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结构钢材全过程真实应力-应变关系研究

工程力学 2023年

作者：魏陆原杨飞延睿段留省长安大学建筑工程学院香港理工大学土木及环境工程学系

对钢结构的连接部位或节点域进行大变形或断裂模拟分析时，需准确考虑钢材的全过程真实应力-应变关系。首先对Q355和Q420钢材开展单轴拉伸试验获得其全过程工程应力-应变曲线，采用有限元方法对两种钢材的拉伸试验进行模拟，通过比较有... 详细信息

对钢结构的连接部位或节点域进行大变形或断裂模拟分析时，需准确考虑钢材的全过程真实应力-应变关系。首先对Q355和Q420钢材开展单轴拉伸试验获得其全过程工程应力-应变曲线，采用有限元方法对两种钢材的拉伸试验进行模拟，通过比较有限元分析和实测工程应力-应变曲线的吻合度，对描述钢材颈缩后真实应力-应变曲线的Ling方法、Swift+Voce方法、以及本文提出的改进Ramberg-Osgood方法的适用性和准确性进行评价。为进一步探讨三种方法对描述高强钢真实应力-应变关系的适用性，对相关文献报道的S690和S960钢材拉伸试验也进行了模拟分析。结果表明：Ling方法、Swift+Voce方法、以及本文提出的改进Ramberg-Osgood方法均能较准确地描述Q355和Q420的真实应力-应变关系，也适用于描述S690和S960两种高强钢的真实应力-应变关系，验证了三种方法对描述包括高强钢在内的结构钢材真实应力-应变关系的普适性。

关键词：钢结构真实应力-应变关系有限元分析结构钢材拉伸试验 Ramberg-Osgood

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

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建筑科学与工程学报 2023年

作者：段留省周友利丁涛涛吴楠周天华潘宏张化兵中国市政工程西南设计研究总院有限公司西部建筑抗震勘察设计研究院有限公司长安大学建筑工程学院

现有灌浆套筒存在体积过大、注浆不密实等问题，难以直接用于预制剪力墙、楼板等厚度较小构件的装配，现提出一种考虑施工偏差高强钢板单边螺栓钢筋连接件。为研究这种新型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... 详细信息

现有灌浆套筒存在体积过大、注浆不密实等问题，难以直接用于预制剪力墙、楼板等厚度较小构件的装配，现提出一种考虑施工偏差高强钢板单边螺栓钢筋连接件。为研究这种新型钢筋连接件的抗拉性能，对26个试件进行了单向拉伸试验，研究变量有螺栓强度等级、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与5d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12 mm与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与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°则均为拉断破坏；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。

关键词：钢筋机械连接件偏差调节轴线偏差相对转角锚固长度

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高强钢板组合螺栓抗拉性能有限元分析

哈尔滨工业大学学报 2020年第10期52卷 102-110页

作者：段留省夏瑞林周天华长安大学建筑工程学院西安710061

高强钢板钻孔攻丝后替代螺母,与高强螺杆组合成一种新的单边螺栓连接副,可用于钢管柱框架节点.为研究钢板组合螺栓抗拉承载力和破坏机理,在本组试验研究的基础上对4类钢板组合螺栓共64个试件进行单调拉伸数值模拟,以板厚和螺杆直径为研... 详细信息

高强钢板钻孔攻丝后替代螺母,与高强螺杆组合成一种新的单边螺栓连接副,可用于钢管柱框架节点.为研究钢板组合螺栓抗拉承载力和破坏机理,在本组试验研究的基础上对4类钢板组合螺栓共64个试件进行单调拉伸数值模拟,以板厚和螺杆直径为研究变量,包括Q345B、45号钢、Q460C和Q690D四种钢材和10.9级M16、M20、M24、M27和M30五种规格高强螺栓.结果表明:Q345B、Q460C和Q690D均可作为45号钢的替代材料;钢板组合螺栓在锚固可靠的条件下,可按螺杆螺纹极限抗拉荷载的70%作为其抗拉设计值;钢板较薄时,发生钢板螺纹滑牙破坏,螺栓拔出,螺杆最大应力位于锚固区,钢板向外凸起,凸起量大于支点间距的1/200;钢板较厚时,发生螺杆拉断破坏,螺杆最大应力位于构造区,两种破坏模式中钢板的最大应力均位于钢板螺纹第一扣处.为保证钢板组合螺栓不发生钢板螺纹滑牙破坏,建议Q345B钢板厚度不宜低于1.15 d;Q460C钢板厚度不宜低于1.10 d;Q690D钢板厚度不宜低于0.95 d,根据弹性力学和螺纹传力机理推导高强钢板组合螺栓抗拉承载力公式,公式计算结果与有限元结果吻合良好,研究成果可为钢板组合螺栓的设计提供参考.

关键词：单边螺栓钢板攻丝应力分布厚径比破坏模式螺纹

高应力反复拉压作用下钢板组合单边螺栓钢筋机械连接性能试验研究

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建筑科学与工程学报 2023年第5期40卷 108-118页

作者：段留省张化兵丁涛涛周友利吴楠潘宏夏明干李慧长安大学建筑工程学院陕西西安710061 西部建筑抗震勘察设计研究院有限公司陕西西安710054 中化学城市投资有限公司陕西西安710054 机械工业勘察设计研究院有限公司陕西西安710043

针对预制混凝土楼板钢筋直径较小,装配时无法直接使用灌浆套筒完成钢筋连接的问题,提出一种高强钢板组合单边螺栓钢筋机械连接件,仅从楼板表面即可实现钢筋等强连接。为研究钢板组合单边螺栓钢筋机械连接接头在地震作用下的连接性能及... 详细信息

针对预制混凝土楼板钢筋直径较小,装配时无法直接使用灌浆套筒完成钢筋连接的问题,提出一种高强钢板组合单边螺栓钢筋机械连接件,仅从楼板表面即可实现钢筋等强连接。为研究钢板组合单边螺栓钢筋机械连接接头在地震作用下的连接性能及工作机理,对2组6个试件分别进行高应力反复拉压试验和单向拉伸试验,重点考察破坏形态、连接钢盖板沿长度方向及宽度方向应变、高强螺栓轴向应变和开槽钢筋应变等。结果表明:相同锚固长度条件下,2组试件的最终破坏模式、极限承载能力无明显区别,但接头变形性能有一定差别,高应力反复拉压试验中极限荷载所对应位移增加约32%,钢筋拉断时位移增加约24%;锚固区钢筋和接头端部钢筋荷载-应变曲线变化趋势无明显区别,高应力反复拉压作用对钢盖板轴向应变和横向应变特征基本无影响;高应力循环作用结束时,高强螺栓压应变增加约30×10^(-6),循环作用对螺栓预紧力的影响较小;试件屈服比、强度比及延性比的均值分别为1.07、1.56和7.92,锚固长度为3 d(d为连接钢筋公称直径)的试件钢筋拔出,可以对连接齿钉的构造进行优化,减小齿钉间距和增加咬合面以提高锚固性能。

关键词：锚固长度钢筋机械连接高强螺栓高应力反复拉压连接性能

高强钢芯筒-螺栓连接钢管柱节点静力性能试验

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哈尔滨工业大学学报 2019年第12期51卷 172-179页

作者：段留省周天华苏明周长安大学建筑工程学院西安710061 西安建筑科技大学土木工程学院西安710055

为解决现有钢管柱节点单边螺栓锚固不足和操作复杂的问题,提出高强钢芯筒-螺栓连接副装配式节点,连接副由内置于钢管柱的高强钢芯筒和常规高强螺栓组成.为考察这种新型节点的静力性能,对6个1∶1足尺钢管柱框架边节点进行单调加载试验,... 详细信息

为解决现有钢管柱节点单边螺栓锚固不足和操作复杂的问题,提出高强钢芯筒-螺栓连接副装配式节点,连接副由内置于钢管柱的高强钢芯筒和常规高强螺栓组成.为考察这种新型节点的静力性能,对6个1∶1足尺钢管柱框架边节点进行单调加载试验,研究变量为钢芯筒类型、筒壁厚度、螺栓直径、钢梁端板厚度.重点分析节点关键部位的应力变化、变形能力、破坏模式、螺栓拉力和节点类型.结果表明:试件均为半刚性节点、梁端塑性铰破坏机制,封闭型芯筒厚度与螺栓直径相当时可以满足梁柱刚接的强度条件;节点域变形很小可以忽略,芯筒转动变形对节点转动影响不超过10%;钢梁端板与柱的间隙随着芯筒厚度减小而快速增长,螺栓有拔出趋势,连接副的抗拉设计值可按钢板螺纹抗拉承载力的70%取用.

关键词：单边螺栓节点转动能力螺栓拉力破坏模式节点类型

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高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能分析

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2015年第1期47卷 46-50,61页

作者：段留省苏明周长安大学建筑工程学院陕西西安710061 西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055 西部建筑科技国家重点实验室(筹) 陕西西安710055

偏心支撑钢框架设计时需要通过内力放大系数调整梁柱截面以抵抗耗能梁段的应变硬化效应,导致用钢量增大和节点连接困难.根据"相对强弱"的抗震思想,可将高强度钢材引入基本处于弹性的钢框架部分,耗能梁段采用屈服点较低钢材,形成高强钢... 详细信息

偏心支撑钢框架设计时需要通过内力放大系数调整梁柱截面以抵抗耗能梁段的应变硬化效应,导致用钢量增大和节点连接困难.根据"相对强弱"的抗震思想,可将高强度钢材引入基本处于弹性的钢框架部分,耗能梁段采用屈服点较低钢材,形成高强钢组合偏心支撑钢框架.为研究这种新型结构的抗震性能和用钢量优势,采用ANSYS对2榀单层剪切屈服机制的K形偏心支撑钢框架进行了非线性有限元分析,其中考虑材料非线性和几何非线性.结果表明在相同应力比设计原则下,对同一耗能梁段采用高强钢框架可以节省约14%的用钢量,而抗震性能与普通偏心支撑钢框架相当.

关键词：高强钢偏心支撑抗震性能用钢量非线性有限元

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大直径浅圆钢筒仓卸料动态作用研究

大直径浅圆钢筒仓卸料动态作用研究

作者：段留省西安建筑科技大学

学位级别：硕士

大直径浅圆钢筒仓作为散料贮存构筑物广泛应用于诸多领域,而关于其卸料过程中贮料动态作用的机理、大小和分布仍缺乏统一的认识和有效的计算方法,为此对该类筒仓的卸料动态作用进行了3-D非线性有限元分析。为验证有限元分析结果的可靠性... 详细信息

大直径浅圆钢筒仓作为散料贮存构筑物广泛应用于诸多领域,而关于其卸料过程中贮料动态作用的机理、大小和分布仍缺乏统一的认识和有效的计算方法,为此对该类筒仓的卸料动态作用进行了3-D非线性有限元分析。为验证有限元分析结果的可靠性,先对静态贮料作用进行分析并对照相关研究成果。模型中贮料本构关系服从Drucker-Prager屈服准则,在仓壁与贮料间建立计入柔性变形的面-面接触对,同时考虑材料非线性和几何非线性的影响。采用瞬态动力法模拟卸料过程,并对贮料特性和筒仓尺寸进行参数化分析。结果表明卸料动态作用受杨氏模量、泊松比和滑动破裂面倾角的影响较大;卸料侧压力峰值一般出现在转换连接处;非线性有限元能直观地反映贮料与仓壁的接触状态、摩擦滑移和接触力分布情况,可作为大直径浅圆钢筒仓贮料荷载作用的分析计算工具。

关键词：钢筒仓大直径卸料动态作用接触瞬态分析非线性

高强钢组合Y形偏心支撑钢框架抗震性能试验研究

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建筑结构学报 2014年第7期35卷 89-96页

作者：段留省苏明周焦培培郝麒麟西安建筑科技大学结构与抗震教育部重点实验室陕西西安710055

高强钢组合Y形偏心支撑钢框架是耗能梁段采用较低屈服点钢材、其他构件采用高强钢的双重抗侧力结构体系。为研究其抗震性能,对4个1∶2缩尺的单层单跨高强钢组合Y形偏心支撑钢框架平面试件进行了单调和循环加载试验。根据耗能梁段长度将... 详细信息

高强钢组合Y形偏心支撑钢框架是耗能梁段采用较低屈服点钢材、其他构件采用高强钢的双重抗侧力结构体系。为研究其抗震性能,对4个1∶2缩尺的单层单跨高强钢组合Y形偏心支撑钢框架平面试件进行了单调和循环加载试验。根据耗能梁段长度将试件分为剪切屈服型和弯曲屈服型两类,分别研究了每类试件的破坏模式和主要抗震性能指标。研究结果表明,该结构耗能能力强、延性好,剪切屈服型试件的承载力比弯曲屈服型试件的高,延性也好于后者,相同位移下耗散的能量也较后者大。循环加载时,剪切屈服型试件的破坏集中于耗能梁段,此时钢框架基本处于弹性工作状态,残余变形较小,是一种有利于震后修复的双重抗侧力体系。

关键词：高强钢框架 Y形偏心支撑耗能梁段单调加载循环加载抗震性能

基于FEM的足尺落地式浅圆钢筒仓静态贮料作用分析

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西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2012年第1期44卷 55-59页

作者：段留省陈向荣西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055 西部建筑科技国家重点实验室(筹) 陕西西安710055

准确计算贮料对仓壁的作用,是大直径浅圆钢筒仓安全设计的前提.为此,采用有限单元法(FEM)对足尺落地式浅圆钢筒仓的静态贮料作用进行了数值模拟分析,包括小麦、铁矿石散粒、石英砂和水泥散料,其本构关系服从Drucker-Prager屈服非关联流... 详细信息

准确计算贮料对仓壁的作用,是大直径浅圆钢筒仓安全设计的前提.为此,采用有限单元法(FEM)对足尺落地式浅圆钢筒仓的静态贮料作用进行了数值模拟分析,包括小麦、铁矿石散粒、石英砂和水泥散料,其本构关系服从Drucker-Prager屈服非关联流动准则.采用3-D模型同时模拟了贮料和筒仓,建立考虑变形的面-面接触对,以更好地反映贮料对仓壁的静态作用.将FEM模拟值与国内外筒仓规范的计算结果进行了对比分析,并讨论了贮料力学参数的影响,表明FEM可作为一种准确、可靠的钢筒仓静态贮料作用计算工具.

关键词：钢筒仓落地式静态侧压力贮料接触 FEM