建筑科学与工程学报

钢板-钢筋焊接接头受拉性能试验及破坏模式

朱伟庆,窦通宇,孙敬航,韦李欣,齐佳轩,杨成 — 2025年05月30 00:00

为探究钢板-钢筋焊接接头受拉性能及破坏模式,制作10组钢板-钢筋焊接接头试件并对其进行单向拉伸试验。分析了钢筋直径、钢板厚度、钢板宽度和搭接长度对试件承载力和破坏模式的影响以及应力沿钢筋纵向和钢板纵横向的分布规律,并利用ABAQUS软件对试验结果进行有限元模拟。结果表明:钢板宽度为50 mm时,钢板厚度由10 mm增加至12 mm,破坏模式会由钢板撕裂转变为钢筋断裂,且钢板宽度和钢板厚度对破坏模式影响较大; 搭接长度小于等于30 mm时,焊缝会同钢板发生撕裂; 焊接接头承载力随钢筋直径、钢板厚度、钢板宽度和搭接长度的增加而增大,其中钢板厚度对接头承载力影响最大; 钢筋相同测点处应变总体变化趋势为随钢筋直径增大而逐渐减小,其余参数则与之相反; 钢板相同测点处应变总体变化趋势为随钢板宽度增大而逐渐增大,其余参数则与之相反; 沿测试端至固定端方向,钢筋和焊缝上拉应力逐渐减小,钢板上拉应力逐渐增大; 沿钢板横向方向,钢板上应力由其轴心线向两侧边缘逐渐减小; 有限元模拟结果同试验破坏模式和荷载位移曲线吻合良好,有限元模拟方法可靠。

钢-UHPC组合梁负弯矩区抗裂性能试验研究

2025年05月30 00:00

为解决钢-混凝土组合连续梁负弯矩区桥面板的开裂问题,提出了采用超高性能混凝土(UHPC)代替负弯矩区桥面板的部分普通混凝土(NC),利用UHPC超高的力学性能解决负弯矩区桥面板的开裂问题,对其抗裂性能进行研究; 设计并完成了3片钢-UHPC组合梁负弯矩区抗裂试验,获得开裂荷载、跨中位移、裂缝宽度和应变等试验数据。结合国内外裂缝宽度计算公式,提出了简易的适用于钢-UHPC组合梁的桥面板裂缝宽度计算公式,并根据已有钢-UHPC组合梁文献的裂缝宽度试验数据,验证了提出的桥面板裂缝宽度计算公式的可靠性和适用性。结果表明:UHPC能提高组合梁负弯矩区的开裂荷载,具有抑制桥面板裂缝发展的能力,能明显提高桥面板负弯矩区的抗裂性能,有效解决负弯矩区桥面板的开裂问题; 根据试验结果计算的名义应力均大于工程实际设计值,负弯矩区采用UHPC代替NC的结构具有优异的抗裂性能; 建议组合梁负弯矩区UHPC纵向铺设长度宜为0.2L～0.25L(L为计算跨径),铺设厚度宜为60～70 mm。

鼓蜂窝四撑杆型弦支穹顶结构静力性能分析

2025年05月30 00:00

提出了一种鼓蜂窝四撑杆型弦支穹顶结构形式,为探究该结构的相关力学特性,基于ANSYS软件建立了有限元模型,并对鼓蜂窝四撑杆型弦支穹顶结构进行了有限元模拟,探讨了结构在满跨、半跨均布活荷载作用下弹性阶段的受力情况; 通过参数分析研究了预应力、矢跨比、高跨比、下弦布置方案和上弦布置方案等结构参数对结构力学性能的影响规律。结果表明:在多倍荷载作用下,上弦杆件内力由受拉变为受压,避免了传统索穹顶在荷载作用下因脊索松弛失效而退出工作导致的承载能力下降,且在6倍满跨活荷载作用下的最大竖向节点位移仅为0.102 m,结构刚度较好; 预应力水平显著影响结构刚度及其内力分布,提高矢跨比将大幅降低结构刚度,高跨比则反之,下弦布置方案1、2较具经济性,Ⅲ型结构的经济性较好; 鼓蜂窝四撑杆型弦支穹顶结构具有较好的静力性能。

钢筋桁架混凝土梁弯剪性能数值模拟研究

2025年05月30 00:00

通过在普通混凝土梁钢筋笼中加焊斜腹筋可以制成钢筋桁架来承担施工荷载,从而免设支架支撑。为研究钢筋桁架免支模施工是否会影响梁的后期受力性能,建立了钢筋桁架混凝土梁与普通钢筋混凝土梁的精细有限元模型,分析对比其性能差异。结果表明:对于一般的简支梁,为免支模所增加的斜钢筋用量约为原梁钢筋总量的12%,施工阶段钢筋桁架可只承担其自重施工荷载,相应的受力钢筋最大强度应力比不大于0.2; 钢筋桁架不改变梁受拉钢筋面积,建成后梁正截面受弯承载力提高,延性更好; 斜截面受剪与设置弯起钢筋效果相同,可按照规范公式计算。

装备碰撞调谐质量阻尼器的近海单桩风机疲劳损伤分析

2025年05月30 00:00

为研究碰撞调谐质量阻尼器(PTMD)在风浪联合作用下对海上单桩风机疲劳损伤的控制效果,以美国国家可再生能源实验室(NREL)的5 MW基准单桩海上风机为研究对象,利用拉格朗日方程建立风浪联合作用下单桩风机-PTMD系统的运动方程。考虑Kaimal湍流谱模型和Jonswap波高谱,分别得到随机风速时程和波浪荷载时程,基于Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论及雨流计数法,分析了单桩风机-PTMD系统的疲劳损伤。结果表明:最优碰撞参数以及调谐频率下的PTMD能够显著减轻风浪联合荷载作用下风机的疲劳损伤,PTMD质量块无需过大行程即可满足风机实际使用要求; 即使在失谐情况下,PTMD仍具有较好的减轻风机疲劳损伤的作用; 提出的PTMD技术具有很好的应用前景,可在海上风电场中广泛应用,提升海上单桩风机塔身的安全性和疲劳特性。

钢框架-分段摇摆桁架-MTMD减震体系抗震性能研究

孟庆涛,董志骞,黄丽华,张晗,李钢 — 2025年05月30 00:00

针对传统摇摆墙结构体系在高层建筑结构中适用性有限的问题,提出了一种钢框架-分段摇摆桁架-多重调谐质量阻尼器(MTMD)减震体系。该体系将传统摇摆结构沿竖向划分为多段摇摆体系,并根据体系的振型特性布置多重调谐质量阻尼器。分别以单段、双段、三段的钢框架-摇摆桁架减震体系为研究对象,通过非线性时程分析研究了摇摆结构分段数量、分段位置、框架-摇摆桁架侧向刚度比、MTMD质量与布置位置等参数对结构抗震性能的影响,最后对某35层钢框架-分段摇摆桁架结构进行算例分析。结果表明:分段摇摆桁架体系能够有效减小摇摆桁架中部的最大弯矩; 结构在布置MTMD后,最大层间位移角减小7%～29%; 该体系既具有传统摇摆结构体系的特性,避免了薄弱层的出现,也可以实现多阶振型的损伤控制,并通过MTMD耗能有效减小结构的地震响应。

带U形件的方钢管混凝土柱-钢梁端板连接节点抗震性能研究

2025年05月30 00:00

对带U形件的方钢管混凝土柱-钢梁端板连接节点的抗震性能进行了数值研究; 在验证有限元模型正确性的基础上,研究了U形件翼缘高度、腹板宽度、中部断开长度和梁柱线刚度比对该节点破坏模式、滞回性能、骨架曲线等的影响。结果表明:该节点滞回曲线饱满,具有良好的抗震性能; U形件嵌入柱内混凝土并在U形件中部设置加劲肋起到了保护核心区混凝土和塑性铰外移远离节点域的作用,满足“强节点,弱构件”的抗震设计原则; U形件腹板宽度由0.58a增大至a(a为柱边长)时,节点初始转动刚度降低26.37%,延性系数降低62.86%,建议U形件腹板宽度取0.58a～0.75a; U形件中部断开长度由0增加到0.3h(h为梁高)时,节点的承载力降低不超过1%,建议断开长度不超过0.3h; 梁柱线刚度比对节点抗震性能影响较大,梁柱线刚度比由0.255增加到0.549时,试件的最大弯矩增大了72%,节点初始转动刚度增加了40%; 轴压比由0.30增大到0.90时,试件最大弯矩减小4.1%,节点延性系数降低4.7%,建议轴压比限值为0.7。

钢-混凝土混合连接预制装配式梁-柱子结构抗连续倒塌性能研究

2025年05月30 00:00

为研究钢-混凝土混合连接(HSCC)预制装配式梁-柱子结构的抗连续倒塌性能,设计制作了3个1/2缩尺梁-柱子结构试件,包括1个现浇钢筋混凝土试件和2个带HSCC的预制混凝土(PC)试件,并进行拟静力Pushdown试验; 基于ANSYS/LS-DYNA进行有限元模拟与参数分析,进一步研究连接参数对结构抗连续倒塌性能的影响规律。结果表明:现浇试件破坏由梁受拉钢筋断裂主导; PC试件破坏主要由边柱-梁端连接处的螺栓受剪断裂或滑牙控制; 平齐端板混合连接(HSCC-FEP)试件的初始峰值荷载最高,但因螺栓滑牙导致悬链线机制未充分发展; 顶底腹板角钢连接(HSCC-TSWA)试件通过顶底腹板角钢和螺栓的抗剪作用显著提升了抗拉承载力,可以有效发展悬链线机制,获得更高的极限承载力; 提高螺杆强度会改变破坏模式,使破坏模式从螺栓剪断转变为梁纵筋断裂,显著增强子结构的变形能力,促进悬链线机制发展; 减小跨高比有利于小变形阶段压拱机制的发展,但会显著降低结构的延性; 预紧力为额定扭矩时结构的变形能力最优,过大的预紧力会抑制结构的变形能力,不利于悬链线机制发展。

嵌入式SMA-CFRP复合板材加固RC梁有限元模拟及理论分析

2025年05月30 00:00

为研究碳纤维复合材料(CFRP)与形状记忆合金(SMA)采用内嵌(NSM)和外贴(EB)等不同加固方式组合加固钢筋混凝土(RC)梁后的抗弯性能,通过有限元软件ABAQUS创建有效的SMA以及CFRP加固RC梁模型,对其加固性能进行分析,研究了不同SMA直径与数量对钢筋混凝土梁加固效果的响应; 建立了嵌入式SMA加固RC梁的有限元模型,并基于有限元模拟结果推导加固梁的抗弯承载力计算公式。结果表明:提升SMA直径对试验梁加固效果有积极影响,加固梁开裂荷载提升了33%～133%,极限承载力提升了8%～31%; 嵌入式SMA-CFRP复合板材加固梁能很大程度提升加固效果,极限承载力提升了92.7%,开裂荷载增长31.9%,屈服荷载增长33.3%; 与外贴加固相比,嵌入式复合板材可以有效延缓端部剥离破坏,使加固材料充分发挥强度; 提出的组合加固梁抗弯承载力计算公式的理论计算结果与有限元模型结果吻合良好,可为后续相关研究提供参考。

基于Res-AA U-Net模型的楼板双层钢筋尺寸测量算法研究

2025年05月30 00:00

钢筋工程检测存在验收人力资源消耗大和时间成本高的问题,特别是楼板双层钢筋的尺寸验收时,由于上层钢筋覆盖下层钢筋导致测量难度增加,而传统的图像处理方法难以满足测量精度要求,为此提出一种基于Res-AA U-Net的楼板双层钢筋尺寸自动测量方法。该方法对Resnet34进行改进,修剪其网络结构并优化损失函数,用改进的Resnet34代替U-Net的特征提取器,用注意力门机制代替跳跃连接,同时在U-Net底部加入改进ASPP模块,构建包含3 355张楼板钢筋图像的数据集,最后利用迁移学习技术加快模型训练速度。结果表明:基于Res-AA U-Net模型的钢筋分割效果优于U-Net、Deeplab v3+、HRNet、PSPNet等经典分割网络,平均交并比、像素精确率和召回率分别达到92.81%、96.02%、94.49%; 相较于原U-Net,Res-AA U-Net的钢筋直径测量和钢筋间距测量误差分别减小13.63%、5.82%,测量精度满足钢筋工程验收标准中双层楼板钢筋的验收要求,可有效提升钢筋工程验收效率与智能化水平。

基于SSA-BP的孔道压浆料抗压强度预测研究

2025年05月30 00:00

为实现压浆料抗压强度的精准预测,引入麻雀搜索算法(SSA)优化BP神经网络的初始权重和阈值; 设计并开展了表面硬度法与超声法检测试验,以108组试验数据为样本,建立了包含2节点输入层、9节点隐含层与1节点输出层的压浆料抗压强度SSA-BP神经网络预测模型,与BP神经网络、遗传算法(GA)优化后的BP神经网络及测强公式预测结果进行对比; 探讨了不同输入参数组合对SSA-BP模型预测效果的影响。结果表明:相比BP模型与GA-BP模型,SSA-BP模型的均方误差(MSE)分别降低了53.23%与26.86%,单次训练时间较GA-BP模型减少了34.40%; 相比测强公式,预测值与实测值的判定系数R²从0.937提高至0.975,MSE与平均绝对误差(MAE)分别降低了19.81%与7.20%; 单一输入参数的SSA-BP模型误差精度降低,但仍具备良好的泛化能力; SSA-BP模型能够较好挖掘输入、输出参数的数据信息,在拟合优度与预测精度方面比传统方法更有优势,可以准确预测压浆料抗压强度,为孔道压浆料性能预测提供了新方法。

钢管混凝土桥塔加劲钢壁板PBL连接件屈曲拔出力研究

2025年05月30 00:00

为探究钢管混凝土桥塔中PBL连接件屈曲拔出力的大小及其分布规律,采用有限元法分析了混凝土强度等级、开孔钢板厚度、开孔直径、肋间宽厚比和几何初始缺陷等因素的影响。以PBL连接件在弹性阶段所受的最大屈曲拔出力为设计基础,提出了加劲钢壁板的PBL连接件屈曲拔出力计算公式及其抗拔验算方法。研究结果表明:在弹性阶段,PBL连接件在钢壁板局部屈曲作用下的屈曲拔出力随着肋间宽厚比和几何初始缺陷的增加显著增大; 当肋间宽厚比从20增至35时,屈曲拔出力增加32.5%; 当几何初始缺陷从钢壁板单元短边长度的1/500减小到1/2 000时,屈曲拔出力减小了69.4%; 混凝土强度、开孔钢板圆孔直径及开孔钢板加劲肋厚度对屈曲拔出力的影响较小; 当设计的PBL加劲钢壁板各项参数在常用工程应用参数范围内时,PBL连接件在弹性抗拔刚度下的屈曲拔出力均远小于计算所得抗拔承载力,不会发生拔出破坏,因此可不进行抗拔承载力验算。

钢桁加劲混凝土高铁斜拉桥运营阶段收缩徐变效应分析

2025年05月30 00:00

混凝土的收缩徐变会直接影响梁桁组合结构高铁斜拉桥桥面与无砟轨道线形,进而影响高铁列车在桥面上的行车稳定性和舒适性。以在建的西安至十堰高铁汉江特大桥工程为研究对象,通过有限单元法研究梁桁组合结构高铁斜拉桥在运营阶段的收缩徐变效应。以成桥阶段的结构为基准,系统分析了运营1～30年期间收缩和徐变引起的主要构件变形和受力变化规律; 分别讨论了收缩和徐变的作用效应,分析两者对结构变形和受力的影响以及两者在结构变形中所占的比例,进一步研究了钢桁对收缩徐变引起的结构变形的影响。结果表明:收缩徐变会引起主梁跨中下挠,使桥塔向主梁跨中方向偏移,同时引起主梁和桥塔的压缩变形,且随着运营时间的增加,收缩徐变引起的结构变形在总变形中的比例也随之增加; 收缩徐变会使主梁截面上下缘应力和斜拉索索力发生变化,随着运营时间增加,斜拉索索力和主梁跨中区域上下缘压应力储备均降低; 钢桁对主梁跨中竖向变形影响较大,钢桁可减小收缩徐变引起的主梁变形; 收缩徐变对结构内力和变形的影响呈现出运营前期大、后期小和运营前期快、后期慢的趋势。

双竖向下稳定板对分离式断面涡振流场的拟序结构研究

宋家满 — 2025年05月30 00:00

以某实际大跨分离式双箱梁桥为研究背景,结合风洞试验与数值模拟方法,研究了设置双竖向下稳定板这一气动措施对主梁涡振响应的影响; 在此基础上,引入动模态分解(DMD)技术与拉格朗日拟序结构(LCS)方法,从拉格朗日视角下对主梁断面周围流场结构及示踪粒子的输运行为进行了深入分析。结果表明:原始主梁断面在不同攻角条件下均表现出显著的涡振现象,当采用双竖向下稳定板后,涡振幅值显著降低,结构响应得到有效控制; 数值模拟结果表明,优化后的断面能有效将中央开槽处的大尺度涡旋打散为小尺度结构,耗散掉原大尺度涡结构能量,并显著减小作用于下游断面的表面压力; 动模态分解显示优化后断面的平均流场在双竖板位置处存在着明显的涡结构,其流场主模态能量幅值和空间结构发生了明显改变,并改变了高阶流场结构; 从拉格朗日视角下显示出优化后中央开槽处的示踪粒子将明显增加,周围拉格朗日结构数量增多,形状变得相对扭曲且模糊,对周围流体粒子的吸引程度降低,导致下游箱梁所受的气动力减弱,尾流难以形成周期性、规律性的涡脱落行为,从而有效抑制涡激振动的发生。

梯形沟谷地形下高填方箱涵涵周土压力离心试验研究

2025年05月30 00:00

梯形沟谷地形下高填方涵洞的涵周土压力较为复杂,且与上埋式及沟埋式涵洞差异较大。为探明山区梯形沟谷地形下高填方箱涵的涵周土压力特性,通过离心模型试验,研究了不同沟谷宽跨比B/D、沟谷坡度α对箱涵涵周土压力的影响。结果表明:梯形沟谷地形的沟谷宽度及坡度均对高填方箱涵结构受力存在不同程度的影响,且沟谷坡度在30°～60°、沟谷宽跨比B/D<3时影响程度最大; 沟谷地形下高填方箱涵的涵顶垂直土压力、涵侧水平土压力及涵底反力均与沟谷宽度呈正相关关系,与沟谷坡度呈负相关关系; 沟谷宽跨比B/D<3时,涵顶垂直土压力集中系数K_s<1,沟谷坡度α>30°后,涵顶垂直土压力开始由应力集中转化为应力扩散; 建议进行高填方箱涵设计时,在确保边坡稳定的前提下,尽量保留原有的梯形沟谷地形,选择沟谷宽跨比B/D<3且沟谷坡度较大的区域跨越,以保证地形对箱涵的减荷作用。

含砾黏土地层钢筋笼扩大头锚杆承载特性研究

2025年05月30 00:00

为了研究钢筋笼扩大头锚杆在含砾黏土地层的承载性能,根据6根不同扩大头尺寸、扩大头长度和总长度的锚杆现场破坏试验确定抗拔力极限值的计算方法; 根据破坏试验设计工程项目钢筋笼扩大头抗浮锚杆尺寸,进行6根相同设计参数的钢筋笼扩大头抗浮锚杆验收试验; 建立三维有限元模型,通过与现场试验结果进行荷载-位移曲线和抗拔力极限值双元参数拟合对比,验证模型的合理性,研究钢筋笼扩大头锚杆荷载传递规律、荷载分担比,分析其失效破坏机理。结果表明:相较于等直径锚杆,钢筋笼扩大头锚杆承载力、变形控制能力提升显著,含砾黏土地层非预应力钢筋笼扩大头锚杆侧压力系数ξ取0.8K_a(K_a为扩大头锚杆前端土体主动土压力系数)较为合理; 含砾黏土地层钢筋笼扩大头锚杆塑性变形占比较大,拉拔荷载达到0.6倍抗拔力极限值时,锚杆塑性位移占总位移比值达到49.81%～55.01%; 普通段侧摩阻力、扩大头端阻力、扩大段侧摩阻力分别占锚杆极限承载力的44.2%、12.2%、43.6%; 扩大头锚杆侧摩阻力沿深度方向整体呈增大-减小-增大-减小的趋势; 锚杆顶部和扩大头顶部土体最早出现塑性区,随着荷载增大,塑性区沿轴向不断发展直至贯通,锚杆失效。

循环荷载作用下温州海相软基土变形特性试验研究与数值模拟

2025年05月30 00:00

为了解海相软基土在交通荷载下的变形规律,对温州重塑海相软基土进行了一系列长期循环三轴试验,对比分析了不同排水条件下循环应力比(CSR)对海相软基土宏观变形特性的影响,揭示了塑性变形、应力-回弹应变滞回圈、回弹模量的变化规律,在此基础上建立了塑性变形与CSR、循环次数之间的定量关系。通过颗粒流模拟揭示了循环荷载作用下海相软基土的微观变形特性。根据相关规范对软土地区容许变形的规定以及塑性变形不同发展模式,明确过渡状态的划分标准并得到塑性变形稳定发展的CSR值上限。结果表明:随着CSR的增大,塑性变形逐渐呈对数式增长,并且表现出4种不同的发展模式,相较于不排水条件,部分排水条件下的塑性变形增长了0.07%～3.2%; 随循环次数的增加,应力-回弹应变滞回圈的面积先增加后减小,回弹模量在大幅度衰减后有所增加; 颗粒运动从竖向挤压逐渐变为侧向滑移,并且其运动方向具有明显的各向异性。

地震崩塌松散堆积体路基沉降变形特征与稳定性研究

2025年05月30 00:00

为深入评估地震堆积体在灾后重建中的应用潜力,以汶川地震灾后南华隧道和盘龙山隧道处的典型堆积体为依托,通过室内试验获取其黏聚力、内摩擦角、最优含水率及最大干密度等关键物理力学参数。在此基础上,设计并开展了5组不同工况下的土工离心模型试验,重点探讨含水率变化和颗粒级配特征对堆积体路基稳定性与变形行为的影响机制,同时结合数值模拟方法开展路基沉降与稳定性分析。结果表明:两处堆积体呈粗粒含量高、孔隙大但级配良好的特征,CBR试验结果显示其承载性能良好,压实后具备较高的路用能力; 填筑过程中中下部坡面出现水平位移,沉降量随压实度提升而显著减小; 地震荷载作用下,中下部边坡易出现滑塌破坏,安全系数偏低,亟需采取有效支挡与防护措施; 研究成果可为灾后堆积体区域公路重建工程提供理论依据与实践指导。