曲線形鋼管混凝土桁架結構的工作機理研究結題摘要

本項目研究工作按計劃完成。 基于項目工作的開展，進行了典型曲線形鋼管混凝土桁架結構力學性能的試驗研究，建立了曲線形鋼管混凝土桁架結構受力全過程分析的數(shù)值模型，模型得到試驗結果的驗證。采用有限元模型，細致得剖析了曲線形鋼管混凝土桁架結構的工作機理和力學實質，如桁架結構的破壞模態(tài)、腹桿的剪切變形、弦桿的受力性能以及結構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構力學性能主要參數(shù)的影響規(guī)律。研究了鋼管混凝土桁架結構的構造措施，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構受力性能的影響規(guī)律。在此基礎上提出了曲線形鋼管混凝土桁架結構的剛度和承載力簡化計算方法，并給出了構造措施設計方法。本項目還對鋼管混凝土桁架結構的一些其他關鍵問題開展了深入研究，具體內容包括：1）進行了鋼管混凝土抗拉構件的試驗研究和數(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算方法；2）開展了鋼管混凝土K形節(jié)點的節(jié)點區(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研究，分析了其典型破壞形態(tài)和重要參數(shù)的影響；3）進行了帶初始缺陷的鋼管混凝土構件在壓、彎荷載下的試驗研究和數(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，結合項目實際需求，還開展了斜向、錐形鋼管混凝土構件的力學性能試驗，研究了該類構件的承載力實用驗算方法。 本項目的部分研究結果已為國家行業(yè)標準《拱形鋼結構技術規(guī)程 JGJ/T 249-2011》采納，可為有關工程應用和設計規(guī)程的制訂提供依據(jù)。結合項目研究工作，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（其中特邀報告2篇）。獲批國家專利兩項（其中發(fā)明專利1項，實用新型專利1項）。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目的研究工作。 2100433B

建立曲線形鋼管混凝土桁架結構受力全過程分析的計算模型，并通過典型曲線形鋼管混凝土桁架試件的試驗進行驗證。采用有限元模型，細致剖析曲線形鋼管混凝土桁架結構的工作機理和力學實質，如桁架結構的破壞模態(tài)、腹桿的剪切變形、弦桿的受力性能以及結構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構的矢跨比、曲線形結構的軸線形式、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構的剛度折減、承載力簡化計算模型進行分析。研究曲線形鋼管混凝土桁架結構的構造措施，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構受力性能的影響規(guī)律。通過對理論計算結果進行分析和歸納，提出曲線形鋼管混凝土桁架結構的剛度和承載力簡化計算方法，并給出合理的構造措施設計建議，以期為有關工程應用和設計規(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性能，主要研究四個內容：（1）波形鋼腹板組合曲線箱梁的扭轉剪應力及約束扭轉翹曲應力；（2）波形鋼腹板組合曲線箱梁受扭時的截面畸變應力；（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，以及模型試驗的方法，考慮波形鋼腹板的結構特點，對這些內容進行研究。課題將通過6個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，驗證并校核理論計算方法的精確度。課題預期將得到適宜于波形鋼腹板曲線箱梁橋工程設計的約束扭轉和截面畸變應力計算公式，得到波形鋼腹板的受剪屈曲臨界剪應力計算公式，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構新型式。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應力效率等優(yōu)點。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雙力矩和扭轉應力的計算公式，并在按彈性分析所求得的截面畸變翹曲函數(shù)基礎上，結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力的計算公式；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性能分析的計算程序；針對應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，導得曲線箱梁橋中波形鋼腹板的剪切屈曲強度公式；課題研究了橫隔板對曲線箱梁變形及應力的影響，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，按截面翹曲正應力與彎曲正應力的比值小于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梁的試驗、通過有限元方法的大量計算、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效應、畸變效應及變形的影響。本課題的研究，為該結構型式在混凝土曲線梁橋上的推廣應用打下基礎，可為波形腹板曲線梁的設計與施工，提供了理論支持。 2100433B

異形柱框架結構能夠有效解決普通方矩形柱框架結構室內柱角外露的不足，改善室內環(huán)境觀瞻，提高室內空間使用效率。普遍應用的異形鋼筋混凝土柱由于柱肢較薄，對節(jié)點抗剪承載力不利，限制了其在高設防烈度地區(qū)的應用，相同設防烈度下房屋最大高度也遠遠小于普通框架結構。異形鋼管混凝土柱框架節(jié)點憑借鋼和混凝土的組合效應能夠有效改善節(jié)點抗震性能，目前研究尚處于起步階段。本項目將進行T形鋼管混凝土柱框架節(jié)點的抗震性能試驗，研究節(jié)點的受力機理、破壞模式和力學性能指標，考察軸壓比、腹板肢長、鋼管含鋼率、混凝土強度等級等參數(shù)對節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律，評價節(jié)點抗震性能的優(yōu)勢和不足。在試驗研究基礎上，進行節(jié)點有限元建模計算，并進行相關參數(shù)影響分析，提出節(jié)點抗剪承載力簡化計算公式和節(jié)點低周往復加載恢復力模型，并給出工程應用設計方法。