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箱形截面钢-混凝土组合连梁的抗震性能
郑博文;张文元
【期刊名称】《建筑结构》
【年(卷),期】2024(54)1
【摘要】对一种箱形截面钢-混凝土组合连梁展开研究,通过有限元模拟和理论分析对其屈服模式、抗震性能进行了深入探索。
对不同参数取值下组合连梁的屈服模式进行对比分析,基于组合连梁长度与屈服承载力的关系,给出屈服模式的判定准则,研究了不同参数对组合连梁屈服模式的影响规律。
结果表明:减小截面高度、钢腹板高厚比、钢材屈服强度、混凝土强度,增大剪跨比、钢翼缘宽厚比、截面高宽比等措施均使耗能梁段更容易弯曲屈服。
轴向受压时,弯曲屈服型构件的延性普遍优于剪切屈服型构件;轴向受拉时,剪切屈服型构件的延性优于弯曲屈服型构件。
剪切屈服型构件的弹性段刚度、屈服荷载、极限荷载以及能量耗散系数普遍大于弯曲屈服型构件。
【总页数】9页(P9-16)
【作者】郑博文;张文元
【作者单位】哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室;哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TU398.2
【相关文献】
1.十字形截面钢-混凝土组合异形柱的抗震性能
2.宽幅大跨预应力混凝土波形钢腹板组合箱梁桥抗震性能研究
3.钢箱-混凝土组合截面梁的力学性能初步试验研究
4.方钢管混凝土柱-外包U形钢混凝土组合梁节点抗震性能试验研究
5.T形截面钢管混凝土组合柱-钢筋混凝土梁加强环筋连接节点抗震性能试验研究
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原创] midas的SPC 应用一、简介MIDAs里的SPC是"截面特性值计算器—Sectional Property Calculator〞的缩写。
其功能就是线条生成plane〔平面〕截面或lane(线性)截面。
但其强大的功能被人们6.71版本的SPC是V1.2，2010的是V1.5.1 低版本无法翻开高版本的。
二、将D*F截面导入midas杆单元的D*F文件可以直接导入，方法：文件—导入—D*F。
但截面的D*F文件就只能通过SPC来转换了。
强大的SPC功能将解决MIDA**ont]部定义截面缺乏的问题。
方法如下：1 在CAD里将截面画好，可将不同截面放在一个文件中，跟图层无关。
单位无所谓，但要和SPC的单位一致，比方CAD中用mm单位。
SPC也用这个2 在MIDA**ont=宋体]里〔新建文件后〕在工具里选择"截面特性计算器〞，这个界面是全英的。
进去后会提示你选择单位，和CAD的一致就OK。
一般用mm。
File-impot-d*f然后选择自己画的D*F所在的位置。
此时成功导入D*F到SPC。
是否Intersection就是要把节点穿插的线型进展划分。
3 对导入的截面进展计算。
方法：Model-section-generate(生成)点select按钮把截面〔此时还只能说是线条〕全选。
Type里面选择Plane，也可以勾选"calculate proterties now〞但建议这个分另外一步进展，因为如果有组合截面的话要进展更改。
然后进展截面计算，方法：proterty-calculate。
此时已经划分网格进展特性的计算。
可以通过list 查看特性值。
4 此时如果针对一般的截面，就可以导出sec截面了。
方法：model-section-e*port。
注意：file-save是保存成SPC格式的file-e*port可以导出图画。
Proterty-e*port 可以导出MCT文件，该文件也可以在Mida**ont]里运行，生成截面，低版本可以用，这样生成的截面不可显示。
操作例题 - 2- “Mechanics of Materials” (Gere and Timoshenko, 3rd Ed.), “5.11 Composite Beams”, Example 2 -计算如<图 23>所示的联合截面特性值。
联合截面只能以Plane截面形式表示。
首先点击工具条的(Setting )图标在General 里将单位设定为kgf 、mm ,取消Display 里的Coordinate Axis 的Display 选项。
然后点击工具的 (Zoom Auto-Fit ) 图标，使整个建模的过程中都可以按比例自动对齐。
点击工具条里的 (Grid Setting ) 图标，将Grid Size 设为 10。
调出 Model>Curve>Create>Rectangle 菜单。
如<图24-(1)>所示，在生成矩形对话框里的Point 1 栏内输入0, 0, Dx, Dy 栏里输入100, 150后点击E=7 kgf/mm 2, ν=0.25E=140 kgf/mm 2, ν=0.25100mm 150mm12mm<图 23> 例题联合截面<图 24-(1)> 生成矩形对话框<图 24-(2)> 生成矩形对话框Apply 按钮。
继续在 Dx, Dy 栏输入 100, -12后点击Apply 按钮。
(图24-2） 由此建立了联合截面。
调出Model>Section>Generate 菜单。
通过窗口选择选择全部的线，在<图25-(1)>的生成截面对话框里选择Type 的Plane , 在Name 栏里输入 Composite-Sect 。
生成截面后，因为还没有指定各部分的材料，所以关闭 Calculate Properties Now 选项，只生成截面。
点击Apply 按钮会出现<图25-(2)>所示的画面。
钢-混凝土组合梁2015钢-混凝土组合梁(以下简称组合梁)是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型梁，通常其肋部采用钢梁，翼板采用混凝土板，两者间用抗剪连接件或开孔钢板连成整体。
抗剪连接件是钢梁与混凝土板共同工作的基础，它沿钢梁与混凝土板的交界面设置。
两种材料按组合梁的形式结合在一起，可以避免各自的缺点，充分发挥两种材料的优势，形成强度高、刚度大、延性好的结构形式。
近几年，钢-混凝土组合梁在我国的应用实践表明，它不仅可以很好地满足结构的功能要求，而且还具有良好的技术经济效益。
钢-混凝土组合梁的特点钢-混凝土组合梁可以广泛的用于建筑结构和桥梁结构等领域。
对比钢梁和钢筋混凝土梁，钢-混凝土组合梁具有以下主要特点：(1)由于混凝土板与钢梁共同工作，可以充分发挥钢材与混凝土材料各自材料特性；另外，钢-混凝土组合梁与钢板梁相比节省钢材约20％-40％，可以降低造价。
(2)增大梁的截面刚度，降低梁的截面高度和建筑高度。
(3)组合梁的混凝土受压翼板增加了梁的侧向刚度，防止了主梁在使用荷载下的扭曲失稳。
(4)降低冲击系数，抗冲击、抗疲劳和抗震性能好。
(5)可以节省施工支模工序和模板，有利于现场施工。
钢-混凝土组合梁发展钢-混凝土组合梁结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，其与木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构并列，已经扩展成为第五大结构(组合结构)，它是通过连接件把钢梁和混凝土板连接成整体而共同工作的受弯构件。
在荷载作用下，混凝土板受压而钢梁受拉，充分发挥钢材与混凝土的材料特性，实践表明，它兼顾钢结构和混凝土结构的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，将成为结构体系的重要发展方向之一，作为组合结构体系中重要的横向承重构件的钢-混凝土组合梁在建筑及桥梁结构等领域必将具有广阔的应用前景。
其发展过程大致经历以下四个阶段：1、20世纪20年代--30年代。
萌芽阶段。
钢一混凝土组合梁的研究始于1922年，MackayMH在加拿大Domion桥梁公司进行了两根外包混凝土钢梁试验，同时英国国家物理实验室也进行了外包混凝土钢梁的试验，随后在30年代中期出现了钢梁和混凝土翼板之间的多种抗剪连接构造方法，可以看到处于萌芽阶段的研究主要集中于考虑防火需要的外包混凝土钢梁及实用连接件的研究，而未考虑两者的组合工作效应，这一阶段探索性的研究为后续钢-混凝土组合梁的蓬勃发展奠定了一定的基础。
超详细的SPC材料统计在制程管制之应用(SPC) 1目录一、SPC的应用步骤二、数据统计方法的基础三、母集团、样本与数据的关系四、统计量与计算方法五、直方图六、管制图七、制程能力调查 2一、SPC的应用步骤我们知欲推动SPC有一个观念是须先确立的，因SPC它不只单是一个统计技术也是一个制程管制的系统，并可向前延伸至进料管制系统，向后延伸至成品出货管制系统，所以欲推动SPC时，必须要先从整个系统设计开始，方能达到维持制程与提升制程能力的目的。
而事实上，每一个公司的历史背景、文化、组织气候皆有所不同，所以在系统的设立上必有所不同，当然在统计技术这方面已成为一个世界性的语言了，故我们在此所提供之SPC的应用步骤，仅为业界参考，可依公司之现状与组织气候酌为调整，在此要腔调的为SPC不是一个观念，而是要行动的，希望大家能够实际的去施行这是最重要的一点。
步骤一:确定制程流程,首先制程程序要明确，依据制造绘制制造流程图，并依据制造流程图工程品质管理表。
步骤二:决定管制项目,如果把所有对品质有影响的项目，不论大小、轻重缓急一律列入，或把客户不很重视的特性一并管制时，徒增管制成本浪费资源且得不偿失。
反之，对方如果重要的项目未加以管制时则不能满足设计者、后工程与客户的需求，则失去管制的意义。
步骤三:实施标准化,欲求制程管制首先即得要求管制安定，譬如在风浪很大的船上比赛乒乓球，试问能否确定谁技高一筹，故制程作业的安定是最重要的先决条件。
所以对于制程上影响产品品质的重要原因，应先建立作业标准，并透过教育训练使作业能依此标准进行。
步骤四:制程能力调查,为了设计、生产、销售客户满意且愿意购买产 3品，制造该产品的制程能力务必符合客户的需求。
因此制程的能力不足时，必须进行制程能力的改善，而且在制程能力充足后还必须能继续维持，所以在品质管理的系统中制程能力的掌握很重要。
步骤五:管制图的运用,SPC的一个基本工具就是管制图，而管制图又分计量值管制图与计数值管制图，其内又分各种的计量值与计数值管制图，所以如何选用适当的管制图，并将管制图上的三条线画好，是做好SPC的重要作业。
关于SPC 数值型截面应力输出点的补充说明现状：目前spc 在自动输出数值型截面的应力计算点1~4时，采用的输出原则是：将形心轴上下两侧截面控制点（point ）所处截面最宽位置，如下列图所示的鱼腹截面，根据这个原则输出的是粉色表示的1~4号位置。
图2是阶梯形截面，按照这个原则输出就是图示所示的位置。
而在我们通常的截面检算时，更关心的是截面的上缘和下缘的应力结果，目前采用的计算点选取原则是按照截面宽度最大原则来选取的，就会出现上两图所示默认计算位置并非截面上、下缘位置。
注意事项：无论采用哪种原则来输出截面应力计算点位置，都要求截面轮廓线条不宜过长，尽量细化截面轮廓，尤其是对曲线轮廓的截面。
因为由spc 计算得出的应力计算点1~4都具有可以人为修改的功能，因此在使用前要养成先确认应力计算点位置再执行计算分析的好习惯。
目前关于钢梁LINE 型截面和混凝土PLANE 型截面，都可以导出*.sec 文件。
LINE 截面可以在MIDAS/Civil中的截面〉数值〉任意截面中导入，而plane 截面除可以在任意截面中导入外，还可以在截面〉设计截面〉设计用数值截面中导入，此时需要指定设计用参数。
关于各设计用参数的含义可参考技术资料“数值型截面设计参数的含义”。
在数值型截面中导入line 型截面时，在截面对话框左下角有截面特性值计算方法的选项，如右图所示——“FEM ”表示按照截面网格积分法重新计算截面特性，“方程”表示按照薄壁闭合截面简化公式计算截面特性。
对于薄壁闭合构件通常建议使用line 形式截面模拟，使用Plane 也可以准确计算薄壁截面的各项截面特性值，但因为Plane 截面定义时需要已知截面的内外轮廓线，因此对于一些截面壁厚很薄的截面，可能因为无法得到很好的网格划分而无法计算截面特性，即使可以计算截面特性，过细的网格划分在计算截面特性时会占用很长的时间，因此比较而言，对于薄壁截面建议使用line 截面来模拟。
midas Civil 技术资料----SPC实例操作详述目录midas Civil 技术资料1 ---- SPC实例操作详述11 SPC总述22 混凝土截面22.1混凝土截面SPC操作步骤22.2三种方法计算混凝土截面特性对比63 钢箱梁截面73.1钢箱梁截面SPC操作步骤83.2数据库/用户截面特性与SPC对比134 组合截面144.1组合截面SPC操作步骤15参考文献20北京迈达斯技术有限公司桥梁部2013/05/061 SPC总述midas Civil→工具→截面特性计算器SPC是“截面特性值计算器—Sectional Property Calculator”的缩写。
Civil截面库提供很多截面供用户选择，但并非涵盖所有工程截面，故为方便与绘图软件AutoCAD交互操作，用户可使用Civil提供的SPC工具实现任意截面的计算并导入，完成分析和设计。
SPC一般步骤为：导入AutoCAD DXF文件或直接在SPC中绘制图形→生成截面→计算截面特性→导出.sec文件→导入Civil中生成相应截面。
2 混凝土截面2.1混凝土截面SPC操作步骤（1）打开SPC，首先进行工作环境设置：Tools>Setting，length长度单位设为m，保持与DXF文件长度单位一致，如下图2-1所示；同时应确保DXF文件中的截面线无重叠，在DXF中把要导入的截面放在当前图层的x-y平面内，另外暂不支持DXF中pline线导入SPC，具体步骤：File>Import>Auto CAD DXF，如下图2-2所示。
Tolerance：长度容许误差。
一般情况下，程序会根据设定的单位体系自动进行合理的调整，设计者也可以手动进行修改，默认值为1mm。
图2-1设置单位体系图2-2导入DXF文件Angle step：默认10°，将曲线段按每10°为一段进行分割，例如，导入圆形截面，圆周则被自动分割成36段直线。
Translation：Tx、Ty分别表示截面导入后在X轴和Y轴的偏移距离。
Rotation：Rz表示截面导入后绕Z轴旋转的角度，逆时针旋转为正。
导入DXF截面文件后，有时会弹出如下对话框，其是确保截面中没有重复线，可以通过Model>Curve>Interesect中进行交叉计算来进行检查分割。
（2）选择Plane形式，生成截面：Model>Section>Generate。
Plane形式的截面需要在CAD中画出截面实际形状，导入后在Generate section里选择Plane Type，程序会按照截面形状所指定的范围自动生成截面。
计算截面特性值时，程序会通过自动划分网格功能或人为指定网格尺寸在截面的Plane范围内生成网格，之后利用该网格有限元计算截面特性值。
图2-3生成Plane截面选择Plane形式时，可以勾选是否合并为直线“Merge Straight Lines”，合并标准为当直线间角度小于某一值时，默认为2°，比如：Civil 805之前版本的SPC双向横坡截面，当横坡线角度小于2°时，程序会自动将横坡线合并为一条直线，而导致双向横坡截面转换成了无横坡截面，大家在此注意一下。
另，若同时勾选图2-3中Calculate Property Now计算截面特性（也可下一步进行计算），但是对于截面中存在细长区域时建议通过下一步骤指定网格划分条件后再计算截面特性，因为直接在生成截面同时计算截面特性可能会导致网格划分过粗，导致出现截面剪切面积无法计算等问题。
（3）计算截面特性：Property>Calculate Section Property，选择生成的截面，设定网输入网格划分的尺寸定义，尺寸越小，计算精度越好，但计算速率降低，一般以不小于最薄截面处厚度的一半为宜。
选择Pause after Each Calc.，可以在窗口中显示出截面划分的网格单元情况及数目，如图2-4示。
图2-4计算Plane截面特性（4）显示截面特性计算结果：Property>List Section Property，如图2-5所示。
图2-5列出截面特性截面特性内容包括截面面积Area、剪切面积SAx/SAy、截面抗弯惯性矩Ixx/Iyy、截面惯性积Ixy、截面扭转惯性矩J及截面四个角点坐标。
Plane形式截面计算扭转惯性矩J时，首先利用有限元方法及Prandtl应力函数[1]，通过对应力函数进行积分计算抗扭刚度。
注：Prandtl应力函数即为扭转应力函数，由普朗特Prandtl提出，详细可参考徐芝纶《弹性力学》中第十章中内容。
（5）导出截面特性，SPC有多种导出截面形式，对于混凝土截面一般是通过Model>Section>Export>MIDAS Section File，保存成为sec类型截面文件，此截面文件导入到civil中消隐可以显示出实际截面形状。
图2-6导出sec截面选择MIDAS Section File截面类型，点击File Name按钮，如上图2-6所示，定义文件名为混凝土截面.sec，点击保存、退出，选中计算完毕的截面，点击Apply适用。
图2-7混凝土sec截面导入到设计用数值截面意截面或midas Civil 特性>截面>设计截面>设计用数值截面导入生成相应截面。
其中设计截面>设计用数值截面需要输入设计参数和剪切验算位置，如图2-7所示，参数设置具体可参考桥梁荟2月刊。
图2-8混凝土sec截面导入到数值截面中任意截面数值>任意截面，可以不用输入相关参数，如上图2-8所示，但是，此种形式导入的截面不支持梁和柱的设计，仅在柱抗震设计时可采用该类型截面。
2.2三种方法计算混凝土截面特性对比将SPC计算的截面特性分别与CAD计算结果及Civil数据库中的截面特性计算结果对比如下：首先是CAD面域计算结果，如图2-9所示；图2-9 CAD中面域计算结果其次，采用Civil中设计截面中单箱多室2截面输入参数，输入截面参数及计算结果如图2-10所示；图2-10 Civil中设计截面中“单箱多室2”计算结果三种方法计算结果对比汇总如下：表2-1三种方法计算混凝土截面特性对比对比看到三种方法计算结果中的面积、惯性矩基本上可以对应起来，只是后两种方法中的抗扭惯性矩Ixx略有差别，差值约有1%。
分析原因：Civil设计截面与SPC计算截面特性时网格划分精度不同。
有限元网格划分的精细程度直接影响最终的计算结果。
3 钢箱梁截面对于薄壁钢结构截面及分离式截面需要通过Line的形式生成截面，在CAD中画出截面各部分中心线或是内外轮廓线即可,如下图3-1示，红色部分为箱梁实际截面形状，蓝色部分为截面各部分中心线组成的截面，也即是后续导入到SPC中的截面。
同样，若采用SPC 自带画图功能时，也只需将截面各部分中心线或内侧轮廓线或外侧轮廓线画出即可。
图3-1 CAD中line截面图示3.1钢箱梁截面SPC操作步骤(1)首先进行工作环境设置：:Tools>Setting，导入DXF文件：File>Import>Auto CAD DXF。
图3-2设置单位体系图3-3导入DXF文件（2）指定线宽：Model>Curve>Change Width，根据截面各部分实际宽度分别指定其宽度，以顶底板、腹板宽度16mm为例，按Ctrl键依次将顶底板与腹板中心线选中，如图3-4红色部分所示；Alignment对准方式包含四种选择：Center选项与截面中心线对应，表示向图3-4指定线宽两侧扩展宽度；Left表示由线的起点到终点方向的左侧扩展宽度，Right表示由线的起点到终点方向的右侧扩展宽度，与截面的内外侧轮廓线对应；Left<->Right功能表示Left与Right 两种扩展宽度方式的切换；Width：输入窗口中选中线的宽度，即此处截面的实际宽度，单位与前面设置单位体系一致。
宽度不同的线，可以分别选中，赋予其对应的宽度。
其他部分如U肋等的设置宽度方式同上，在此不赘述。
图3-5指定闭合区域（3）指定闭合：Model>Curve>Closed Loop>Register，对于闭合截面，需要指定闭合区域，如下图3-5中顶底板和腹板组成的闭合区域，若对于闭合截面没有指定闭合区域会导致截面惯性积Ixy与扭转惯性矩J计算不准确。
如果截面本身不存在闭合区域，那么此步骤可以省略。
另外对于单箱多室的钢箱梁截面，可以只指定由顶底板和外侧腹板组成的闭合区域，这样计算得到的扭转惯性矩J比分别指定每个箱室的闭合区域计算得到的小，计算结果偏保守。
（4）生成截面，选择Line形式，Model>Section>Generate，如图3-6所示。
对于薄壁截面，只需在CAD中画出截面各部分的中心线或轮廓线，导入SPC后可先指定线的宽度生成实际截面形状，然后在Generate section里选择Line Type生成截面，Line截面通过简化公式计算截面特性，其中抗扭刚度是根据剪力流(Shear Flow)原理计算的，假设剪应力沿壁厚均匀分布，则剪力流为常数，根据自由扭转扭矩的近似计算公式可以反推出抗扭刚度。
另外，对于分离式钢结构截面，只能通过Line形式生成截面并计算输出。
对于截面厚度特别小的时候，若以Plane截面操作很难在又窄又长的领域内自动生成适当的网格，虽然在截面特性计算对话框里的Mesh Size可以直接指定网格的大小，但是这样会增多网格的个数，降低计算效率，所以薄壁钢结构截面尽量使用Line形式截面计算。
图3-6生成Line截面（5）计算截面特性：Property>Calculate Section Property，选择生成的截面，无需设定网格划分条件，因网格划分条件是针对于Plane类型截面，故，直接点击Apply即可。
图3-7计算Line截面特性（6）列出计算完成的截面特性Property>List Section Property图3-8列出Line截面特性由图3-8可知，Line类型生成的截面不计算剪切面积SAx、SAy，其他截面特性值同前述的混凝土截面特性分项说明，洋红色区域即设置闭合（Register Closed Loop）的区域。
（7）导出截面Model>Section>Export。
图3-9导出sec截面选择MIDAS Section File截面形式，然后点击File Name按钮，如图3-9所示，定义文件名为钢箱梁截面.sec，点击保存、退出，选中计算完毕的截面，点击Apply适用。
