鋼橋塔典型開孔板件的力學(xué)性能及其補(bǔ)強(qiáng)方法研究

本項(xiàng)目針對鋼橋塔中的兩類典型開孔板件（即人員檢修通行用的開長圓孔板和拉索錨固區(qū)的開連續(xù)橢圓孔板）的力學(xué)性能及其孔洞補(bǔ)強(qiáng)方法開展研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括以下方面： (1) 對127塊開孔板件（包括未補(bǔ)強(qiáng)板和補(bǔ)強(qiáng)板）進(jìn)行了面內(nèi)受壓試驗(yàn)。試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的加載裝置，以同時(shí)滿足板件四邊面外簡支約束條件和板件面內(nèi)單軸均勻壓縮加載條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：長圓孔最大應(yīng)力集中出現(xiàn)在圓弧與直線段相交處，連續(xù)橢圓孔最大應(yīng)力集中出現(xiàn)在橢圓短軸端點(diǎn)；彈塑性受壓極限強(qiáng)度均隨開孔率增大而顯著降低，且當(dāng)板件寬厚比較小時(shí)（即厚板）的降低幅度更為明顯；孔邊圍板、貼板、加勁補(bǔ)強(qiáng)方法都有助于降低孔邊應(yīng)力集中系數(shù)和提高彈塑性受壓極限強(qiáng)度，其對受壓強(qiáng)度的提高效果受板件寬厚比和開孔率的影響較大。 (2) 分別采用柯西積分方法和最小二乘邊界配點(diǎn)法對開長圓孔和開任意多個(gè)橢圓孔無限大平面的孔邊應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了解析推導(dǎo)，算例分析結(jié)果與有限元解吻合良好；進(jìn)一步對有限大板進(jìn)行數(shù)值分析，并引入板寬修正系數(shù)，擬合得到了兩類有限大開孔板的SCF計(jì)算公式。采用塑性鉸線法對兩類開孔板件的彈塑性極限強(qiáng)度進(jìn)行了解析推導(dǎo)，確定了開長圓孔板和開橢圓孔板的合理塑性鉸線位置，并針對長寬比較大的板件提出了等效長寬比概念及其取值公式。 (3) 采用ANSYS軟件建立開孔板試件的有限元模型并開展數(shù)值模擬，有限元結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。在此基礎(chǔ)上對兩類未補(bǔ)強(qiáng)開孔板開展了一系列的參數(shù)化分析，并引入極限強(qiáng)度提高系數(shù)來表征和量化補(bǔ)強(qiáng)效果。結(jié)果表明：當(dāng)板件長寬比大于2時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)和受壓極限強(qiáng)度受長寬比影響很小，但隨著開孔率增大而呈線性增大（應(yīng)力集中系數(shù)）或降低（受壓極限強(qiáng)度）；當(dāng)寬厚比小于40時(shí)，受壓極限強(qiáng)度不因?qū)捄癖炔煌淖?；各種補(bǔ)強(qiáng)方式下的極限強(qiáng)度提高系數(shù)與板件長寬比無關(guān)，而是主要受板件開孔率和補(bǔ)強(qiáng)肋厚度的影響。在補(bǔ)強(qiáng)肋高厚比固定的情況下，隨著補(bǔ)強(qiáng)肋厚度不斷增大，極限強(qiáng)度提高系數(shù)呈線性增長，隨后則不再變化。最終通過數(shù)值擬合，提出了補(bǔ)強(qiáng)開孔板極限強(qiáng)度提高系數(shù)的計(jì)算公式，可用于實(shí)際工程中的開孔板補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。 項(xiàng)目研究成果為制定、完善相關(guān)的規(guī)范條文提供了科學(xué)依據(jù)，并可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工，對于確保結(jié)構(gòu)安全、提高工程質(zhì)量具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。 2100433B

鋼板開孔將對其力學(xué)性能產(chǎn)生不可忽略的影響，必要時(shí)需要采取孔洞補(bǔ)強(qiáng)措施以滿足使用和安全要求。鋼橋塔板件開孔有其自身特點(diǎn)，目前對于鋼橋塔典型開孔板件的力學(xué)性能以及常用補(bǔ)強(qiáng)方法的補(bǔ)強(qiáng)效果尚不明確，國內(nèi)規(guī)范條文也無相應(yīng)規(guī)定。本項(xiàng)目以開長圓孔鋼板和開連續(xù)橢圓孔鋼板這兩類典型的鋼橋塔開孔板為對象，采用試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，圍繞應(yīng)力集中、彈性屈曲以及彈塑性屈曲等關(guān)鍵力學(xué)性能開展研究，得到開孔參數(shù)和補(bǔ)強(qiáng)參數(shù)對不同類型開孔板的定量影響規(guī)律，明確各種常用孔洞補(bǔ)強(qiáng)方法的補(bǔ)強(qiáng)效果及其最優(yōu)適用范圍；進(jìn)一步以解析推導(dǎo)為基礎(chǔ)，數(shù)值擬合為輔助，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證，導(dǎo)出兩類開孔板件在補(bǔ)強(qiáng)前后的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算公式。研究成果可為制定、完善相關(guān)的規(guī)范條文提供科學(xué)依據(jù)，并用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工，對于確保結(jié)構(gòu)安全、提高工程質(zhì)量具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值，有利于促進(jìn)我國鋼橋塔技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

開孔器的配件主要有：支持柄、彈簧、鉆頭等，支持柄屬于通用部件，不同孔徑的開孔器配有2種規(guī)格的支持柄，孔徑14～32mm之間的是一個(gè)規(guī)格，大于孔徑大于32mm的是一個(gè)規(guī)格 。

申請人課題組曾對暗基床上開孔沉箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，主要研究成果----“開孔消浪沉箱波浪力的計(jì)算方法與應(yīng)用” 獲2007年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，成果已納入《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范（JTS154-1-2011）》之中。鑒于開孔沉箱廣泛的工程應(yīng)用前景，而明基床是實(shí)際工程中更為常用的沉箱基礎(chǔ)型式，因此，開展明基床上開孔沉箱波浪力的研究，不僅是學(xué)科發(fā)展的深入，更具有重要的工程應(yīng)用意義。本項(xiàng)目是申請者前期研究工作的拓展延續(xù)，立意探討可滲明基床對開孔沉箱波況和波浪力的影響規(guī)律，研究范疇涵蓋波浪和開孔沉箱、波浪和可滲基床的相互作用，著力研究“可滲明基床 開孔沉箱”這一復(fù)雜復(fù)合結(jié)構(gòu)的消浪機(jī)理。本項(xiàng)目的執(zhí)行過程中，實(shí)現(xiàn)了理論分析、物模試驗(yàn)、數(shù)值模擬的方法整合，綜合考慮相對基床高度、消浪室相對寬度、相對水深、波陡和開孔率等諸多主要影響因素，給出了明基床上開孔沉箱波浪反射系數(shù)、波浪力和穩(wěn)定性研究的系統(tǒng)成果。研究內(nèi)容分作物模試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩部分，物模試驗(yàn)部分：為深入探討基床高度對波浪反射系數(shù)、開孔沉箱波浪力的影響規(guī)律，在全部完成《申請書》中擬定的0.10m、0.15m兩種基床高度物模試驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加并完成了0.20m基床高度的相應(yīng)試驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)而采用多元回歸和支持向量回歸機(jī)（SVR）兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，給出了明基床上開孔沉箱波浪反射系數(shù)、波浪力和穩(wěn)定性分析的計(jì)算關(guān)系式；數(shù)值模擬部分：尋兩種途徑建立波浪與開孔沉箱作用的數(shù)學(xué)模型，目前已完成暗基床規(guī)則波和不規(guī)則波作用下開孔沉箱反射率的數(shù)模計(jì)算和明基床規(guī)則波作用下開孔沉箱反射率、波浪力的數(shù)值模擬，且數(shù)模成果和物模成果吻合良好。 本課題的研究成果既豐富了開孔沉箱結(jié)構(gòu)的研究范疇，又具有較為突出的實(shí)際工程應(yīng)用意義。由于課題研究給出了明基床上開孔沉箱波浪反射系數(shù)、波浪力和穩(wěn)定性分析的系統(tǒng)成果，便于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，也為現(xiàn)行《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》的后續(xù)修訂，提供了可靠的技術(shù)儲(chǔ)備。 2100433B

開孔沉箱作為一種新的海工結(jié)構(gòu)型式，已在工程中得到大量應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)可顯著降低結(jié)構(gòu)物的波浪反射和波浪力，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下產(chǎn)生良好經(jīng)濟(jì)效益。申請人及主要合作者曾對暗基床上開孔沉箱進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要研究成果開孔沉箱結(jié)構(gòu)波浪力計(jì)算方法的研究及應(yīng)用獲2007年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。鑒于明基床是實(shí)際工程中更為常用（特別是對深水堤）的沉箱基礎(chǔ)型式，而目前明基床上開孔沉箱的研究成果尚鮮見報(bào)道，作為申請者前期研究的深入和拓展，籍助物模試驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究手段，探討明基床條件下各種因素對波態(tài)和波浪力的影響規(guī)律。包括：(1)建立計(jì)算波浪與明基床上開孔沉箱相互作用的耦合數(shù)值模式，提出具有較大應(yīng)用范圍的計(jì)算明基床上開孔沉箱波況和波浪力的數(shù)值方法。（2）以數(shù)模為基礎(chǔ),并結(jié)合物模試驗(yàn)，分析提出可供實(shí)際工程應(yīng)用的簡便計(jì)算公式；研究成果（物模試驗(yàn)和數(shù)模計(jì)算）將對開孔沉箱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論研究和工程應(yīng)用具有重要意義