和半刚性梁的单元刚度矩阵；推导了半刚性梁在集中荷载，均布荷载，线性荷载作用下的固端弯矩的求解公式；连接的柔性对无支撑框架的侧移有很大的影响，设计时通过变化连接的刚度以平衡梁的跨中和端弯矩。     

功能梯度变截面梁自由振动和稳定性研究

基于忽略了梁截面剪切变形和转动惯量效应的Euler-Bernoulli梁理论,研究了轴向力作用下轴向功能梯度变截面梁的横向自由振动问题,将轴向功能梯度Euler-Bernoulli梁自由振动固有频率和临界荷载的计算转化为变系数常微分方程特征值问题。运用插值矩阵法可一次性计算出轴向功能梯度变截面梁各阶振动固有频率和临界荷载,分析了轴向荷载对轴向功能梯度Euler-Bernoulli梁自由振动固有频率的影响,即轴向压力使梁的第1阶固有频率降低,轴向拉力使梁的第1阶固有频率增大。在简支-简支梁(H-H)边界条件下、不同截面宽锥度系数c_b和截面高锥度系数c_h,且区间划分点数n为40时,本文计算结果与已有文献计算结果之间的最大相对误差不超过0.00768%;在简支-简支梁(H-H)、固端-自由梁(C-F)、固端-固端梁(C-C)这三种不同边界条件下,不同c_b和c_h,且n为40时,最大相对误差不超过0.101%,说明了本文方法的有效性和良好的计算精度。     

轻型变截面门式刚架梁-柱端板连接转动模型研究

以门式刚架端板竖放连接节点滞回试验为基础,对节点域的弯矩-转角转动关系进行研究,其中节点域定义为节点、1.0倍柱大端截面、1.5倍梁大端截面长度区域,节点域包含结构破坏位置,可反映出整个门式刚架的受力情况。首先,基于强化双线性模型,通过理论分析得到节点域的初始刚度K_0和极限弯矩M_u的计算公式;其次,根据节点试验结果,确定了分段系数β=0.87,衰减系数α=0.63;最终,建立了门式刚架端板竖放连接的节点域M-θ模型。同时,根据试验结果,拟合出弹塑性阶段卸载刚度Ku的计算公式,并给出滞回规则,建立节点域的弯矩-转角滞回模型。本文的研究可为门式刚架抗震性能简化分析奠定理论基础。     

简支梁绝对最大弯矩的一种新解法

 用最不利荷载位置来求解简支梁绝对最大弯矩，省略了梁中央 截面最不利荷载的计算，并用影响线进行校核.     

考虑桩头约束的水平受荷单桩响应分析

基于m法的基本假定推导了考虑桩头转动约束程度、桩身自由长度和埋深比的水平受荷单桩响应解析解,获得了更具一般性的通解形式;基于该计算公式讨论了桩头转动刚度km、量纲为一的固定因子C、桩头约束度λ三种桩头约束定量表征参数间的关系;分析了桩身埋入深度和自由长度对桩头约束表征参数和单桩响应的影响。研究表明:桩头约束度λ(即有约束单桩桩头所受弯矩与桩头嵌固条件下桩头弯矩之比)不受桩和桩周土参数的影响。通过λ取0(表示桩头自由)和1(表示桩头嵌固)之间的数值有效表征桩头约束效果;采用桩身抗弯刚度和水平地基比例系数对桩头转动刚度进行量纲归一化获得系数β,在桩身埋入深度和自由长度给定的条件下,β和λ具有一一对应关系,β成为λ与单桩和桩周土体参数间相关联的关键参数。进一步的研究表明:在β相同的条件下,刚性桩的λ值大于弹性长桩,自由长度越大桩头约束度越大;桩头位移和土面下桩身最大弯矩随λ的增大呈线性变化;对于刚性桩和自由长度大于2倍桩土刚度系数的弹性长桩,自由长度变化对桩头位移比(有约束单桩的桩头位移与桩头自由单桩的比)随λ变化规律的影响不大;桩身土面下最大弯矩点深度随λ的增加而增加,随自由长度的增加而减小;在λ小于0.5时,刚性桩和弹性长桩的最大弯矩点深度基本一致,且此规律不受自由长度的影响。     

长期持荷工况下钢管混凝土构件的抗撞击性能

为研究长期荷载作用对钢管混凝土构件抗撞击性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了长期荷载与侧向撞击荷载作用的耦合分析模型以及撞击后剩余受压承载力计算模型。对比了一次加载模式下和长期荷载作用下构件遭受撞击的动力响应,采用剩余受压承载力系数量化分析了两种加载模式下构件的剩余受压承载力。典型的有限元模型分析表明:相较于一次加载模式,考虑长期荷载作用时撞击力峰值和平台值下降,撞击时间延长,构件跨中挠度增大,但撞击力对构件做功基本保持不变;考虑长期荷载作用的撞击过程轴向荷载做功比一次加载模式增大,增加的功主要通过外钢管的塑性变形耗散,核心混凝土贡献较小;长期荷载作用下构件的剩余受压承载力系数均低于一次加载模式,撞击条件相同时,一次加载模式下撞击后可以继续承载的构件在考虑长期荷载作用时可能会丧失承载能力;提高含钢率和钢材屈服强度、降低长期荷载比可有效减小长期荷载对构件抗撞击性能的不利影响。     

新型PEC柱-钢梁T形焊接加强型中节点抗震性能试验研究

为了进一步研究新型PEC柱-钢梁T形件焊接加强型中节点的抗震性能,考虑柱轴压力、PEC柱布置方式和钢板组合截面类型等设计参数,设计制作了4个中节点1∶1.6缩尺模型试件,并对其进行水平低周往复荷载试验,观测记录了各试件试验中钢材屈服或屈曲与混凝土裂缝与压溃现象,得到试件的荷载-位移滞回曲线和破坏模式。根据试验结果分析了试件的承载能力、节点连接转动刚度退化、耗能能力和节点传力机理等抗震性能。结果表明:PEC柱组合截面翼缘采取卷边措施增强了核心区混凝土的约束作用;PEC柱轴压力提高了节点的初始转动刚度,而受力变形过程中的二阶效应降低了其抗弯承载力并加快了梁截面进入屈服的损伤进程;所有试件均表现出良好的自复位功效;所有试件破坏模式均为加强T形件端部焊缝附近梁截面形成塑性铰,更好地满足"强节点弱构件"的设计要求。上述结果有助于对PEC柱-钢梁节点抗震性能的认识,可为PEC柱-钢梁组合结构设计规范制订以及工程应用提供参考。     

双材料单伸臂叠合梁的界面滑移与自振特性分析

将叠合梁划分为接触区和分离区,接触区界面间的摩擦作用会对叠合梁的滑移、刚度和自振频率产生影响.本文给出了单伸臂叠合梁在均布荷载和集中力作用下,考虑叠合界面摩擦作用的滑移应变和滑移分布的表达式;推导了考虑叠合界面间摩擦力及摩擦力产生的抵抗弯矩共同作用下的截面刚度.假设梁按等波长和等刚度两种形式自由振动,运用传递矩阵法推导...     

考虑地基水平摩阻的Winkler地基上板模型解析

在Winkler地基模型基础上,采用板与地基之间的水平摩阻应力正比于板与地基接触点间水平位移假设,推演了包含板弯曲和轴向拉压效应的非线性地基板微分方程;应用摄动法分析竖向集中力作用下,板与地基水平摩阻应力对板内力（弯曲力、轴向力和剪应力）、位移（挠度、水平位移）的影响规律,实证了板与地基水平摩阻应力对板剪应力的非线性影响可以忽略不计,从而得到了轴对称条件下计入地基水平摩阻的Winkler地基上薄板的线性微分方程．随后通过汉克尔变换得到了轴对称无限大板的解析解,以及包含四项复宗量贝塞尔函数的轴对称圆形板的解析解,给出了板内力、位移的计算式;最后,通过算例分析了板与地基间水平摩阻状况对板挠度、截面弯矩的影响规律．结果表明：地基板挠度与弯矩随着板与地基间水平摩阻的增大而减少;当地基板水平摩阻参数大于0.01时,地基水平摩阻力对板挠度和弯矩影响有可能超过2%,应予考虑;无限大板作用圆形均布荷载时,水平摩阻的存在最大可使板最大挠度（即荷载圆中心点处挠度）下降约50%,板最大截面弯矩（即荷载圆中心点处弯矩）下降约70%.     

受损钢结构力学分析模型研究

通过对8组不同受损程度的Q235钢材进行力学性能实验研究,分析了不同损伤程度对钢材二次加载和卸载时加载弹性模量和卸载弹性模量的影响,提出了受损钢材的力学模型。基于受损截面的应力-应变关系,通过定义受损受弯构件截面的无损高度比K,推导了不同受损程度下构件截面的平均弹性模量和损伤指标的计算公式。用转动弹簧来模拟受损截面的力学性能,根据受损微段的应力-应变关系,推导了受损截面的弯矩-转角关系和截面转动刚度计算公式,提出了可用于受损钢结构力学分析的计算模型。算例分析表明,截面受损降低了结构的刚度,在实际工程应用时不容忽视。     

简支及悬臂箱梁在角隅轴向荷载作用下的翼板纵向应力

基于能量变分原理,拟定轴向荷载作用下箱梁的纵向位移函数,得到关于翼板剪切变形引起的位移差函数的基本微分方程,继而推导出箱梁翼板纵向应力表达式,并首次得出角隅轴向荷载作用下翼板出现应力不均匀分布的荷载及边界条件。通过对一模型箱梁进行计算,并与通用有限元软件ANSYS壳单元计算结果进行比较,验证了该方法和所推导公式的正确性。研究结果表明,当作用于简支箱梁截面角隅处的轴向荷载（合力无偏心）为集中或分布荷载时,翼板不产生纵向应力不均匀现象;当作用于悬臂箱梁截面角隅处的轴向荷载（合力无偏心）为集中荷载时,翼板不产生纵向应力不均匀现象,而当荷载轴向分布时,翼板将产生纵向应力不均匀现象。实际工程中,横力弯曲使悬臂箱梁产生剪力滞效应,这种效应会与轴向分布荷载产生的效应叠加,设计时对此应予以充分考虑。     

简支及悬臂箱梁在角隅轴向荷载作用下的翼板纵向应力

基于能量变分原理,拟定轴向荷载作用下箱梁的纵向位移函数,得到关于翼板剪切变形引起的位移差函数的基本微分方程,继而推导出箱梁翼板纵向应力表达式,并首次得出角隅轴向荷载作用下翼板出现应力不均匀分布的荷载及边界条件。通过对一模型箱梁进行计算,并与通用有限元软件ANSYS壳单元计算结果进行比较,验证了该方法和所推导公式的正确性。研究结果表明,当作用于简支箱梁截面角隅处的轴向荷载(合力无偏心)为集中或分布荷载时,翼板不产生纵向应力不均匀现象;当作用于悬臂箱梁截面角隅处的轴向荷载(合力无偏心)为集中荷载时,翼板不产生纵向应力不均匀现象,而当荷载轴向分布时,翼板将产生纵向应力不均匀现象。实际工程中,横力弯曲使悬臂箱梁产生剪力滞效应,这种效应会与轴向分布荷载产生的效应叠加,设计时对此应予以充分考虑。