For the spatially coupled free vibration analysis of composite box beams resting on elastic foundation under the axial force, the exact solutions are presented by using the power series method based on the homogeneous form of simultaneous ordinary differential equations. The general vibrational theory for the composite box beam with arbitrary lamination is developed by introducing Vlasov°Øs assumption. Next, the equations of motion and force-displacement relationships are derived from the energy principle and explicit expressions for displacement parameters are presented based on power series expansions of displacement components. Finally, the dynamic stiffness matrix is calculated using force-displacement relationships. In addition, the finite element model based on the classical Hermitian interpolation polynomial is presented. To show the performances of the proposed dynamic stiffness matrix of composite box beam, the numerical solutions are presented and compared with the finite element solutions using the Hermitian beam elements and the results from other researchers. Particularly, the effects of the fiber orientation, the axial force, the elastic foundation, and the boundary condition on the vibrational behavior of composite box beam are investigated parametrically. Also the emphasis is given in showing the phenomenon of vibration mode change.
Distortional and local buckling are important factors that influences the bearing capacity of steel-concrete composite box-beam. Through theoretical analysis of distortional buckling forms, a stability analysis calculation model of composite box beam considering rotation of steel beam top flange is presented. The critical bending moment calculation formula of distortional buckling is established. In addition, mechanical behaviors of a steel beam web in the negative moment zone subjected separately to bending stress, shear stress and combined stress are investigated. Elastic buckling factors of steel web under different stress conditions are calculated. On the basis of local buckling analysis results, a limiting value for height-to thickness ratio of a steel web in the elastic stage is proposed. Numerical examples are presented to verify the proposed models.
Mega composite structure systems have been widely used in high rise buildings in China. Compared to other structures, this type of composite structure systems has a larger cross-section with less weight. Concrete filled steel tubular (CFST) laced column to box-beam connections are gaining popularity, in particular for the mega composite structure system in high rise buildings. To enable a better understanding of the destruction characteristics and aseismic performance of these connections, three different connection types of specimens including single-limb bracing, cross bracing and diaphragms for core area of connections were tested under low cyclic and reciprocating loading. Hysteresis curves and skeleton curves were obtained from cyclic loading tests under axial loading. Based on these tested curves, a new trilinear hysteretic restoring force model considering rigidity degradation is proposed for CFST laced column to box-beam connections in a mega composite structure system, including a trilinear skeleton model based on calculation, law of stiffness degradation and hysteresis rules. The trilinear hysteretic restoring force model is compared with the experimental results. The experimental data shows that the new hysteretic restoring force model tallies with the test curves well and can be referenced for elastic-plastic seismic analysis of CFST laced column to composite box-beam connection in a mega composite structure system.
Experimental studies on the behaviors of box-shape steel reinforced concrete (SRC) composite beams were conducted. Seven 1:3 scale model composite beams were tested to failure. Each of the beams was simply supported at the ends and two concentrated loads were applied at the one-third span and two-thirds span respectively. Experimental results indicate that the flexural strength can be enhanced when the ratio of flexural reinforcements and flange thickness of the shape steel are increased; the shear strength is enhanced with increase of web thickness of the shape steel. Insignificant effects of concrete in the box-shape steel are found on improving the flexural strength and shear strength of the box-shape SRC composite beams, thus concrete inside the box-shape steel can be saved, and the weight of the SRC beams can be decreased. Shear studs can strengthen the connection and co-work effects between the shape steel and the concrete and enhance the shear strength, but stud design for the composite beams should be further improved. Formulas for flexural and shear strength of the composite beams are proposed, and the calculated results are in good agreement with the experimental results. In general, the box-shape SRC composite beam is a kind of ductile member, and suitable for extensive engineering application.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.11
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pp.2704-2710
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1993
A simple and straightforward method is introduced for developing continuum beam-rod model of a box-beam typed aircraft wing with composite layered skin based on "energy equivalence." The equivalent continuum structral properties are obtained from the direct comparison of the reduced stiffness and mass matrices for box-beam typed wing with those for continuum beam-rod model. The stiffness and mass matrices are all represented in terms of the continuum degrees-of freedom defined in this paper. The finite-element method. The advantage of the present continuum method is to give every continuum structural properties including all possible coupling terms which represent the couplings between different deformations. To evaluate the continuum method developed in this paper, free vibration analyses for both continuum beam-rod and box-beam are conducted. Numerical tests show that the present continuum method gives very reliable structural and dynamic properties compared to the results by the conventional finite-element analysis. analysis.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2003.04a
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pp.61-64
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2003
The finite element method based on the refined beam theory is applied to the vibration problem of rotation composite box beams. The present beam model includes a number of non-classical structural effects such as transverse shear, warping deformations, geometric non-linearities. The nonlinear finite element equations of motion are obtained from Hamilton's principle. Vibration characteristics versus various parameters such as ply angle, collective pitch angle, pretwist and precone are investigated for rotation box ben and relevant conclusions are outlined.
To study the mechanical performances of prestressed steel-concrete composite box beam under combination of bending-shear-torsion, nine composite beams with different ratio of torsion to bending were designed. Torsion was applied to the free end of the beam with jacks controlled accurately with peripherals, as well as concentrated force on the mid-span with jacks. Based on experimental data and relative theories, mechanical properties of composite beams were analyzed, including torsional angle, deformation and failure patterns. The results showed that under certain ratio of torsion to bending, cracking and ultimate torsion increased and reached to its maximum at the ratio of 2. Three phases of process is also discussed, as well as the conditions of each failure mode.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.147-150
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2001
In the present work, a linear static analysis is presented for thin-walled prismatic box-beams made of generally anisotropic materials. A mixed beam theory has been used to model and carry out the analysis. Three different constitutive relations are assessed into the beam formulation. Simple layup cases having symmetric or anti-symmetric configuration have been chosen and tested to clearly show the effects of elastic couplings of the beam. Both 2D and 3D finite element structural analysis using the MSC/NASTRAN has been performed to validate the current analytical results. Results show that appropriate assumptions for the constitutive equations are important and prerequisite for the accurate prediction of beam stiffness constants and also for the beam behavior.
Up to now, Japan has more than 200 corrugated steel web composite beam bridges which are under construction and have been constructed, and China has more than 30 corrugated steel web composite beam bridges. The bridge type includes the simply supported beam, continuous beam, continuous rigid frame and cable stayed bridge etc. The section form has developed to the single box and multi-cell box girder from the original single box and single chamber. From the stress performance and cost saving, the span range of 50~150 m is the most competitive. At present, the design mostly adopts the computational analytical method combining the spatial bar system model, plane beam grillage model and solid model. However, the spatial bar system model is short of the refinement analysis on the space effect, such as the shear lag effect, effective distribution width problem, and eccentric load factor problem etc. Due to the similarity of the plane beam grillage method in the equivalence principle, it cannot accurately reflect the shearing stress distribution and local stress of the top and bottom plates of the box type composite beam. The solid model is very difficult to combine with the overall calculation. Moreover, the spatial grid model can achieve the refinement analysis, with the integrity of the analysis and the comprehensiveness of the stress checking calculation, and can make up the deficiency of the analytical method currently. Through the example verification of the solid model and spatial grid model, it can be seen that the calculation results for the stress and the displacement of two models are almost consistent, indicating the applicability and precision of the spatial grid model.
Li Zhu;Ray Kai-Leung Su;Wei Liu;Tian-Nan Han;Chao Chen
Steel and Composite Structures
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v.48
no.2
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pp.207-233
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2023
Steel-concrete composite box girder bridges are widely used in the construction of highway and railway bridges both domestically and abroad due to their advantages of being light weight and having a large spanning ability and very large torsional rigidity. Composite box girder bridges exhibit the effects of shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip under various loads during operation. As one of the most commonly used calculation tools in bridge engineering analysis, one-dimensional models offer the advantages of high calculation efficiency and strong stability. Currently, research on the one-dimensional model of composite beams mainly focuses on simulating interface longitudinal slip and the shear lag effect. There are relatively few studies on the one-dimensional model which can consider the effects of restrained torsion, distortion and interface transverse slip. Additionally, there are few studies on vehicle-bridge integrated systems where a one-dimensional model is used as a tool that only considers the calculations of natural frequency, mode and moving load conditions to study the dynamic response of composite beams. Some scholars have established a dynamic analysis model of a coupled composite beam bridge-train system, but where the composite beam is only simulated using a Euler beam or Timoshenko beam. As a result, it is impossible to comprehensively consider multiple complex force effects, such as shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip of composite beams. In this paper, a 27 DOF vehicle rigid body model is used to simulate train operation. A two-node 26 DOF finite beam element with composed box beams considering the effects of shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip is proposed. The dynamic analysis model of the coupled composite box girder bridge-train system is constructed based on the wheel-rail contact relationship of vertical close-fitting and lateral linear creeping slip. Furthermore, the accuracy of the dynamic analysis model is verified via the measured dynamic response data of a practical composite box girder bridge. Finally, the dynamic analysis model is applied in order to study the influence of various mechanical effects on the dynamic performance of the vehicle-bridge system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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