圆钢管-横向板相贯连接节点轴向刚度研究

为了研究圆钢管-横向板相贯节点的轴向初始刚度,在分析传力方式和局部变形特点的基础上,建立了用于T形节点、十字形节点刚度计算的半圆拱模型、圆环模型,推导了节点刚度理论式.运用麦克劳林级数将理论式中的复杂函数简化为指数函数与幂函数的乘积,再考虑到板管厚度比的影响,利用多元回归分析技术,获得T、十字形节点的轴向初始刚度参数化计算式.研究结果表明:节点轴向初始刚度与弹性模量和主管直径成正比,与板管厚度比呈对数函数关系,与主管径厚比、宽径比(板宽与管直径比)呈相互影响的幂函数、指数函数关系;弯矩和剪力并不影响弹性受力状态下的节点轴向初始刚度,计算式所得初始刚度值与有限元结果的相对误差小于10%.     

PBL加劲型矩形钢管混凝土受拉节点热点应力集中系数计算方法

考虑了PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点支主管宽度比与厚度比和主管宽厚比,建立了热点应力集中系数有限元模型,计算了支主管节点热点应力集中系数;基于最小二乘法对计算结果进行拟合,给出不同几何参数下节点热点应力集中系数计算公式,对比了矩形钢管节点和PBL加劲型矩形钢管混凝土节点应力集中系数和荷载幅。计算结果表明:采用有限元模型计算的热点应力集中系数曲线与静力试验曲线基本一致,支主管交汇处各位置热点应力集中系数有限元计算结果与CIDECT规范公式计算结果平均比值分别为1.006、1.007、1.013、1.015和0.987,两者差值小于15%,因此,有限元模型可靠;PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点热点应力集中系数变化规律基本一致,随支主管宽度比呈抛物线变化,在0.6~0.8之间达到最大值,随主管宽厚比和支主管厚度比增大而增大,与CIDECT规范中矩形钢管节点计算结果一致;拟合得到的PBL加劲型矩形钢管混凝土节点热点应力集中系数公式计算结果与有限元计算结果的平均比值为1.011,均方差为0.222,变异系数为0.219,说明了拟合公式准确;采用应力集中系数计算公式,将PBL加劲型矩形钢管混凝土节点与矩形钢管节点进行对比,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点支管热点应力集中系数下降了68%以上,主管热点应力集中系数下降了61%以上,在2.0×106循环次数作用下,容许荷载幅提高到3倍以上。     

支主管夹角对X形圆钢管节点轴向传力的影响

为了研究支主管夹角对X形圆钢管相贯节点轴向受力性能的影响，进行相关试验来校验有限元模型，以有限元为手段分析了支主管夹角对X形节点在支管轴力作用下的传力特性和承载力的影响；根据有限元参数分析结果，对支主管夹角较小的节点的承载力提出了改进建议. 研究结果表明:节点试件的破坏模式为相贯线附近主管管壁局部屈曲；当支主管非正交但夹角大于60° 时，节点的传力特性与支主管正交节点的相近，符合Togo模型的假定，现行规范中的夹角正弦的倒数项能精准地反映夹角对节点承载力的影响；但当节点的支主管夹角小于45° 时，其传力特性与Togo模型的假定有较大的差异，夹角正弦的倒数也低估了支主管夹角对节点承载力的提高，对于夹角接近30° 的节点甚至低估了30%；因此建议当夹角小于45° 时，在规范已有的节点承载力计算式的基础上乘以修正系数.      

钢管混凝土KK型节点疲劳性能试验

为研究钢管混凝土KK(CFST-KK)型节点疲劳性能,开展了CFST-KK型节点模型疲劳试验,分析了CFST-KK型节点热点应力分布规律和疲劳性能演化过程;建立了CFST-KK型节点实体有限元模型,结合试验和有限元结果,分析了CFST-KK型节点与钢管混凝土K(CFST-K)型节点疲劳性能的差异性;研究了不同参数对KK型节点疲劳性能影响,探讨了适用于CFST-KK型节点疲劳寿命的评价方法。研究结果表明：采用二次外推方式计算的CFST-KK型节点,最大热点应力位于受拉支管相贯焊缝的主管侧冠点偏外鞍点15°处;计算CFST-KK型节点应力集中系数时,支管名义应力可仅考虑轴力和面内弯矩的影响而不考虑面外弯矩的影响,其应力集中系数为6.36,比CFST-K型节点大80.2%;CFST-KK型节点的疲劳裂纹萌生于最大热点应力处,在反复加载过程中裂纹沿焊趾根部向两侧与主管壁厚方向延伸,裂纹向外鞍点扩展的速度要略快于向内鞍点扩展的速度,停止反复加载后裂纹并未贯穿主管管壁;受支管面外弯矩与支管间空间效应的影响,CFST-KK型节点的抗疲劳性能与CFST-K型节点有明显差异;主管内填混凝土能提升CFST...     

基于热点应力法的矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳评估

为准确评估矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳性能, 引入热点应力法, 可通过平面杆系模型、空间杆系模型和三维实体模型计算节点焊趾处的热点应力幅, 并通过对52个节点疲劳试验数据回归分析, 拟合得到热点应力幅-循环次数曲线; 选取陕西黄延高速一座矩形钢管混凝土组合桁梁桥为典型案例进行节点疲劳评估, 并对原有节点设计方案的构造进行优化。研究结果表明: 相比于墩顶矩形钢管混凝土节点, 跨中矩形钢管节点热点应力幅更大, 为60.1 MPa, 发生在主管表面, 但是小于欧洲规范Eurcode中的容许疲劳强度71 MPa, 满足疲劳设计要求; 对跨中疲劳易损节点进行设计构造优化, 原设计矩形钢管节点变为矩形钢管混凝土节点后, 管内混凝土改变了节点局部刚度, 使相贯线焊趾处应力分布均匀, 支、主管表面热点应力幅平均降低25.1%, 对原设计节点进行焊缝后处理, 可有效消除焊接初始拉应力, 改善节点疲劳性能, 支、主管表面热点应力幅平均降低14.9%;采用空间杆系模型对优化后的跨中矩形钢管混凝土节点进行疲劳评估, 支、主管表面最大热点应力幅分别为58.9、54.1 MPa, 大于三维实体模型计算得到的支管和主管表面最大热点应力幅45.2、47.1 MPa, 空间杆系模型计算结果偏保守, 且无法像三维实体模型一样准确计算不同热点位置的疲劳效应, 也无法准确判断疲劳开裂起始位置。      

钢框架考虑节点域剪切变形及P-Δ效应的层间剪切模型

采用杆系模型形成结构的总刚矩阵,分析时考虑了梁、柱的弯曲、剪切、轴向变形以及节点域的剪切变形;经过静力缩聚将其化为质点串模型,然后结合层模型的一些特点,得出等效层间剪切刚度,最后利用层间剪切模型的简化二阶分析方法得到了考虑二阶效应及节点剪切变形的层间剪切模型总刚矩阵.     

混凝土对K型方钢管节点抗震性能的影响

为考察K型方钢管节点主管中填充混凝土对节点抗震性能的影响,对1个K型方钢管节点(空管节点)以及1个节点主管中填充混凝土的K型方钢管混凝土节点进行低周反复荷载试验,根据试验数据,对节点的破坏模式、滞回性能、承载力、延性、刚度和耗能能力进行对比分析。结果表明:K型方钢管节点主管中填充混凝土后,提高了节点的承载力、延性、刚度,但却降低了节点的耗能能力。     

环口板加固T型方钢管节点滞回性能的试验研究

为了评价加固后空心钢管结构中焊接管节点的抗震性能,实验研究了环口板加固T型方钢管节点的滞回性能.对2个环口板加固T型方钢管节点和2个对应的未加固节点试件进行了轴向反复荷载作用下的拟静力滞回性能试验.试验测试结果表明:采用环口板加固的T型节点,可以将破坏发生的部位由未加固节点的主支管焊趾处转移到加固节点的环口板与主管表面焊缝处;环口板加固后的节点滞回曲线更加饱满,具有更好的抗震性能;加固后T节点的延性系数比未加固节点的延性系数明显增加,两组加固后的T节点分别提高了:受压阶段34%、100%;受拉阶段33%、145%.      

钢框架考虑节点域剪切变形及P—△效应的层间剪切模型

采用杆系模型形成结构的总刚矩阵，分析时考虑了梁、柱的弯曲、剪切、轴向变形以及节点域的剪切变形；经过静力缩聚将其化为质点串模型，然后结合层模型的一些特点，得出等效层问剪切刚度，最后利用层问剪切模型的简化二阶分析方法得到了考虑二阶效应及节点剪切变形的层间剪切模型总刚矩阵。     

基于Hertz接触理论的法向接触刚度计算方法

轮轨之间的弹性接触变形是车辆-轨道耦合动力学中计算轮轨力的核心,以基于Hertz接触理论的非线性接触刚度来描述轮轨之间的压缩量与轮轨法向力之间的关系. 目前的轮轨Hertz接触刚度计算公式为经验公式,来源于20世纪70年代英国铁路技术研究所的研究工作,分锥形踏面和磨耗型踏面两种类型,局限于特定的轮径范围和钢轨廓形. 基于三维弹性体Hertz接触理论,推导了满足Hertz接触条件的弹性体法向接触刚度通用计算公式,并结合轮轨几何外形特点,给出了轮轨接触斑大小及接触刚度参数的直接确定方法和数表,并以LM车轮踏面和CN60钢轨踏面匹配为例,对比分析了典型工况下计算结果与经验公式的差异. 分析结果表明:基于本文计算公式制定的Hertz弹性接触数表弥补了现有数表中缺乏接触刚度的不足,可直接用于弹性体接触计算;对于轮轨接触,与本文公式计算结果相比,以往经验公式中磨耗型踏面的接触常数计算结果仅在车轮名义中心圆弧与轨顶中心圆弧接触时的误差较小,约为0.40%～0.44%;其他接触位置时,经验公式计算结果与本文公式计算结果相差较大,误差范围可达 ?25.97%～131.42%.      

Analysis and calculation of axial stiffness of tubular X-joints under compression on braces

This paper introduces the influence factors of axial stiffness of tubular X-joints. The analysis model of tubular joints using plate and shell finite element method is also made. Systematic single-parameter analysis of tubular X-joints is performed using Ansys program. The influences of those factors, including ratio of brace diameter to chord diameter (β), ratio of chord diameter to twice chord thickness (γ), ratio of brace wall thickness to that of chord (τ), brace-to-chord intersection angle (θ), and chord stress ratio, ratio of another brace diameter to chord diameter, in-plane and out-of-plane moment of braces, etc., on stiffness of tubular X-joints are analyzed.Two non-dimensional parameters-joint axial stiffness factor ηN and axial force capacity factor ωN are proposed,and the relationship curve of the two factors is determined. Computational formulas of tubular X-joint axial stiffness are obtained by multi-element regression technology. The formulas can be used in design and analysis of steel tubular structures.     

悬索桥主缆架设过程驰振性能时域分析

为了分析悬索桥主缆在架设过程中可能发生的驰振失稳,导出了直接基于体轴系的驰振气动力表达式,避免了现有驰振分析方法采用风轴系下的气动系数需要进行的坐标转换,得到了更为简洁的驰振判据表达式.建立了悬索桥主缆的简化有限元模型,分析了结构动力特性;通过CFD(计算流体动力学)分析,得到了施工过程中不同断面形状主缆的气动力系数曲线.最后,分别基于单自由度驰振模型和实桥三维驰振模型,采用时域法模拟了主缆的风致驰振现象.研究表明,单自由度驰振模型分析的驰振发振风速与理论结果较吻合,三维驰振模型能更真实地反映主缆的驰振性能.      

灌区无喉堰的水力特性研究

针对灌区无喉堰的量水问题，通过模型试验观测水流从自由出流到淹没出流的全过程，确定了淹没的临界条件，淹没的临界条件与堰渠宽度比和上下游水深的比值有关；从理论上推导出了自由出流和淹没出流两种情况的流量计算公式，在自由出流情况下，流量系数与堰上水头、堰高、堰渠宽度比有关，在淹没出流情况下，流量系数与堰上下游水深、堰高、堰渠宽度比有关；根据实测数据得到了自由出流和淹没出流情况下流量系数的经验公式，并进一步分析了计算误差。上述结论进一步拓展和完善了前人的研究工作，对于指导实际应用具有重大意义。     

基于桁梁实桥试验的钢管混凝土界面传力机制

为分析钢管混凝土桁梁桥的承载性能和钢-混凝土组合作用机理,进行了桁梁上、下弦钢管混凝土界面传力行为实桥试验和全桥板壳-实体有限元参数分析;以主跨71 m的简支半穿式钢桁梁桥为依托,沿其上、下弦杆节间长度范围内共布设102个应变测点,测试并分析了加载车作用下钢管轴向应变分布和钢-混凝土界面传力特征;采用ABAQUS软件建立了试验桥板壳-实体有限元模型,经实测挠度与应变数据验证模型的可靠性后,进行了界面连接状态、界面抗剪刚度、钢管厚度、管内混凝土强度等对钢管混凝土界面传力性能的参数影响分析。分析结果表明:钢管轴向应变分布规律可反映钢管混凝土界面传力的基本特征;钢管混凝土桁架上、下弦杆节点区域均出现界面剪力不均匀分布现象,钢-混凝土界面有效传力范围内钢管轴向应变呈负指数函数分布,其他区域钢管轴向应变保持不变;完全脱黏的钢管混凝土桁架弦杆的钢管轴向应变在节点一定范围内呈二次抛物线函数分布;钢管轴向应变因界面连接状态所表现出的不同应变分布规律和剪力传递长度可用于评价钢管混凝土组合作用强弱和界面工作状态;桁架弦杆的剪力传递长度随钢管厚度和管内混凝土强度的增加而增大,钢管厚度的影响更显著;在钢管混凝土桁架弦杆内设置抗剪连接件可缩短剪力传递长度。      

车身粘接结构断裂失效准则改进

为了解决现有失效准则无法满足粘接结构真实失效预测的问题, 利用试验测试与仿真分析相结合的方法建立一种基于应力的断裂失效准则; 设计了5组典型拉剪比的ISR-7008/铝合金粘接接头, 并对5组不同拉剪比的粘接接头进行准静态拉伸试验, 获得了初始断裂载荷与最大断裂载荷, 确定了胶层断裂失效点的起始位置; 建立了粘接接头的仿真模型并在仿真模型中施加初始断裂载荷, 提取出5组典型拉剪比的接头失效区域内初始断裂点的各种应力; 通过对失效点的各种应力进行比值和线性组合处理, 得出等效应力计算公式, 基于该等效应力计算公式建立适用于粘接结构的初始失效和后续失效统一的失效准则; 设计了验证试验方案, 通过对比试验结果和仿真结果, 分析了失效准则的有效性。分析结果表明: 在75°嵌接接头中, 仿真分析获得的失效载荷为1 717.6 N, 试验测试获得的失效载荷为1 936.4 N, 试验和仿真的相对误差为11.3%;仿真结果与试验测试的胶层失效过程基本吻合, 验证了本文建立的失效准则的有效性。建立的基于应力的失效准则实现了粘接结构初始失效准则和后续失效准则的统一, 可以较为准确地预测复杂应力状态下粘接接头的失效过程, 并且该失效准则解决了弹性粘接剂厚胶层的仿真问题, 为工程实际应用中的粘接结构强度设计提供了一定参考。      

基于频率计算系杆拱桥吊杆张拉力的实用公式

为了分析频率对吊杆张拉力的影响,根据吊杆的振动力学特性,考虑到吊杆在振动过程中处于动平衡状态,建立吊杆的运动偏微分方程,推导出考虑抗弯刚度、转动惯量、剪切变形、转动惯量和剪切变形耦合影响下频率与索力的计算公式.通过不同吊杆长度及各自不同阶频率进行对比及频率差拟合分析,分析认为通过高阶频率差求基频会造成基频值识别变大,从而导致索力识别值偏大,得出基于一阶频率的频率修正值,同时得出了索力计算实用公式.通过算例,分析对比了弦振动公式、考虑抗弯刚度公式和本文公式.计算表明:采用实用公式确定的索力与实际张拉力相比,误差可控制在5%以内.证明了实用公式的正确性和实用性.      

钢管砼拱桥主弦管煨弯非线性稳定分析

通过大型通用软件ANSYS对不同温度、不同管径及不同径厚比的钢管砼拱桥主弦管的煨弯加工过程进行了非线性稳定分析,找到了主弦管煨弯过程中发生局部鼓包现象的原因,得到主弦管煨弯失稳的判据,以此建立了以截面弯矩为加载控制指标的煨弯控制方法.     

基于频率法对系杆拱桥吊杆索力测试的分析

根据系杆拱桥吊杆的振动特性,建立了考虑吊杆弯曲刚度影响的振动微分方程,基于弦振动理论,得出了频率法测试吊杆索力的实用计算公式.研究了单侧安装阻尼器对吊杆振动模态的影响,进而提出了消除阻尼器对索力测试精度影响的计算方法.将此方法应用于某钢管混凝土拱桥的施工监控中,对比分析了各阶段吊杆索力的测试结果与千斤顶标定测量值,结果表明:上述分析方法能够满足实际工程的需要,可广泛应用于频率法测估各种系杆拱结构的吊杆索力.