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工程科学与技术,国际期刊22(2019)533完整文章B/D比对水平曲线箱形钢梁在面外集中荷载作用下极限承载力的影响Bashar Abid Hamza,Ahmed Riyadh Radhi,Qais Al-Madhlom巴比伦大学工程学院/Al-Musaib阿提奇莱因福奥文章历史记录:2018年6月17日收到2018年9月17日修订2018年9月19日接受在线发售2018年A B S T R A C T本研究旨在探讨等截面(不设弯边)水平曲线钢箱梁在跨中单一集中荷载作用下的最佳宽高比(b/d)。本研究采用空间非线性有限元素分析法,对钢箱形截面水平曲梁在静载作用下进行分析。钢单元采用20节点等参砖单元,塑性变形应力水平的屈服准则采用Von-Mises准则。钢在拉压应力作用下的行为模拟制作了一个半圆形两跨连续水平曲线钢箱梁,进行了跨中两点荷载作用下的试验,并与NFHCBSL程序的计算结果进行了比较。总体而言,所采用的有限元模型预测的结构响应的水平曲线钢箱梁的荷载-挠度响应估计的测试结果有很好的一致性。b/d比的影响被认为是在相同的横截面面积下取不同的值(20-100)%。同时,从半圆梁到直梁,分别考虑不同的曲率值,研究了曲率对梁弯曲性能的影响。 结果表明,在0 °~ 90°的曲率范围内,最佳b/d值在0.3 ~ 0.4之间;在90 ° ~ 180°的曲率范围内,最佳b/d值在0.4 ~ 0.5之间。试验结果还表明,承载能力随梁曲率的增大而减小,与b/d比值的大小无关。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 背景和以往的研究本文的研究背景是对曲线桥梁中常用的钢箱梁进行数值模拟和试验研究Culver和Christiano[1]从使用柔度法的计算机程序中使用的曲梁控制微分方程并将计算结果与缩尺模型两跨连续工字形曲线梁桥的静力试验结果进行了比较Brennan[2,3]开发了一个分析曲线钢桥的三维计算机将计算结果与实验结果进行了比较Mozer等人[4]对八弯钢板梁桥缩尺模型进行了静力试验。梁在高剪切力、高弯曲力以及高弯曲力和剪切力的组合下进行了测试的评估由Karabuk大学负责进行同行审查通过与试验结果的比较,开发了将结构模拟为网格的计算机程序Fam和Turskstra[5],对简支曲线Plexi-Plexi单室箱梁桥进行了实验测试。结果被用来评估有限元程序的分析数据研究表明,实验和分析解决方案之间的良好协议Heins和Oleinik[6]采用有限差分法求解Vlasov计算的力和相应的应力包括弯矩和剪力、翘曲扭转、纯扭转和双弯矩。Sisodiya等人[7]采用有限元法对单箱梁斜弯桥进行了分析他们用矩形单元表示腹板,用三角形或矩形单元表示翼缘。Fukumoto和Nishida[8]对六根简支曲线工字形梁进行了试验研究。本研究旨在探讨截面尺寸、曲率半径及跨长变化对三点弯曲的影响编制了计算结果与室内试验结果吻合较好Yoohttps://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.09.0072215-0986/©2018 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestch534B.A. Hamza等人/工程科学与技术,国际期刊22(2019)533× ×和Carbine[9]对不同截面和曲率半径的热轧弯曲工字形截面钢宽翼缘梁的极限荷载进行了实验研究在三个点施加载荷,并将结果与计算机生成的结果进行比较Shan-mugam等人。[10]进行了一系列孤立曲线工字形梁的试验研究试验的目的是研究工字梁的极限承载力。试验结果与有限元计算结果相吻合. Luo和Li[11]基于薄壁曲杆理论和势能变分原理,建立了考虑剪力滞、弯曲和扭转的薄壁曲线箱梁的一种用于近似Reissner法纵向翘曲位移函数的三次抛物线Luo等人[12]研究了箱形梁的剪力滞效应。为此,进行了变高度三跨连续箱梁实验结果进行了检查,以验证开发的有限段模型。实验结果与数值计算结果基本吻合.为了评估当前AASHTO指南规范,Huang[13]对退伍军人纪念馆曲线钢箱梁桥进行了现场试验试验和分析结果表明,简支曲线梁端部第一横向加劲肋的间距可以很保守。Jerad[14]对四座带有半整体式和整体式桥台的水平曲线钢工字梁桥进行了分析和试验研究试验工作的重点是监测和寻找桥梁的短期和长期响应。分析工作采用商业有限元分析软件建模的桥梁。得出的主要结论是:活载弯矩分配系数主要受曲率的影响。对于极端梁,在热载荷下的轴向应力为6.4 ksi,而在其他总载荷下的相应值为11.6 ksiAl-Mutairee和AbdulAbbas[15]对使用CFRP层压板加固水平弯曲钢梁、I型梁进行了分析编制了钢-胶-碳纤维复合材料非线性有限元分析程序NFASAC。静力参数研究表明,碳纤维布厚度的增加导致显着增加的弹性和极限载荷。CFRP层合板的使用可以约束钢曲梁,减小扭转角和侧向变形。2. 研究目标本文的主要目的是探讨等截面(无加劲肋)水平曲线钢箱梁的最佳宽高比(b/d)。研究了梁曲率对梁的b/d比、极限荷载和挠度的影响。3. 有限元理想化3.1. 钢的代表性将水平曲线箱形钢梁按其长度、宽度和深度划分(离散)为砖单元。本文采用三维20节点等参二次砖4. 钢的理想行为基于Von-Mises准则的弹塑性-理想塑性关系用于模拟水平曲线钢箱梁的性能,如图所示。1.一、fy苏苏fyFig. 1.钢的理想双线性应力-应变关系5. 数值积分在大多数有限元分析中,单元刚度矩阵不能通过解析方法获得。因此,为了完成计算单元刚度矩阵所需的积分,一体化具有到被采用的27(三)33)采用点高斯积分规则在计算机程序中。图二、主应力空间中冯-米塞斯屈服面的三维图三.迭代B.A. Hamza等人/工程科学与技术,国际期刊22(2019)5335358A= 2500 mm2 ,E=200 GPa,y=300 MPa,L=4000mm(一)(b)第(1)款图8.第八条。曲梁的几何形状、属性和截面细节(a):曲梁的平面图;(b):梁的横截面。见图4。 测试中使用的装载机。E=200 GPa,y=320 MPa,ν=0.3所有尺寸单位为mm6. 钢的屈服准则冯-米塞斯屈服准则(图1) 2)已被用于观察钢材料塑性变形开始时的应力值[16]。屈服准则可以写为第3页第2页第0页第1页表1本研究中考虑的(bf* *t<$2bd-p4bd2-p16A,A=2500m m2,b=(b/d)d。表2本研究中的(h)和R值所有尺寸单位为mm见图6。 试验梁880块砖单元的有限元网格。300直线梁1*R = L(4000 mm)/h。2502001501005000 5 10 15 2025中跨挠度,mm(a)(b)见图7。试验梁荷载-挠度曲线的试验与理论比较。见图9。梁的784个砖单元的有限元网格。(a):沿梁网格;(b):横截面网格。有EXP载荷,kN图五. 试验梁的几何形状和性能。桶/日直径(mm)b,(mm)t,(mm)**0.223146.24.66650.322166.34.49130.421284.84.33840.52001004.28930.6197118.24.07090.81851483.84241.01751753.6474HR(mm)45°5092.9690°2546.48135°1697.65180°1273.24536B.A. Hamza等人/工程科学与技术,国际期刊22(2019)5331123其中J2等于:J2¼3mm。r2r2r2-r1·r2r2·r3r3·r126.1.非线性求解技术在这项研究中,增量迭代技术被用来进行非线性有限元分析,图3.第三章。外部见图10。 梁跨中荷载-挠度曲线(a)h =p;(b)h =p;(c)h =3p;(d)h =p;(e)直梁。4 2 41101009080706050403020100百分之二十百分之三十百分之四十百分之五十百分之六十百0 5 10 15 20 25 30 3540垂直位移(mm)(a)曲率角,θ=1009080706050403020100百分之二十百分之三十百分之四十百分之五十百分之六十百分0 10 20 30 40 50 60 7080垂直位移(mm)(b)曲率角,θ=9080706050403020100百分之二十百分之三十百分之四十百分之五十百分之六十百010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120垂直位移(mm)(c)曲率角,θ=70605040302010百分之二十百分之三十百分之四十百分之五十百分之六十百0020406080 100 120 140 160 180垂直位移(mm)(d)曲率角,θ=载荷(P),kN1101009080706050403020100百分之二十百分之三十百分之四十百分之五十百分之六十百分之八十1000 5 10 15 20 25 30 35垂直位移(mm)(e)曲率角,θ=0°(直型)载荷(P),kN载荷(P),kN载荷(P),kN载荷(P),kNB.A. Hamza等人/工程科学与技术,国际期刊22(2019)533537≤≤ ≤≤≤ ≤逐渐施加载荷,并执行复制以获得与所考虑的载荷阶段相对应的相应解。在每次迭代时形成刚度矩阵,这可以给出更精确的结果,但是可能需要大量的运算工作来形成和分析刚度矩阵。7. 收敛准则本文所考虑的力收敛准则。直接观察到不平衡力的重新分布。平衡的终止由剩余不平衡节点力的大小来估计。收敛准则可以表示为:qfragT·frag不采用NFHCBSL程序对35根梁进行了分析。10. 参数研究如图10时,对于曲率角(0 ° h90°)<,b/d比的最佳值在(0.3)~(0.4)之间,而对于曲率角(90 ° h 180°),b/d比的最佳值在(0.4)~(0.5)之间。此外,无论b/d比的值如何,曲梁的承载能力都随着曲率的增加(由于扭矩的增加)而降低。当h = 45 °时,承载力比直梁降低3%;当h = 180°时,承载力比直梁降低33%。11. 结论ff g · ff g≤规定公差1. 数值计算和实验结果的比较证实其中{r(a)}是不平衡残余力矢量,{f}是外部载荷矢量。8. 与实验工作的为了检验[17]编写的NFHCBSL计算机程序模拟水平曲线钢箱梁行为的有效性和准确性,制作了一个半圆形两跨连续水平曲线钢箱梁,并在梁跨中的两个点荷载试验采用2000 kN液压试验机进行,如图4所示。试样的内径为1050 mm,外径为1250 mm,横截面尺寸的总深度为150 mm,宽度为100 mm,腹板和凸缘厚度分别为2.8mm和3.8 mm材料的弹性系数为20万MPa,屈服强度为320 MPa,泊松比为0.3。 图图5示出了曲梁的几何形状、特性和载荷。如图6所示,当曲梁被分成880个单元时,得到跨中挠度结果的收敛性。通过荷载-挠度曲线和极限荷载将有限元计算结果与试验结果进行对比。一般来说,可以注意到,在特定的行为范围内,有限元分析结果与实验结果之间具有良好的一致性,如图所示。7.第一次会议。试验结果与NFHCBSL试验结果之间的极限荷载最大差异约为2.3%。9. 参数研究为了寻求水平曲线钢箱梁的最佳b/d比,对35根截面积为2500mm2、长度为4000 mm、两端边界条件固定的等截面钢箱梁进行了(b/d)比的值为(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8和1.0)。研究了(b/d)比的各个值门控(h= 45°、90°、135°、180°和直光束),如图8所示。对于每个参数研究,钢截面的材料属性是固定的,假定为200,000 MPa、300MPa、0.3弹性系数,屈服强度和泊松比,分别。所研究病例的信息可总结于表1和表2。对b/d = 1.0、曲率h=45°时跨中挠度的收敛性研究表明,采用20节点等参砖单元将目前水平弯曲钢箱梁划分为784个单元,如图9所示,其中后两个网格之间的差异为2.6%。则数值分析对极限荷载相差率为2.3%的水平曲线钢箱梁受力性能的有效性。2. 对于曲率角为0 h 90°的曲线钢箱梁,b/d比的最佳值在0.3 ~ 0.4之间,而对于曲率角为0 h 90°的曲线钢箱梁,b/d比的最佳值在0.4 ~(0.5)曲率角(90°
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