曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理研究

本項(xiàng)目研究工作按計(jì)劃完成。 基于項(xiàng)目工作的開展，進(jìn)行了典型曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，建立了曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)受力全過程分析的數(shù)值模型，模型得到試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。采用有限元模型，細(xì)致得剖析了曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理和力學(xué)實(shí)質(zhì)，如桁架結(jié)構(gòu)的破壞模態(tài)、腹桿的剪切變形、弦桿的受力性能以及結(jié)構(gòu)的極限承載能力和變形特性等。分析了影響曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能主要參數(shù)的影響規(guī)律。研究了鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施，如弦桿和腹桿的鋼管徑厚比、腹桿布置方式以及腹桿交角等的確定原則及其對整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上提出了曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的剛度和承載力簡化計(jì)算方法，并給出了構(gòu)造措施設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目還對鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的一些其他關(guān)鍵問題開展了深入研究，具體內(nèi)容包括：1）進(jìn)行了鋼管混凝土抗拉構(gòu)件的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，提出了鋼管混凝土在軸拉荷載作用下的承載力和剛度計(jì)算方法；2）開展了鋼管混凝土K形節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)區(qū)局部受壓，以及鋼管混凝土軸心、偏心局部受壓性能的試驗(yàn)研究，分析了其典型破壞形態(tài)和重要參數(shù)的影響；3）進(jìn)行了帶初始缺陷的鋼管混凝土構(gòu)件在壓、彎荷載下的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，研究了初始缺陷對其破壞模態(tài)、承載能力和抗彎剛度的影響。此外，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，還開展了斜向、錐形鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了該類構(gòu)件的承載力實(shí)用驗(yàn)算方法。 本項(xiàng)目的部分研究結(jié)果已為國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ/T 249-2011》采納，可為有關(guān)工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)規(guī)程的制訂提供依據(jù)。結(jié)合項(xiàng)目研究工作，已發(fā)期刊論文8篇(其中SCI收錄7篇，EI收錄1篇)，重要國際會議論文4篇（其中特邀報(bào)告2篇）。獲批國家專利兩項(xiàng)（其中發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)用新型專利1項(xiàng)）。有2名博士后、3名博士研究生和1名碩士研究生參加了本項(xiàng)目的研究工作。 2100433B

建立曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)受力全過程分析的計(jì)算模型，并通過典型曲線形鋼管混凝土桁架試件的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。采用有限元模型，細(xì)致剖析曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理和力學(xué)實(shí)質(zhì)，如桁架結(jié)構(gòu)的破壞模態(tài)、腹桿的剪切變形、弦桿的受力性能以及結(jié)構(gòu)的極限承載能力和變形特性等。分析曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的矢跨比、曲線形結(jié)構(gòu)的軸線形式、豎向荷載分布形式和腹桿類型等重要參數(shù)的影響規(guī)律。對曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的剛度折減、承載力簡化計(jì)算模型進(jìn)行分析。研究曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施，如弦桿和腹桿的鋼管徑厚比、腹桿布置方式以及腹桿交角等的確定原則及其對整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響規(guī)律。通過對理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和歸納，提出曲線形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的剛度和承載力簡化計(jì)算方法，并給出合理的構(gòu)造措施設(shè)計(jì)建議，以期為有關(guān)工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)規(guī)程的制訂提供參考。

課題針對波形鋼腹板組合曲線箱梁橋的扭轉(zhuǎn)性能，主要研究四個(gè)內(nèi)容：（1）波形鋼腹板組合曲線箱梁的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力及約束扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力；（2）波形鋼腹板組合曲線箱梁受扭時(shí)的截面畸變應(yīng)力；（3）波形鋼腹板組合曲線箱梁橋的波形鋼腹板的受剪屈曲；（4）波形鋼腹板組合曲線箱梁橋的橫隔板形式及設(shè)置原則。課題擬采用板殼屈曲理論、薄壁曲梁理論、有限元分析，以及模型試驗(yàn)的方法，考慮波形鋼腹板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對這些內(nèi)容進(jìn)行研究。課題將通過6個(gè)波形鋼腹板曲線箱梁、普通平鋼腹板曲線箱梁以及波形鋼腹板直箱梁的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證并校核理論計(jì)算方法的精確度。課題預(yù)期將得到適宜于波形鋼腹板曲線箱梁橋工程設(shè)計(jì)的約束扭轉(zhuǎn)和截面畸變應(yīng)力計(jì)算公式，得到波形鋼腹板的受剪屈曲臨界剪應(yīng)力計(jì)算公式，提出波形鋼腹板曲線箱梁的橫隔板布置原則。課題將對波形鋼腹板鋼-混組合曲線箱梁橋這一新橋型的安全使用及推廣具有重要價(jià)值。

波形鋼腹板箱梁橋是針對一般混凝土箱梁橋自重太大、混凝土腹板容易開裂等現(xiàn)象而探索出來的一種橋梁結(jié)構(gòu)新型式。該型式橋梁可以降低箱梁自重約30%，此外還具有可以提高橋梁預(yù)應(yīng)力效率等優(yōu)點(diǎn)。本課題主要是針對波形鋼腹板曲線形式箱梁的彎、剪、扭特性開展研究。課題基于烏曼斯基縱向翹曲位移理論，結(jié)合波形鋼腹板的特性，考慮曲線箱梁彎扭耦合作用，提出了組合曲線箱梁扭轉(zhuǎn)雙力矩和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的計(jì)算公式，并在按彈性分析所求得的截面畸變翹曲函數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合波形鋼腹板橫向抗彎特性，考慮曲率對截面畸變角的影響，提出了波形鋼腹板組合曲線箱梁畸變雙力矩和畸變應(yīng)力的計(jì)算公式；課題基于能量法原理建立了考慮波形鋼腹板剪切變形的曲線箱梁的撓曲微分方程，并采用Matlab軟件給出了適用于任意跨的波形鋼腹板曲線箱梁扭轉(zhuǎn)性能分析的計(jì)算程序；針對應(yīng)用于曲線箱梁橋的波形腹板，課題將其等效為四邊支撐折板及正交異性柱形扁殼，根據(jù)薄殼屈曲理論、折板理論，導(dǎo)得曲線箱梁橋中波形鋼腹板的剪切屈曲強(qiáng)度公式；課題研究了橫隔板對曲線箱梁變形及應(yīng)力的影響，分析了曲線箱梁的高跨比、曲率半徑、高厚比及寬厚比對橫隔板間距的影響，按截面翹曲正應(yīng)力與彎曲正應(yīng)力的比值小于10%的原則，擬合出波形鋼腹板曲線箱梁橫隔板間距的估算公式；課題還通過3片曲線組合箱形試驗(yàn)梁的試驗(yàn)、通過有限元方法的大量計(jì)算、通過與理論研究成果的對比，研究了不同腹板類型曲線箱梁扭轉(zhuǎn)與畸變性能，分析了曲率半徑、波形鋼腹板的幾何尺寸、箱室尺寸、跨徑等參數(shù)對波形鋼腹板曲線箱梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、畸變效應(yīng)及變形的影響。本課題的研究，為該結(jié)構(gòu)型式在混凝土曲線梁橋上的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)，可為波形腹板曲線梁的設(shè)計(jì)與施工，提供了理論支持。 2100433B

異形柱框架結(jié)構(gòu)能夠有效解決普通方矩形柱框架結(jié)構(gòu)室內(nèi)柱角外露的不足，改善室內(nèi)環(huán)境觀瞻，提高室內(nèi)空間使用效率。普遍應(yīng)用的異形鋼筋混凝土柱由于柱肢較薄，對節(jié)點(diǎn)抗剪承載力不利，限制了其在高設(shè)防烈度地區(qū)的應(yīng)用，相同設(shè)防烈度下房屋最大高度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通框架結(jié)構(gòu)。異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)憑借鋼和混凝土的組合效應(yīng)能夠有效改善節(jié)點(diǎn)抗震性能，目前研究尚處于起步階段。本項(xiàng)目將進(jìn)行T形鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)，研究節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理、破壞模式和力學(xué)性能指標(biāo)，考察軸壓比、腹板肢長、鋼管含鋼率、混凝土強(qiáng)度等級等參數(shù)對節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響規(guī)律，評價(jià)節(jié)點(diǎn)抗震性能的優(yōu)勢和不足。在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元建模計(jì)算，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)影響分析，提出節(jié)點(diǎn)抗剪承載力簡化計(jì)算公式和節(jié)點(diǎn)低周往復(fù)加載恢復(fù)力模型，并給出工程應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。