建筑科学与工程学报

装配式组合梁负弯矩区阶梯型UHPC接缝抗裂性能试验研究

2024年09月20 00:00

为提高装配式组合梁负弯矩区桥面板抗裂性能,简化施工工艺,提出了组合梁桥负弯矩区阶梯型超高性能混凝土(UHPC)湿接缝方案。以湖北某装配式组合梁桥为背景,设计制作了1根1:2缩尺模型试件进行负弯矩加载,对阶梯型UHPC接缝抗裂性能进行试验研究。利用截面非线性计算方法对接缝区域钢筋应变进行非线性分析,基于分析结果,讨论了UHPC基体裂缝宽度实测值与规范计算值之间的差异。结果表明:试件破坏模式为纯弯段内钢梁底板屈曲破坏; 负弯矩作用下,钢梁与混凝土桥面板之间的最大滑移量为0.163 mm,接缝区域截面应变分布基本满足平截面假定,接缝与预制部分共同受力良好; UHPC与普通混凝土(NC)具有不同的裂缝分布特征,UHPC裂缝分布较密,而NC裂缝分布较疏; 接缝区域内,区域Ⅱ以及接缝截面裂缝发展较快,钢-UHPC截面抗裂能力强于钢-NC-UHPC截面; 试件接缝区域桥面板顶面裂缝宽度达到0.1 mm时,接缝界面名义应力超过12.8 MPa,安全系数达到了1.69; 非线性计算方法可以有效预测钢筋应变; 接缝区域UHPC基体裂缝宽度宜采用UHPC行业标准或法国UHPC规范进行计算,计算时宜考虑混凝土的抗拉贡献; 阶梯型UHPC接缝方案具有优异的安全与耐久性能,施工方便,能够满足实际工程需求。

基于三维点云重建的混凝土结构裂缝定位与追踪

2024年09月20 00:00

为实现混凝土结构裂缝的自动化定位、宽度量化及扩展追踪,提出一种基于三维点云重建的混凝土结构裂缝定位及扩展追踪方法。首先通过无人机搭载高分辨率云台相机获取目标建筑物的图像集,再通过优化数据集与三维重建流程得到准确的建筑结构点云模型,并还原相机空间参数; 然后提出视点定位算法,基于还原的相机空间参数求得拍摄裂缝的相机世界坐标,将裂缝图片与相机世界坐标绑定,基于图片索引裂缝的三维坐标,实现裂缝在点云模型中的自动定位; 最后提出适用于混凝土结构的点云映射与配准算法,对裂缝宽度的扩展进行量化追踪。通过试验对服役期的大型混凝土建筑结构进行了可行性和精度验证。结果表明:所提出方法的三维模型重建的尺度平均误差小于3%,且可自动化定位结构裂缝的三维坐标,裂缝平均定位时间为38.09 μs; 通过进一步将整体模型与更新的裂缝点云集配准,可实现裂缝扩展信息(裂缝宽度)的准确追踪,试验相对误差小于8%。

装配式高强钢组合延性桁框结构滞回性能研究

2024年09月20 00:00

为研究装配式高强钢组合延性桁框结构(HSS-PSTMF)的抗震性能并扩展其工程应用,通过ABAQUS有限元软件建立了不同耗能段长度和节间数量的HSS-PSTMF模型; 对装配式高强钢组合延性桁框结构的滞回性能进行了数值分析,研究了耗能段长度、节间数量及长深比对结构承载力、刚度、延性和耗能能力的影响规律。结果表明:延性桁框结构(STMF)体系中主要通过耗能段耗散地震能量; 改变耗能段长度对结构的承载力、延性、刚度、耗能能力影响较大; 当耗能段长度一定时,改变耗能段节间数量对结构的承载力、延性、耗能能力影响较小; 耗能段长度介于0.2L～0.4L(L为跨度)之间且耗能段任何节间的长深比在0.67～1.5时结构抗震性能较好; 耗能段长度介于0.4L～0.5L时,在满足结构安全性要求的前提下,可以将结构的长深比提高到3。

基于响应面法的钢空腹桁架结构优化设计

2024年09月20 00:00

为了提高钢空腹桁架结构的优化设计效率,提出采用基于响应面法的结构优化设计方法对钢空腹桁架进行优化设计。优化前根据虚功原理推导了空腹桁架的等效惯性矩和等效剪切刚度,采用等代实腹梁刚度法验证了有限元模型精度。通过Box-Behnken试验设计,获得66组有限元模拟的试验样本,建立Kriging响应面从而得到近似响应点。以结构质量最小化为目标,以规范允许的最大组合应力、最大挠度和构件宽厚比为约束条件,采用MOGA遗传算法对空腹桁架进行优化设计,得到Pareto最优候选解。结果表明:在各级荷载下,有限元计算值与等代实腹梁刚度法计算值的最大相对误差仅为5.6%,验证了用于优化设计的有限元模型的精度; 优化设计后3组候选解中最优用钢量为6 195.4 kg,与优化前相比节省用钢量约18%; 对最优解的相关几何参数进行了有限元数值试验验证,优化后的构件宽厚比、最大组合应力、最大挠度和结构质量与数值试验结果吻合较好,偏差均在3%以内,表明基于响应面法的结构优化设计方法适用于钢空腹桁架结构多参数优化设计。

带PBL剪力键的钢芯板混凝土组合剪力墙低周往复加载试验研究

2024年09月20 00:00

为研究带PBL剪力键的钢芯板混凝土组合剪力墙的抗震性能,对1个型钢混凝土组合剪力墙和4个钢芯板混凝土组合剪力墙进行了循环往复加载试验; 观察带PBL剪力键的钢芯板混凝土组合剪力墙在水平循环荷载下的破坏全过程,并分析该类剪力墙的滞回特征、变形能力、承载能力、耗能性能、刚度和强度退化能力。结果表明:钢芯板混凝土组合剪力墙的破坏模式主要为弯曲型破坏,滞回曲线较为饱满; 配置钢芯板的剪力墙承载力、延性性能和耗能能力较优; PBL剪力键的构造方式可保证钢芯板与混凝土之间的黏结性能完好,PBL剪力键平放会导致剪力墙出现沿PBL剪力键的水平通缝,影响剪力墙承载能力的发挥,建议采用PBL剪力键竖放的构造形式。

框架结构考虑钢筋腐蚀的地震风险评估方法

李波,许亚男,严国虔,阳绪,张云浩 — 2024年09月20 00:00

为科学评估框架结构考虑钢筋腐蚀的地震风险,研究了钢筋腐蚀及混凝土开裂对框架结构抗倒塌性能的影响,将结构倒塌极限状态对应的结构变形能力均值定义为时间的函数,考虑老化时间对结构倒塌年均失效概率式积分,得到考虑钢筋腐蚀效应的结构地震倒塌概率; 提出了考虑结构老化效应的地震风险评估方法,将该方法应用于不同设防烈度的锈蚀RC框架结构,研究了在接近倒塌极限状态下考虑结构老化效应对地震风险的影响。结果表明:6、7、8度设防的框架结构锈蚀50年比未锈蚀结构的倒塌储备系数(CMR)分别小18.7%、31.0%、19.4%; 6、7、8度设防的框架结构考虑老化效应50年的年均倒塌超越概率比不考虑老化效应结构的年均倒塌超越概率分别大28.6%、59.8%、32.6%; 建议在不同烈度区RC框架结构的地震风险评估中考虑结构老化效应的影响。

单层悬索柔性光伏支架风振系数研究

2024年09月20 00:00

单层悬索光伏支架为风敏感结构,然而目前中国规范并无对于其风振系数的规定,故对其风振系数的取值进行研究。应用AR法模拟风荷载并进行动力时程分析,针对结构非线性的特点提出了风振系数的计算方法并编制了计算程序,分析了不同节点处风振系数的基本分布规律,探讨了风振系数随结构参数的变化规律,对比了不同控制点处风振系数的静力等效结果,给出了内力风振系数与竖向位移风振系数的建议取值范围。结果表明:拉索不同节点的内力风振系数较位移风振系数更为集中,各节点的竖向位移风振系数均大于水平位移风振系数; 风振系数受光伏板角度的影响较小,在0°～15°内风振系数几乎不改变; 竖向位移风振系数受钢架间距影响较大,其整体趋势随着钢架间距的增大而增大,但其值有一定的波动; 拉索初始预张力增加会使得竖向位移风振系数大幅减小; 以风振响应最大值点为控制点能保证结构安全且可对结构风振响应进行较好的静力等效; 内力风振系数与竖向位移风振系数的合理取值范围分别为2.0～2.3与3.2～5.5。

共享铁塔单/双挂载连接件承载性能研究

2024年09月20 00:00

为研究挂载数量对挂载连接件承载能力和刚度的影响,设计了单挂载与双挂载两种挂载连接件。通过单调拟静力试验研究挂载连接件的承载能力、刚度及其破坏模式,采用有限元软件分析了螺栓直径、钢管宽度、双板件厚度、抗滑移系数和螺栓预紧力对单/双挂载连接件承载力和刚度的影响。结果表明:单/双挂载连接件的破坏模式均为钢管底部加劲肋处断裂,双挂载连接件的极限承载力和初始刚度相比于单挂载连接件分别增加了108.48%和104.27%,可通过加强钢管的上下端部提高连接件的承载力; 当抗滑移系数小于等于0.1时,单挂载连接件出现滑移破坏,当抗滑移系数小于等于0.15时,双挂载连接件出现滑移破坏,在其他参数下连接件均未出现滑移破坏; 相比于螺栓预紧力和抗滑移系数,螺栓直径、钢管宽度和双板件厚度对连接件的承载力和刚度影响更大; 推导出的连接件极限承载力和极限位移计算公式可为同类工程设计提供参考。

考虑施工偏差高强钢板单边螺栓钢筋连接件抗拉试验研究

2024年09月20 00:00

为研究考虑施工偏差高强钢板单边螺栓钢筋连接件的抗拉性能,对26个试件进行了单向拉伸试验,研究变量包括螺栓强度等级、钢筋直径、预紧力、锚固长度、钢筋轴线偏差、钢筋相对转角,考察连接件的破坏形态、荷载-位移曲线、极限承载力及变形能力。结果表明:3种直径的钢筋均存在钢筋拉断与犁沟式拔出两种破坏现象; 当连接件采用4个12.9级螺栓时,直径12 mm的钢筋临界锚固长度位于4d～5d(d为钢筋直径)之间; 当连接件用于直径14 mm的钢筋连接时,12.9级的螺栓难以匹配,破坏形式均为拔出破坏,连接件用于直径12～14 mm钢筋连接时建议使用6个螺栓来达到等强连接; 锚固长度相同时,增大预紧力或提高螺栓强度能有效提高接头抗拉强度; 采用14.9级的螺栓时,直径14 mm的钢筋锚固长度位于3d～4d之间; 相同锚固长度和预紧力条件下,相对转角为45°时连接件呈现拔出破坏,0°与90°均为拉断破坏; 同等条件下,宽槽连接件相较于窄槽连接件,锚固长度增大,极限承载力有所下降,建议增加盖板厚度使连接件性能充分发挥。

基于非接触式测量技术的高强螺栓预紧力检测方法研究

2024年09月20 00:00

为了研究非接触式测量技术检测高强螺栓预紧力的可行性,以8.8级M16高强螺栓为研究对象,采用有限元软件对高强螺栓施加预紧力进行了模拟,分析了不同螺栓预紧力下螺帽表面应变分布。通过电阻应变片检测试验测量了高强螺栓施加预紧力过程中的螺帽表面应变,将测量结果与模拟结果进行对比,验证了有限元模拟的正确性和螺栓预紧力与螺帽表面应变之间的线性关系。采用三维数字图像相关法检测了高强螺栓预紧力施加过程中的螺帽表面应变,并与有限元分析结果进行了对比。最后,采用正态分布完全样本可靠度置信下限计算方法得到了20%失效概率、50%置信度下的8.8级M16高强螺栓螺帽表面应变检测目标值。结果表明:采用三维数字图像相关法通过检测螺帽表面应变从而确定高强螺栓预紧力理论上是可行的。

输电塔角钢并联加固构件承载力试验研究及理论分析

2024年09月20 00:00

为满足输电结构持久安全运行,在不破坏原有角钢截面造成截面削弱的前提下,提出了2种基于构件并联的无损加固措施; 通过未加固、加固角钢轴压试验和有限元仿真计算,得到了各试件的荷载-位移曲线与荷载-竖向应变曲线,分析了试件的破坏机制与加固机理并基于参数分析明晰了角钢强度、抱箍连接件数量、抱箍连接件长度、构件长细比等因素对承载力的影响; 基于弯曲、扭转、弯扭屈曲临界力计算方法提出了基于构件并联的修正承载力计算公式,并验证了修正承载力计算公式的有效性。结果表明:未加固角钢易发生弯扭失稳破坏,加固方案通过增大截面抗弯刚度和改变组合构件的失稳形态,提高了极限承载力并改善了失稳后的刚度与变形性能; 有限元模型可有效反映构件破坏形式,主材角钢强度提高能增强承载力但对变形能力无影响,抱箍连接件对加固后性能无明显影响,长细比与加固效率呈正相关; 推导的弯扭失稳临界力计算理论便于计算加固构件极限承载力,有利于推广无损并联加固措施。

碳纤维布加固损伤再生混凝土梁受弯性能研究

延永东,武珂珂,陆春华,梁晓封,季光前 — 2024年09月20 00:00

为研究因承受荷载而产生损伤的再生混凝土梁经碳纤维布加固后的受弯性能,选取不同的再生骨料取代率,设计了9根再生混凝土梁; 通过预加弯曲荷载使试验梁产生初始损伤,卸载后在损伤梁底部粘贴不同宽度的碳纤维布进行加固,再对试验梁进行受弯承载力试验; 考虑再生骨料掺量及预损伤程度的影响,提出了碳纤维布加固损伤再生混凝土梁发生剥离破坏时的受弯承载力计算公式。结果表明:因预损伤产生的裂缝降低了碳纤维布与再生混凝土梁间的黏结强度,加固梁均发生了剥离破坏; 随再生骨料取代率的增加,试验梁在相同荷载下产生的裂缝宽度和数量逐渐增加,极限承载力有所减小; 随碳纤维布加固宽度的增大,试验梁破坏时的挠度减小,极限承载力提高,裂缝分布细而密; 随预损伤程度的增大,试验梁破坏时的裂缝宽度逐渐增大,数量明显增多,但极限承载力和挠度变化并不明显; 受弯承载力计算值与试验值吻合较好,研究成果可为碳纤维布加固损伤再生混凝土梁的受力性能评估提供参考。

石灰石粉对C60混凝土抗压性能及水化热的影响研究

2024年09月20 00:00

为探究石灰石粉对C60高强混凝土力学性能和水化热的影响,对不同石灰石粉比表面积和不同石粉含量的高强混凝土进行了抗压性能和水化放热试验。结果表明:石灰石粉的掺入能有效提高混凝土的抗压强度,其提升幅度介于1.3%～19.3%之间,在比表面积为6 000 cm²·g^-1、石粉含量(质量分数)为5%～15%时混凝土抗压强度提升最明显; 由于石粉的活性远低于水泥,随着石粉含量的增加,胶凝体系的总放热量逐渐降低且时间-水化放热速率曲线向左偏移,其中S15-6000组混凝土前期水化速率最快; 在胶凝体系的水化产物中,掺入石粉后并未检测到新生成的物相,Ca(OH)₂峰值强度在石粉含量为15%时达到最高并伴随着生成大量C-S-H,这是由于石粉的掺入起到稀释效应,胶凝体系的水胶比增加使得水泥在水化时获得了充足的水量,此外,15%的石粉含量为胶凝体系提供了最佳钙含量,进一步促进了水化; 大量C-S-H凝胶的生成为S15-6000组混凝土抗压强度提供了保证,且该组混凝土能较大程度发挥石粉作用。

钢-PPUC组合正交异性钢桥面板疲劳性能

2024年09月20 00:00

为有效解决传统钢桥面病害,提出了钢-聚酯型聚氨酯(钢-PPUC)混凝土组合桥面板结构,开展了正交异性钢桥面板的疲劳性能研究。以马鞍山公铁两用大桥为工程背景,建立局部有限元模型,采用热点应力法获得车轮荷载作用下钢桥面易疲劳开裂部位的应力响应,基于疲劳应力幅进行疲劳强度评估。考虑不同温度、不同铺装层厚度和不同结构形式条件下PPUC铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响。结果表明:高弹性模量的PPUC铺装层对正交异性钢桥面板典型疲劳细节处的应力具有明显的改善作用; 顶板与纵肋连接部位疲劳细节应力幅降幅最大,顶板与纵肋连接处桥面板细节、纵肋与横隔板连接处纵肋细节和纵肋对接焊缝细节均满足抗疲劳开裂要求; 不同温度作用下的弹性模量变化对典型疲劳细节等效应力幅的影响是非线性的,铺装层厚度变化对典型疲劳细节等效应力幅的影响是近似线性的; 为兼顾正交异性钢桥面板受力性能和行车舒适性两方面要求,提出了单层和双层复合型PPUC结构形式,计算得到2种结构形式对各疲劳细节应力幅最大降幅为21%～56%,最小降幅为8%～36%,为钢-PPUC组合桥面板抗疲劳设计提供理论依据。

中小跨径简支钢板组合梁桥荷载横向分布研究

2024年09月20 00:00

为评价经典荷载横向分布计算方法对中小跨径简支钢板组合梁桥的适用性,首先利用实桥荷载试验结果,验证了基于ABAQUS软件的三维有限元模拟方法; 然后以计算跨径、主梁数量、主梁间距为研究参数,设计了108个分析模型,分别采用修正的刚性横梁法、刚接梁法、G-M法以及有限元法计算荷载横向分布影响线,进而得到单车道和多车道作用下各主梁的荷载横向分布系数; 最后基于线性相关系数、横向分布影响线吻合程度指标及横向分布系数相对误差,进行横向分布线性判断及各理论计算方法的误差分析。结果表明:当钢板组合梁桥宽跨比B/L小于0.34时,各主梁在荷载作用下挠曲呈直线变形,即认为钢板组合梁桥B/L<0.34时为窄桥; 利用理论计算方法计算横向分布系数时,单车道布载下,当B/L<0.2,宜采用修正刚性横梁法、刚接梁法、G-M法,当0.2<B/L<0.3,宜采用刚接梁法、G-M法,当0.3<B/L<0.75,宜采用G-M法; 多车道布载下,当B/L<0.3,宜采用修正刚性横梁法、刚接梁法、G-M法,当0.3<B/L<0.45,宜采用刚接梁法、G-M法,当0.45<B/L<0.75,宜采用G-M法; 提出了修正的刚性横梁法、刚接梁法、G-M法计算精度判定条件,控制理论计算结果与有限元计算结果相对误差在10%以内; 研究成果可为中小跨径钢板组合梁桥的荷载横向分布计算方法选取提供依据。

高寒区隧道洞口段覆雪波纹钢棚洞减载方法研究

2024年09月20 00:00

高寒区隧道洞口段易受上方覆雪及落石影响,采用现有大跨径波纹钢棚洞会产生较大变形和失稳,影响边疆公路运行安全。为此,依托某线路隧道洞口段波纹钢防雪棚洞项目,从拱效应及加筋桥减载原理出发,运用有限元软件构建了EPS板、EPS板+加筋雪、EPS板+加筋冰等10种减载方案的三维波纹钢棚洞模型,研究不同减载方案对棚洞应力、棚洞变形和覆雪压力的影响,对比分析棚洞受力变形特征及减载效果,筛选出最优减载方案。结果表明:施加减载材料后,棚洞上方覆雪压力均不同程度分散到棚洞两侧,减小了棚洞结构的受力; 随着覆雪高度增加,减载效果更显著,其中30 cmEPS板+加筋冰组合式方案的减载效果最佳,棚顶应力减少32.72%,棚顶位移减小22.63%; 针对波纹钢棚洞的减载问题,建议隧道洞口30 m范围内采用30 cmEPS板+加筋雪方案,距隧道口30 m以外范围可采用30 cmEPS板+加筋冰方案。

新乡地区改良膨胀土路用性能研究

2024年09月20 00:00

为减小膨胀土对公路工程的危害,采用粉砂土和聚乙烯醇(PVA)纤维对新乡地区弱膨胀土进行改良,研究了改良前后膨胀土的路用性能; 通过加州承载比(CBR)试验、冻融循环试验、无侧限抗压强度试验,研究了不同试样的膨胀率、CBR以及冻融循环对无侧限抗压强度的影响规律。结果表明:素膨胀土、30%粉砂土改良膨胀土、30%粉砂土+0.2%PVA纤维改良膨胀土的膨胀率随压实度的增大而增大,随含水率的增大而减小; CBR随压实度的增大而增大,随含水率的增大呈先增大后减小的趋势; 30%粉砂土+0.2%PVA纤维对膨胀土的改良效果最好,最佳含水率时膨胀率最多降低59.76%,CBR最大提升467%; 随着冻融循环次数增加,膨胀土的无侧限抗压强度不断减小并趋于平稳,其中第1次冻融循环对土的强度影响最大; PVA纤维的掺入使土体经历冻融循环后的残余强度仍大于初始状态下的素膨胀土,且土体应力-应变曲线由软化型转变为弱软化型; 粉砂土和PVA纤维能够有效改善膨胀土的不良性质,显著提升其承载能力及抗冻性。

复杂环境下地铁深基坑变形可靠度分析

2024年09月20 00:00

为计算复杂环境下地铁深基坑变形可靠度,提出了非侵入式随机有限差分法。通过构建随机有限差分接口,实现确定性分析与随机分析相融合,引入Hermite随机多项式,确定3个输出响应量与12个输入变量的显性函数表达式,计算基坑变形可靠度。结果表明:非侵入式随机有限差分法计算精度与蒙特卡罗法相近,但计算效率远高于蒙特卡罗法,通过计算结果验证了非侵入式随机有限差分法的可行性; 由输出响应量与输入变量相关性强度可知,砂土层密度对基坑变形可靠度影响较大; 将砂土密度变异系数Cov(ρ₃)取为初始值的2倍,验证砂土密度的变异性对输出响应量的影响,计算得到的地表沉降、围护结构水平位移失效概率明显提高; 为了提高深基坑的变形可靠度,在确定土层参数变异系数前应采集较多的试样,保证土层密度更接近于真实值。

多雨地区建筑垃圾路基填料长期变形特性研究

2024年09月20 00:00

为探究建筑垃圾再生材料对于多雨地区城市道路路基填料的适用性,借助人工初拣、筛分试验明确再生料的物质组成,借助点荷载试验研究水分对砖块强度特性的影响,并根据原材料基本特性对路基填料级配进行设计; 采用自行设计的室内大型土柱试验对浸水-失水循环过程中模型含水率与变形特性进行研究,对试验前后的再生材料回弹模量和级配进行分析。结果表明:所获取的建筑垃圾原材料以废弃砖、混凝土块及石块为主,天然级配不良; 将粒径为0～10 mm、10～20 mm的两档再生材料按照3:1的质量比掺配后的填料级配良好; 路基模型经多次浸水-失水循环后最终变形量为填高的0.62%; 多次循环后回弹模量衰减率为28.4%,仍满足填筑要求; 在荷载和水分共同作用下,粒径大于5 mm的颗粒二次破碎情况明显,而小于0.3 mm的颗粒较为稳定,破碎后的填料级配仍满足规范要求; 该级配下建筑垃圾作为路基填料在经多次浸水-失水循环后保持着良好的强度和水稳定性,可用于路基填筑。