结构工程师

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结构分析

钢管混凝土桁架系杆拱桥稳定性分析

金成棣, 葛耀君, 徐胜乙

2022, 38(1): 1-13.

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以钢管混凝土桁架拱肋的系杆拱桥为研究对象,拱肋的组合刚度以组合柱为计算模型,考虑拱肋面内以三角形桁架为组合件,经过布置优化,得到相应的组合效应系数后,以拱梁共同作用确定面内临界轴压力。对面外稳定性,以k式桁架为纵向联接系确定临界轴压力。对于四管组合的独榀拱肋布置,考虑吊杆力偏移的非保向力效应,对拱提供抗失稳的扶正力作用。通过算例,以主跨lp=120 m的钢管混凝土桁架拱肋的系杆拱桥的稳定性验算的全过程,展示了所介绍方法的实用性。

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结构分析

基于状态空间模型的大型风力机运行模态及不确定性分析

张惊朝, 戴靠山, 施袁锋

2022, 38(1): 14-23.

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随着叶片更长和塔架更高的发展趋势,长期处于恶劣环境下运行的大型风力机因振动问题引起的故障甚至倒塔现象日益突出,这给风电行业的可持续发展带来极大的风险。风轮运转时风机振动带有明显的气动阻尼和周期性成分,准确获取风力机在运行中的动力特性非常重要。此外,由于测量误差、建模误差、信号时长等不确定性因素,模态参数估计的准确程度也是安全性能评估的关键因素。全文采用随机状态空间模型和极大似然估计的方法,研究带有谐波影响的风力机运行模态和不确定性分析,通过最大期望（EM）算法求解极大似然估计和克拉美罗下界（CRB）近似模态参数的不确定性水平。以某一在役大型风力机为例,比较分析了风机塔架不同方向模态参数的差异性,以及不同工况下模态参数及不确定性的变化。

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结构分析

无梁楼盖地下车库顶板施工车辆等效荷载取值研究

张淑云, 马晓菁, 马利平, 赵文伟

2022, 38(1): 24-30.

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结合实际工程利用SAP2000有限元软件建立5×5跨无梁楼盖地下车库结构模型,综合考虑覆土厚度、施工车辆种类和并行情况等因素,根据影响线原理确定施工车辆不利布置,得到施工车辆等效均布荷载,与设计中常用施工荷载5 kN/m²进行对比。结果表明,施工车辆等效均布荷载大部分大于5 kN/m²,且施工车辆等效均布荷载值随覆土厚度增大而减小,随车辆载重增大而增大。综合考虑四种施工车辆的等效均布荷载,提出了施工车辆等效均布荷载的建议取值,其结果可供工程设计参考。

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结构分析

中等跨度轨道交通桥梁有载频率研究

向桂林, 吴定俊, 周建民

2022, 38(1): 31-38.

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基于实际工程案例分析中等跨度的跨座式单轨与公路、铁路、地铁桥梁的质量和桥上运营车辆的质量,确定了不同类型交通桥梁的车桥质量比。为计算研究车桥质量比对桥梁有载频率变化的影响,根据桥梁固有频率的定义求解桥梁振动微分方程,给出桥梁在列车移动荷载作用下桥梁有载频率的变化。研究表明：跨座式单轨列车车桥质量比远大于同等跨度其他交通类型桥梁,且列车质量大于桥梁质量;有载频率随时间变化,列车过桥中,桥梁有载频率在最小值上下波动;桥梁有载频率与车桥质量比有关,车桥质量比越大,桥梁有载频率变化越明显;频率阶数对桥梁有载频率减小变化率影响较小,随着频率阶数增大,桥梁有载频率的变化过程越剧烈。

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结构分析

加载角度对弧形加载巴西劈裂试验影响的数值研究

孙志伟, 包春燕, 蔡悦翔

2022, 38(1): 39-46.

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巴西劈裂试验具有试件加工方便、试验易于实现等优点,是测试岩石抗拉强度的主要方法,但是相关规范没有对加载角度作出限定,导致试验的结果较为离散。为研究加载角度对巴西劈裂试验的影响,利用有限元软件ANSYS建立加载角度为0°的集中加载模型,计算得到的应力数值解与理论解误差较小,证明数值模拟的有效性;之后以集中加载模型为原型分别建立不同加载角度的弧形加载模型,分析加载角度对中轴线上应力分布和圆盘破坏模式的影响。结果表明：随着加载角度的增大,圆盘中心处的水平拉应力减小,压拉应力比增加速率加快,圆盘内的最大压拉应力比减小。推荐弧形加载巴西劈裂试验的加载角度范围为18.4°~27.8°,对应的抗拉强度修正系数范围为0.951~0.974。

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结构分析

考虑初始几何缺陷的大跨管桁架屋盖非线性稳定性研究

马志海, 毛小勇, 黎明, 刘聪

2022, 38(1): 47-52.

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大跨钢屋盖在构件加工和安装过程中会产生一定的几何缺陷,对结构整体稳定承载力产生较大影响。区别于一般网架及网壳类结构,大型交错管桁架对几何缺陷的敏感性有待进一步研究。本文针对由交错平面管桁架组成的大跨屋盖结构,首先,开展结构的线性屈曲分析,获取该结构的线性屈曲模态;其次,基于此,重点研究不同阶屈曲模态作为缺陷模式,以及几何缺陷幅值大小对大型交错管桁架屋盖整体稳定承载力的影响;最后,给出大型交错管桁架屋盖稳定性设计建议,为此类结构的设计与工程应用提供理论指导。

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结构分析

基于小波包分析的装配式剪力墙套筒灌浆缺陷检测

余毅斐, 周德源, 张晨昕, 张璇

2022, 38(1): 53-60.

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装配式建筑节点连接性能的好坏对结构性能的影响至关重要,本文基于小波包能量谱对装配式剪力墙开展了套筒灌浆的缺陷检测研究,采用能量比偏差（E_RVD）作为缺陷识别参数,并寻求缺陷参数在剪力墙各板带中的分布规律。采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,对比有限元模型检测结果与试验检测结果,验证了有限元模型的正确性。研究结果表明：板带的E_RVD值与试件板带中的缺陷大小呈正相关关系,板带中存在的缺陷套筒数量越多,则该板带的E_RVD越大。

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抗震与抗风

大跨人行景观桥的人致振动控制研究

王言泽, 施卫星

2022, 38(1): 61-66.

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人行天桥通常跨度较大,容易造成较大的振动响应,而振动有可能会造成人体感到不舒适,还可能影响结构安全和正常使用。TMD减振装置可以有效提高人行天桥人致振动舒适度。本文以国内某在建的大跨人行景观桥为背景,基于MIDAS有限元软件建模分析了其自振特性和人致激励下结构的动力时程响应,并对比分析了该人行天桥增加TMD减振系统后,在相同人致振动下的动力时程响应。结果表明,TMD减振系统很好地降低了人致振动下人行天桥的加速度峰值,使其满足舒适度评价标准。针对类似工程振动问题,采用TMD减振系统是一种有效的减振方法。

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抗震与抗风

考虑薄弱层的基于MPA法计算滞回耗能分布

马宏伟, 韦增挺, 潘长卿

2022, 38(1): 67-75.

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计算结构的滞回耗能分布时,通常采用时程分析法和多模态推覆分析（MPA）法。本文分别使用这两种方法计算9层Benchmarh钢框架的层间滞回耗能分布,发现MPA法在计算具有明显薄弱层的结构时会产生误差。因此,针对含有薄弱层的结构,提出了考虑薄弱层的基于MPA法计算滞回耗能分布。该方法通过对结构进行静力弹塑性分析得到层间滞回耗能分布,并对结构的相对薄弱层进行调整,再通过振型参与系数组合得到最终的滞回耗能分布。将该方法应用于20层的Benchmarh钢框架结构,结果表明,相较于时程分析,该方法对薄弱层（首层和第八层）的计算精度分别提升了10.4%和21.9%。

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抗震与抗风

板式电涡流TMD有限元模拟与参数优化

卢亮亮, 李金海, 杨德超

2022, 38(1): 76-84.

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针对一种板式电涡流调谐质量阻尼器（TMD）进行磁路及参数的优化分析。利用三维有限元电磁瞬态场分析永磁铁分布方式及主要参数——气隙、永磁铁厚度、导体板厚度对电涡流TMD性能的影响,通过线性回归方程及其导数观察阻尼力做功的大小随主要参数变化的规律。结果表明：当阻尼器采用永磁铁磁极交替分布时,阻尼器的工作效率最高;在给定取值范围内,阻尼力做功的大小随气隙呈负指数衰减,随永磁铁厚度呈对数增加,随导体板厚度呈指数增加;各主要参数建议取值范围：气隙大小取7 mm以内,永磁铁厚度在15 mm以内,导体板厚度在给定区间取最值。

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抗震与抗风

非对称十字形配钢SRC柱地震损伤特征分析

许晓梁, 吴琛

2022, 38(1): 85-92.

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为避免型钢混凝土（SRC）结构在节点处的大量钢筋焊接作业和钢筋穿孔削弱柱型钢截面强度,提出一种非对称十字形配钢SRC柱的构造形式。考虑钢材对混凝土的约束作用,完成了九组SRC柱在低周往复加载下的有限元模拟。以混凝土受压损伤云图表征混凝土损伤演化特征,以累积损伤应变云图反映型钢的损伤分布。研究表明：相同含钢率下,非对称十字形配钢SRC柱与传统对称十字形配钢方式具有相近的承载力,且损伤分布呈现不对称性。在型钢内缩一侧,混凝土的损伤程度和范围均大于型钢未内缩一侧,而型钢则是未内缩一侧的损伤较为严重,并表现出弯曲型、弯剪型和剪切型三种损伤模式。

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抗震与抗风

复杂体型高层建筑风压分布及干扰效应研究

刘行, 钱长照, 陈昌萍, 胡海涛, 陈秋华, 张祥敏

2022, 38(1): 93-101.

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本文以厦门市某复杂体型高层建筑为研究对象,通过风洞试验并结合CFD数值模拟的方法,研究该单体建筑在有无周边环境干扰下的风压分布特征。结果表明：无周边环境干扰时,迎风面平均风压为正值,其余各面为负值,迎、背风面的脉动风压系数值较侧面小;有干扰时,干扰建筑对该高层建筑的平均风压及脉动风压影响较大。单体建筑容易受到周边环境的遮挡作用,并且并列建筑之间容易产生“狭管效应”,对风速有一定的加速效应,出现较大负压。来流风向对建筑表面局部风压影响较大,导致局部体型系数产生较大变化,气流在迎风面棱角处产生气流分离以及涡旋脱落,容易导致该区域形成高负压区。所得结论可为相应的工程围护结构设计提供参考。

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试验研究

新型筒式自复位SMA-摩擦阻尼器试验研究

屈俊童, 李正鑫, 卢飞, 梁伟, 朱云强

2022, 38(1): 102-109.

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基于“多种耗能机制共同耗能”的思想,同时利用形状记忆合金的自复位能力,研制出一种新型筒式自复位SMA-摩擦阻尼器,详细阐述了该装置的构造及工作原理。制作了试验试件,并通过力学试验研究了循环荷载作用下,位移幅值、加载速率对阻尼器力学性能的影响。建立了阻尼器的恢复力模型,利用非线性有限元软件ANSYS Workbench对其进行了数值模拟。结果表明：新型阻尼器在循环荷载作用下呈现出位移相关性,利用形状记忆合金与摩擦板协同工作耗能,阻尼器具有稳定的滞回性能和良好的耗能能力;残余位移控制在26.25%以内,形状记忆合金丝的设置能使阻尼器具有良好的自复位能力;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了文中提出的恢复力模型的正确性。

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试验研究

基于不同灌浆工艺的装配式混凝土剪力墙抗震性能试验研究

朱张峰, 郭正兴

2022, 38(1): 110-117.

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钢筋套筒灌浆工艺主要包括基于满铺座浆的单点灌浆和基于四周塞缝的连通灌浆,工艺不同将直接影响拼缝处的材料、质量乃至剪力墙整体性能。为探讨不同灌浆工艺装配式混凝土剪力墙抗震性能,分别采用两种不同灌浆工艺制作1个装配式混凝土剪力墙试件和1个现浇对比试件,并进行低周反复荷载加载试验。在试验结果的基础上,开展有限元参数分析,研究座浆层厚度和塞缝深度对装配式混凝土剪力墙抗震性能的影响规律。基于试验及有限元分析结果,认为单点灌浆与连通灌浆工艺均能保证灌浆接头性能,但单点灌浆质量控制不足,易发生座浆层不均匀压碎而导致试件提前破坏;座浆层厚度为2 cm、塞缝深度1 cm时,可保证各自灌浆工艺下的装配式混凝土剪力墙抗震性能达到最优。

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试验研究

型钢混凝土柱复合受扭极限性能试验研究

盛炜仲, 邵永健, 施怀博

2022, 38(1): 118-126.

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为揭示设计参数对型钢混凝土复合受扭柱极限扭矩和延性的影响规律,以轴压比、扭弯比、配箍率和加载方式等为设计参数,完成了3组15个试件的试验,并基于试验得到的数据进行了设计参数的影响分析。结果表明,提升轴压比对极限扭矩影响不大但会降低延性;提升扭弯比可提高极限扭矩和延性;提升配箍率可提升极限扭矩但降低延性;配置栓钉对极限扭矩影响不大但延性降低;配十字型钢能小幅提升极限扭矩并大幅提升延性;低周反复加载试件的极限扭矩与延性均低于单调加载试件,且受设计参数的影响程度减小。

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试验研究

侧向撞击后格构式钢柱剩余力学性能试验研究

张国平

2022, 38(1): 127-133.

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工业厂房中格构式钢柱常遭受吊装物与厂房车辆的撞击,引起钢柱损伤,导致其承载力下降。为研究格构式钢柱受撞击后的剩余力学性能,本文分别对6个具有不同撞击损伤的试件和2个完整试件进行了承载力试验,并提出了剩余承载力系数计算公式。试验结果表明：加载过程中,受压肢件先出现局部屈曲,随后发生整体失稳破坏,破坏时材料未达到屈服强度。随着撞击损伤程度的增大,试件弹塑性阶段缩短,承载力最大降低了43%;达到极限荷载后,位移会迅速增大,荷载急剧降低。撞击后产生的局部变形与整体变形均对剩余承载力有影响。

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试验研究

钢管-钢管混凝土复合桥塔抗风性能试验研究

黄玮

2022, 38(1): 134-139.

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采用钢管-钢管混凝土复合桥塔可减轻桥塔自重,设计出更轻盈多样的结构造型,为分析桥塔抗风自立状态的抗风性能,采用MIDAS软件对该桥塔进行了抗风性能数值分析,并制作1∶100的缩尺气弹模型进行风洞试验,研究桥塔的涡振、驰振和抖振响应。结果表明：在该桥塔自立状态风洞试验中未发现明显的涡振和驰振现象,紊流场中桥塔抖振响应也很小,无须设置永久性减振措施。

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试验研究

组合梁预应力混凝土桥面板承载力试验研究

曾明辉, 张协力

2022, 38(1): 140-149.

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为研究双主梁钢板组合梁桥预应力混凝土桥面板的静力承载能力与破坏形态,设计制作了足尺的预应力混凝土桥面板试件,进行跨中单点加载试验,测试了混凝土和钢筋的应变、结构的变形及裂缝的发展。试验结果表明,试件的破坏形态为延性破坏,达到极限强度时受拉钢筋屈服,受压区混凝土压溃,试件产生明显的挠曲变形。试件的极限弯矩试验值与规范计算值的比值为1.8,当桥面板裂缝宽度达到0.2 mm时的弯矩试验值与计算值的比值为1.9。计算恒载与车辆荷载作用效应并与抗弯承载力设计值进行对比,得到了按两类极限状态设计的预应力混凝土桥面板的安全系数;试验与分析结果表明,预应力混凝土桥面板具有较高的静力承载能力与安全富余度。

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试验研究

圆钢管约束再生混凝土轴压力学性能试验研究

李雪鹏, 胡忠君, 金丽娜, 曾会淋

2022, 38(1): 150-155.

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依据《再生混凝土结构技术标准》（JGJ/T 443—2018）,按照再生粗骨料（RCA）掺入量0%、50%和100%制作18个试件并进行轴压力学性能试验,研究RCA取代率对圆钢管约束再生混凝土（RACCST）试件承载力和应力-应变关系的影响。结果表明：RACCST试件轴压极限荷载随RCA取代率增加而略有下降,基于Mander模型和试验数据,给出建议的RACCST应力-应变关系表达式。

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地基基础

基于Hoek-Brown强度准则的浅埋隧道掌子面稳定性分析

张世民, 付开, 黄睿, 杨桦, 郭帅

2022, 38(1): 156-163.

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为了研究浅埋掌子面被动模式下的稳定性,构建浅埋隧道的二维被动破坏模式,被动破坏模式由有限个刚性平动多块体组成。将孔隙水压力视为外力进行做功,基于极限分析理论利用Hoek-Brown强度准则研究浅埋隧道掌子面被动破坏模式下的稳定性。通过虚功率原理推导得到浅埋隧道被动破坏模式下的极限支护力的目标函数,采用非线性规划求解函数得到其上限解。将本文方法和既有文献中的方法得到的结果进行比较,极限支护力的上限解随参数的变化趋势一致,误差范围最大仅为4.03%。研究分析了不同参数条件下浅埋隧道掌子面极限支护力的变化规律,结果表明：随着孔隙水压力系数r_u和扰动因子D的增大,浅埋隧道掌子面的被动破坏机制下的极限支护力和被动破坏范围呈现逐渐增大的趋势,而随着GSI和参数m_i的增大而减小;孔隙水压力对隧道的稳定性有着显著的不利影响。该方法可为浅埋隧道掌子面的被动破坏机制下支护力的设计优化提供参考。

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工程施工

半成岩超深基坑围护结构变形与受力特性研究

谢雄耀, 林威, 周彪, 邹成路

2022, 38(1): 164-172.

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以南宁半成岩地区轨道交通基坑建设为背景,以开挖深度为58.7 m青秀山车站基坑为具体对象,通过理论分析、实测数据及数值模拟对比研究,系统分析了超深基坑变形受力特性及影响因素,揭示了半成岩地层超深基坑围护结构双峰甚至多峰变形模式的形成机制和主要影响因素,提出了半成岩地层侧压力计算方法,给出了合理的超深基坑的土压力计算方法和结构计算模式,并验证了在工程中的可用性。

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工程施工

基于实测挠度的PC梁桥长期预应力损失研究

卓为顶, 厉勇辉, 刘钊

2022, 38(1): 173-179.

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桥梁结构在长期使用过程中预应力损失估算偏低,是造成大跨径预应力混凝土变截面箱梁桥或连续刚构桥（简称PC梁桥）普遍开裂和过度下挠的一个重要原因。长期预应力损失与施工工艺、环境温度、荷载、混凝土收缩徐变、预应力筋松弛等因素有关。为了研究PC梁桥成桥后预应力损失发展规律,提出了一种基于桥梁实测挠度的预应力损失计算方法,考虑了混凝土裂缝导致截面刚度下降以及对挠度影响,给出了混凝土开裂后的梁体刚度折减公式,计算过程简单,实用性强,并以虎门大桥辅航道桥多年实测挠度数据验证所提出方法的可行性。研究成果可为同类桥梁的设计与施工提供参考。

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设计方法与研究

某教学楼基础隔震结构分析与设计

李学平, 刘富君, 虞终军

2022, 38(1): 180-185.

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采用结构设计软件盈建科（YJK）对高烈度区某教学楼进行了多塔大底板基础隔震结构分析与设计。结果表明,在上部多塔+整体底板时采用基础隔震结构依然能显著减小上部结构地震作用;通过各类支座合理设计并配以少量阻尼器,能较好地降低结构平面不规则而产生的扭转问题,很适合高烈度地区使用。该工程主体结构已基本完工,本文可供同类工程设计参考。

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设计方法与研究

世茂深港国际中心商业MALL复杂结构分析与设计

刘永璨

2022, 38(1): 186-194.

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世茂深港国际中心商业MALL存在多项不规则项,属于超限高层复杂商业建筑。该项目主体采用钢筋混凝土框架结构;采用天然地基独立基础+精轧螺纹钢抗浮锚杆作为主要基础形式,辅以钻孔灌注桩,以应对岩面起伏大、存在岩溶发育的岩溶地基等复杂地质情况;抗震设计中采用性能化设计方法,保证结构在小震下完全处于弹性阶段,并提出主要构件在中震、大震下作用下的性能要求,采用不同分析软件进行了弹性、弹塑性的计算,抗震性能目标达到C级;对超长楼盖温度应力、大跨度楼盖舒适度、钢结构天窗、超级碗结构单体进行结构专项分析与设计,确保结构的合理性和安全性,满足建筑功能与效果。

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设计方法与研究

罕遇地震作用下某超限钢结构建筑转换桁架复杂节点有限元分析

周耀彬, 杜小艺, 付波, 柳盛霖, 赵晓伟

2022, 38(1): 195-202.

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为了研究某超限钢结构建筑转换桁架复杂节点在罕遇地震作用下的性能,采用ABAQUS软件对转换桁架关键节点进行拟动力作用下的应力分析和节点极限承载力分析。结果表明：除各构件局部接触角部位置达到屈服强度,进入塑性外,节点其他区域Mises应力明显低于材料屈服强度,节点整体基本保持弹性状态,未出现明显的塑性开展,满足罕遇地震作用下的性能目标;极限破坏时,构件区域先于节点区域破坏,且各节点设计均满足安全储备要求。可见,本工程的节点设计将节点隔板和加劲钢骨作为主要传力构件,采用等效面积原则来保证节点承载力大于进入节点的各构件承载力之和,保证了“强节点、弱构件”的结构设计要求。

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设计方法与研究

大尺寸欧标球铰支座的设计要点及工程应用

黄韬睿

2022, 38(1): 203-210.

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以L体育场工程为实例,介绍了球铰支座应用欧标规范的设计要点。依据欧标对荷载组合进行分析,筛选出用于验算球形支座不同部件的控制工况。以手算试算为基础,验算了支座顶板、底板、PTFE滑板、螺栓等关键部件的强度,考虑了可更换设计的操作空间,初步确定了支座的几何参数。再通过有限元建模分析,验证手算的计算结果,优化部件的设计,最终确定设计方案。为同类工程的支座设计提供了借鉴。

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