基于位移的钢框架结构可靠度研究

石化结构经常因其设备管线复杂的布置而造成结构的刚度分布不均匀,设计经常会过于保守。为了对基于位移的钢框架结构可靠度进行研究,利用有限元软件对炼化平台钢框架结构进行建模、计算、分析,在PDS(概率设计系统)模块中运用Monte Carlo法对结构位移的可靠度进行分析,获取炼化平台钢框架结构的最大位移与随机输入变量之间关系的计算结果。该结果表明该炼化平台钢框架结构的设计比较保守,造成了钢材的浪费。为了实现结构设计的经济性,应根据计算得到的灵敏度图,在满足结构可靠性的基础上,将图中非敏感性因子的截面尺寸进行优化再设计,得出安全经济的设计方案,为以后石油化工行业钢框架结构的设计提供参考。     

碳纤维增强聚合物 重组竹复合材的弯曲力学性能

重组竹已广泛应用于室内高档装饰、园林景观、室外防腐地板等领域,但重组竹的弹性模量比较小,为钢材的1/7~1/5,应用于建筑领域时难以充分发挥其自身高强度的特性。针对重组竹刚度较小的问题,提出一种重组竹板和碳纤维增强聚合物(CFRP)厚板嵌合粘接的新型重组竹复合材料,采用三点弯曲试验和有限元仿真方法,对CFRP 重组竹复合试件的失效模式、荷载 位移关系、应变曲线、胶层界面剥离影响等进行了研究。结果表明:重组竹试件失效模式是跨中位置处拉伸区域竹纤维断裂,且出现若干水平分层破坏,CFRP 重组竹复合试件的失效模式是CFRP与重组竹层间胶层出现大面积剥离;CFRP 重组竹复合试件的变形过程分为线弹性阶段和界面破坏阶段;CFRP可以明显提高重组竹梁的弹性模量和静曲强度,复合试件弹性模量是重组竹试件的2.33~2.94倍,静曲强度是重组竹试件的1.49~1.58倍;胶层界面剥离是CFRP 重组竹复合试件失效的重要因素,胶层界面剥离对复合试件的应变分布和挠度都有较大影响,完全剥离后试件的挠度是未剥离时的3.09倍。     

内聚力模型在钢-竹组合梁变形分析中的应用

钢-竹组合结构的界面是由竹胶板和冷弯薄壁型钢通过结构胶粘接形成的,为解决有限元分析中界面处理的问题,采用内聚力单元,以此为基础建立钢-竹组合双搭接试件及工字形梁的有限元模型对其进行数值分析,同时制作3个不同搭接长度作为参数的双搭接试件和5根不同规格的组合梁进行静力加载试验,绘制荷载-位移曲线与模拟结果进行对比。研究结果表明:组合梁界面破坏主要发生在翼缘部分,其变形曲线主要由两部分组成且均呈线性分布,界面损伤后梁的刚度下降明显;两种试件的试验结果与有限元结果均吻合良好,误差均在10%以内;组合梁界面胶层的破坏过程与试验观察到的结果相同;内聚力模型模拟钢-竹界面具有一定的可靠性。     

长期荷载作用对钢-竹组合箱形柱力学性能的影响

为研究长期荷载作用对钢-竹组合箱形柱力学性能的影响规律,以长期荷载水平、截面尺寸、有无螺钉为参数设计制作了9根钢-竹组合箱形短柱试件,其中6根为长期试件,施加长期荷载后实施二次轴心受压破坏试验,其余3根作为对比用的短期试件,直接进行一次轴心受压破坏试验。对比分析长期试件和短期试件的破坏过程、破坏形态、破坏特征,探讨长期荷载作用后的钢-竹组合箱形短柱的荷载-应变关系、极限承载力、构件延性等力学性能的变化规律。结果表明:长期荷载水平对试件极限承载力和延性系数有一定的影响,但对屈服承载力的影响不明显;增大截面尺寸,试件屈服荷载提高,极限承载力和延性系数降低;螺钉可以提高试件延性系数而对承载力影响不明显;长期荷载作用后试件极限承载力和延性均有一定的衰减,但极限承载力仍高于1.5倍的屈服承载力、延性系数大于2.0,说明长期荷载作用后,钢-竹组合箱形柱仍具有良好的强度贮备和延性性能,能够作为长期受力构件用于实际工程结构。     

蒙特卡洛有限元法结构可靠性分析

针对结构体系可靠性分析的困难和复杂,运用蒙特卡洛有限元法,提出一种分析空间框架结构体系的可靠性方法。首先采用蒙特卡洛方法对所取的荷载和材料参数进行模拟,产生其各自的随机数;然后利用有限元方法,并考虑荷载和材料的随机性,计算得到结构的响应,对其进行统计分析;最后再采用W检验及最大熵法对其进行概率密度拟合,利用失效准则建立结构的功能函数,求得体系的可靠度。通过实例分析,该方法可很好地用于求解空间框架结构体系的可靠性,方法简便,容易实现,可对将建结构进行可靠性分析,也可用于评估在役房屋结构的可靠性,为工程结构的维修提供参考。     

对桥台土侧压力计算的几点看法

桥台是连结路基和桥梁结构的构造物,主要功能有两个:一是将桥梁结构的荷载传向地基;二是对路基土起挡墙的作用。因此,设计和计算桥台,首先要对土体进行分析,计算土压力。土压力的大小及分布规律主要与土的性质及结构位移的方向、大小有关,亦和结构物的刚度、高度及形状有关。     

胶合木-钢夹板螺栓连接滞回性能试验

【目的】为探明胶合木-钢夹板螺栓连接的动力性能和抗震性能,确保连接件在车辆、机械振动等动力荷载下的可靠性。【方法】针对胶合木-钢夹板螺栓连接的构造特点,考虑胶合木厚度和螺栓直径之比(厚径比)、螺栓顺纹间距、螺栓并列和错列布置方式等参数的影响,设计制作了4类13组共39个胶合木-钢夹板螺栓连接件,在低周反复荷载作用下进行滞回性能试验。【结果】试验结果表明:在单螺栓连接中,连接部位的破坏模式逐渐由"螺栓刚直"向"双铰"转化,胶合木销槽破坏模式逐渐由销槽整体承压破坏向两端部挤压破坏转变,试件滞回曲线基本都呈现饱满的弓形和棱形,具有良好的耗能能力和抗震性能,但其承载能力较低。在多螺栓连接中,螺栓和胶合木的破坏模式分别以"双铰"破坏和销槽端部挤压破坏为主,试件滞回曲线均呈现饱满棱形,该类试件在承载能力、抗震性能和耗能能力上均有大幅提升;随着螺栓顺纹间距的增大,试件的承载能力不断增大,但螺栓顺纹间距在200 mm时,极限荷载增幅趋于平缓,初始刚度增涨大幅放缓,且整体刚度退化与螺栓顺纹间距为250 mm时基本相同;螺栓并列布置滞回曲线饱满程度好于错列布置;螺栓双排布置承载能力比单排布置的承载能力更高,刚度退化更小。【结论】胶合木-钢夹板螺栓连接具有较好的耗能能力、抗震性能及延性性能;螺栓顺纹间距在200 mm时,抗震性能最佳;螺栓错列布置的抗震性能比并列要好,螺栓双排布置的抗震性能更优越。     

日本柳杉木构件内嵌钢填板销连接横纹承载性能

【目的】研究日本柳杉木构件内嵌钢填板销连接在横纹荷载作用下的破坏机制和承载性能,为木结构梁、柱构件金属件连接时梁端销连接设计提供依据。【方法】在梁端部开槽钻孔后将单个钢销连接到内嵌钢填板,分别对日本柳杉锯材梁和胶合木梁进行横纹荷载作用下的弯曲剪切加载试验,按照日本通行数据分析方法确定销连接短期承载力标准值,并与5个不同国家标准规定的屈服荷载计算值进行比较。【结果】加载初期,荷载-位移曲线呈线性关系,构件处于线弹性阶段,随着位移增加曲线呈非线性,构件进入弹塑性阶段,当位移增加到一定数值,梁端出现初始脆性开裂,荷载瞬间急速减小,随后荷载又随位移增加再次上升,加载至极限状态时,梁构件产生劈裂破坏丧失承载力;最终的破坏形态为梁构件沿销孔水平剪切面开裂、销连接屈服模式Ⅲ型;通过足尺试验得到断面尺寸120 mm×240 mm锯材梁和胶合木梁的钢填板单个销连接短期承载力标准值取决于屈服荷载,分别为8.6和13.7 k N,初始开裂对应的荷载平均值分别为15.0和21.1 k N,屈服荷载平均值分别为14.50和15.00 k N,最大荷载平均值分别为27.0和30.8 k N。【结论】胶合木梁钢填板销连接的最大荷载和屈服荷载平均值均大于锯材梁,且变异系数明显小于锯材梁,含水率低而变异小,从而导致试验获得胶合木梁销连接的短期承载力标准值明显高于锯材梁,当销连接作为中小断面梁柱构件的主要连接方式时,宜选用强度等级确定、质量合格的胶合木作为木构件,比锯材具有更高的连接承载力。梁端销连接节点承载力与单个销连接承载力和销数量具有良好的相关性,可作为梁柱节点梁端销连接设计依据。销连接部位发生销屈服后木材开裂,初始开裂取决于木材抗剪强度、横纹抗拉强度和销所在的梁高部位以及销孔到梁端的距离,发生初始开裂后钢销仍能起到支撑作用,连接节点延性较好;锯材梁和胶合木梁短期承载力标准值与标准中规定的屈服荷载公式计算值吻合度较好。各国标准中关于脆性破坏计算公式均能较好预测销连接木材的脆性破坏,与试验值比较,日本标准对于劈裂破坏的计算值最为接近,欧洲和加拿大标准的计算结果更趋于保守,我国现行标准在销连接设计中尚未考虑木材的脆性破坏,今后应进一步研究完善销连接计算公式和参数,更好地保证木构件连接安全可靠度。     

斜螺钉2种角度不同组合形式对钢板-正交胶合木剪切性能的影响

【目的】制作一种采用自攻螺钉连接的钢板-正交胶合木节点，探究螺钉不同钉入角度不同组合形式对节点力学性能的影响，并依据现有的理论计算模型与试验值比较对计算模型进行优化，为新型连接件的开发和应用提供理论模型和参考。【方法】参考美国标准（ASTM D1761-12）以1 mm·min^-1的速度匀速加载，对夹角为45°和90°2种自攻螺钉钉入角度进行6种不同组合形式的抗剪试验，记录分析受剪切节点的破坏形态并对比各组试件的荷载-位移曲线、承载力、刚度和能量耗散。【结果】试件主要破坏模式包括2颗钉同时被剪断、钉未被剪断但产生塑性铰和钉未被剪断但同时被拔出。6组试件均出现一侧钉被剪断的破坏模式，组J-Cross45°T和S-Double45°T出现钉未被剪断而被拔出、组S-45°T-45°C出现钉未被剪断而产生塑性铰的破坏模式。组J-Cross45°T、J-Double45°T、S-Double45°T的承载力和刚度均远高于组S-45°T-45°C、S-90°-45°C、S-90°-45°T,组S-90°-45°C的能量耗散和承载力对应位移最大。【结论】对于承载力、刚度、能量耗...     

胶合木T梁负弯曲性能试验研究

【目的】探讨胶合木T梁的负弯曲性能,观察极限状态下构件的破坏形式,解析极限状态下构件的破坏机理,推导极限承载能力计算模型,以期为工程实际应用提供理论参考依据。【方法】采用跨中荷载试验与理论计算对比方式进行研究,实测分析了两组试件的应变、挠度、抗弯刚度、极限承载力及延性结果,观察分析了胶合木梁的破坏形态与破坏机理,基于Rammer剪切强度公式将弯剪强度理论值和试验值进行了对比。用兴安落叶松作为原材料,以剪跨比、跨高比为参数,设计制作2组即A组3根(高跨比1/12,剪跨比5.2)、B组3根(高跨比1/14,剪跨比6.1),共计6根平行胶合木T梁试件。将T梁反转成倒T梁,在两端简支条件下跨中加载产生正弯矩,使肋板受压、翼板受拉,模拟连续T梁跨中支承截面的受力性能。【结果】1)两组构件整体工作性能良好,受弯时极限破坏形态均为中部顺纹剪切破坏。2)两组构件相比,B组较于A组试件,屈服荷载降低9.7%,跨中屈服位移提高27.5%,极限抗弯承载力降低10.4%,跨中极限位移提高42.7%,抗弯刚度降低36%,延性系数提高22.4%。3)两组构件的荷载应变曲线在达到屈服点之前呈比例关系,满足平截面假定。4)受剪力滞效应影响,两组构件的跨中截面翼缘板正应力横向分布不均匀,呈现随距离肋板中心位置越远而越小的关系,最大差值比率达30%。5)构建了弯剪承载力计算模型,理论值与试验值最大相差3.1%,匹配度较高。【结论】总结了胶合木连续T梁在跨中支承截面的受力变形规律,揭示了其破坏机理,构建了极限弯剪承载力计算模型,经验证,具有一定的可靠性。     

空心胶合木梁柱式结构抗侧力性能研究

为研究空心胶合木梁柱式结构体系抗侧力性能,对纯框架及框架-人字撑两种单跨结构试件进行了单调及低周反复加载试验,考察了结构破坏模式、耗能能力、刚度等抗震性能。结果表明:纯框架与框架-人字撑结构均具有一定抗侧力性能,但纯框架结构承载能力较弱,不建议单独用于工程实践;框架-人字撑结构具较大抗侧刚度及承载力,分别为纯框架的6.3倍及2.68倍,但其延性仅为纯框架的67%。两种结构失效前强度退化小于30%,具足够剩余承载力。     

正交胶合木抗压承载力试验研究

为获得正交胶合木（CLT）截面的综合抗压性能，对由云杉-松-冷杉（SPF）制成的CLT试件进行抗压试验，并基于复合层板理论计算CLT的抗压强度、泊松比及弹性模量等，旨在为CLT力学性能测试提供参考。制作了9个尺寸相同的CLT试件进行轴心受压试验，分析其极限承载力、纵向应变、横向应变、泊松比等的变化规律；依据《木结构设计标准》预测试件的理论承载力并辅以有限元验证。结果表明：荷载-轴向位移试验曲线呈典型的二折线特征，轴压力下试件分别经历了弹性和弹塑性阶段直至试件破坏；经换算得到的SPF等效弹性模量为10 011.57 MPa，抗压强度为35.16 MPa，泊松比为0.39，理论计算值与试验值较为吻合；弹性段有限元模拟结果与试验值吻合良好。     

水青冈木-自攻螺钉复合榫连接节点单剪性能

对比研究自攻螺钉、水青冈木榫和水青冈木-自攻螺钉复合榫3种连接节点的单剪承载性能,采用特征值分析法对单剪力-位移进行分析,获得最大荷载、极限荷载、屈服荷载、初始刚度、延性系数、能耗和最终位移等七个参数。结果表明:1)除了初始刚度,采用自攻螺钉的连接节点承载性能优于水青冈木榫连接节点;2)复合榫连接节点的承载力呈现两个极大值峰,第一个极大值高于水青冈木榫连接节点最大值2 kN,第二个极大值高于自攻螺钉连接节点最大值0.7 kN;3)复合榫连接节点的最终位移介于水青冈木榫连接节点和自攻螺钉连接节点之间,耗能能力和自攻螺钉连接节点相当,其他参数均优于自攻螺钉连接节点和水青冈木榫连接节点。综合参数分析,水青冈木-自攻螺钉复合榫能够有效结合自攻螺钉和水青冈木榫的优良特性     

重组竹横纹局部受压承载力试验研究

为了解不同工况下重组竹横纹局部受压的力学性能,对5组不同工况下的重组竹试件进行了横纹局压试验,采用0.5 mm/min的速度加载至试件破坏,得到试件的破坏特征、极限承载力和每组试件的荷载-位移曲线。试验结果表明,重组竹横纹局压极限承载力比较稳定,其变异系数均小于0.1;不同工况对试件的极限承载力和破坏形态有明显影响,承压区周围的围压面越多,其承载力越大。结合已有的木材横纹局压承载力计算方法和试验结果,考虑到重组竹本身硬度较大的特性,将重组竹顺纹和横纹方向的应力扩散长度均取为20 mm,得到了重组竹横纹局压的承载力计算公式,其计算结果均小于每组试件极限承载力的平均值,表明本研究得到的计算公式具有较高可行性。     

竹框架装配式梁柱节点单调加载试验

竹结构房屋是一种典型的装配式建筑,节点是整个结构中最重要的组成部分,也是最薄弱的部位,节点的破坏会导致整个结构的倒塌,为此设计了一种由竹质构件和钢结构部分组成的装配式框架节点,为了解新型装配式节点的力学性能,制作两组共4个足尺模型试件,进行单调加载试验,分别调查节点梁翼缘钢板及柱套钢板厚度对节点力学性能的影响,得到了每个节点的荷载-位移曲线和弯矩-转角曲线,4个节点的极限转角为0.095,0.097,0.080和0.079 rad,4个试件的极限承载力分别为12.10,16.60,11.70和14.63 k N,并在试验的基础上,给出了节点的弯矩-转角曲线方程,4个试件的第一刚度分别为283,396,241和622 k N·m/rad。结果表明,增加节点梁翼缘钢板厚度既可以提高承载力,又可以增加节点的转动能力;增加柱套钢板的厚度可以提高节点的承载力和初始转动刚度。     

日式剪力墙覆面板钉连接性能试验研究

剪力墙是日式梁柱式木结构最主要的抗侧力构件,其抗侧力取决于覆面板钉连接的性能。按照日式剪力墙构造制作剪力墙覆面板钉连接试件,分别进行单调和往复加载试验,分析钉连接的破坏模式、荷载-位移曲线及承载力,并对相关曲线进行拟合分析。研究表明,加载方式对钉连接测试结果有明显影响;落叶松胶合板和辐射松/杨木复合胶合板的覆面板钉连接性能均较好,二者承载力相近。     

旧面板对轻型木结构钉节点力学性能的影响

旨在通过新、旧定向刨花板(OSB)面板钉节点的对比研究,探究面板自然劣化对钉节点连接性能的影响,为今后的木结构设计和用材作参考。选取云杉-松木-冷杉规格材(SPF)、不同厚度的新旧OSB和国产麻花钉,将麻花钉垂直钉入OSB和SPF之间,依据荷载垂直于木材纹理和平行于木材纹理两种方向,共制作72个钉节点连接试件。试验参考ASTM D1761-12,对试件进行单调加载,研究不同厚度自然劣化后的旧OSB面板在横纹和顺纹连接情况下对轻型木结构钉节点力学性能的影响。结果表明:新旧OSB连接对比,除延性系数外,旧OSB面板与SPF连接的钉节点试件的荷载、刚度、耗能能力等都呈下降趋势;厚度不同的OSB连接对比,12. 0mm厚度的OSB面板连接的钉节点的荷载、刚度、延性系数、耗能能力都大于9.5 mm的OSB面板连接的试件,且12.0 mm旧板连接的力学性能下降幅度小于9.5 mm;在荷载、初始刚度、延性方面,旧板横纹连接小于顺纹连接的下降幅度;在耗能上,旧板横纹连接与顺纹连接区别不明显。试验中多发生钉子一铰弯曲和OSB、SPF破坏的试验现象,符合欧洲木结构设计规范中的破坏模式,因此可用欧洲规范计算本研究中钉连接节点最大荷载。     

冷弯薄壁型钢-稻草板组合墙体抗剪性能研究

为研究冷弯薄壁型钢-纸面稻草板组合墙体力学性能,对4面冷弯薄壁型钢-纸面稻草板组合墙体试件进行了单调水平抗剪性能试验。分析了各试件破坏形态和破坏过程,得到组合墙体的屈服荷载、极限荷载及延性系数、抗侧移刚度等性能指标。研究结果表明:冷弯薄壁型钢与纸面稻草板通过自攻螺钉连接组合方式合理,组合效应良好;组合墙体经历弹性、弹塑性、破坏三个阶段,其主要破坏模式为边立柱底部局压屈曲,部分纸面稻草板在螺钉孔处被撕裂;组合墙体具有较大的抗剪承载力,延性系数和抗侧移刚度等指标表现良好;施加上部竖向荷载使组合墙体抗剪承载力降低,带有斜撑的组合墙体能够显著提高抗剪承载力。该组合墙体抗剪承载力和抗侧移刚度对于实际工程具有参考意义。     

云杉胶合木钢板斜螺钉连接的剪切性能研究

为准确评价斜螺钉连接钢 木节点的剪切性能,探明其受力机理,以云杉胶合木、钢板和自攻螺钉作为研究材料,测试不同荷载方向与受力情况下斜螺钉连接节点的承载性能,将试验数据与国外规范中的计算模型进行对比,提高了侧边钢板 胶合木(钢 木)斜螺钉连接节点承载性能的预测能力。结果表明:自攻螺钉与剪切面之间的角度变化对其在钢 木节点承受剪 压复合应力的承载力影响不明显,当偏转为剪 拉复合应力时,节点承载力明显增大,并在30°~45°获得最大值;剪 压复合应力时,现行EC5公式计算剪 压节点的极限承载力非常不安全;EC5的刚度预测结果在剪 压复合应力区和垂直剪切面钉入时,与试验值吻合度很高,但对剪 拉区节点的滑移模量没有预测性;将Tomasi模型应用于斜螺钉连接钢 木节点滑移模量理论计算时,在45°~90°时与试验值吻合度极高。单颗自攻螺钉的抗拔刚度计算节点滑移模量的方法极为有效,具有较高的借鉴意义。     

空心胶合木柱轴心受压性能研究

【目的】节能环保理念越来越受关注,木材作为绿色环保的可再生建筑材料可应用在工程中,目前国内木建筑中应用的木柱主要局限于原木圆柱,为了提高木材利用率,同时降低成本,改善受力性能,满足工程需要,提出一种新型的空心胶合木柱,并进行试验研究分析。【方法】使用相同尺寸拱形锯材作为骨架,利用环氧树脂胶粘剂进行胶合,制作3根空心胶合木柱试件进行轴心加载受压试验,研究空心胶合木柱的轴压力学性能,在试验过程中通过仪器记录应变、应力和位移等数据,主要分析木柱的竖向与横向应变、竖向与侧向位移、稳定承载力等特性,并利用ABAQUS有限元软件进行建模对比分析,探讨木柱最终破坏特征。【结果】空心胶合木柱破坏形态主要是整体压屈破坏,达到极限荷载80%左右时,承载能力快速下降,侧向位移随荷载增加而迅速增大,加载过程中存在多个增长台阶;与同截面积原木圆柱比较,理论承载力提高了4.3%,计算得承载能力稳定系数为0.9,材料缺陷对轴心承载力有影响;通过有限元建模分析,材料在弹性阶段理论值与试验值吻合程度较好。【结论】空心胶合木柱应用在实际工程中是可行的,能够满足工程使用需求,充分利用小型锯材,提高了木材利用率,降低了成本,相较于原木圆柱受力性能更好。