结构工程师

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结构分析

基于等效模型的波形钢腹板渡槽结构静力性能研究

马如进, 邹明明, 殷亮, 杨善红, 朱宇

2022, 38(2): 1-7.

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淠河总干渠渡槽工程采用桁架式梁拱组合体系,主跨跨径达到110 m。槽身侧壁挡水板采用波形钢腹板。针对波形钢腹板结构,目前多采用建立三维精细化板壳模型的方法开展其结构性能研究,建模过程繁琐且计算效率较低。基于刚度等效原理提出一种将三维波形钢腹板简化为二维正交异性平钢板的等效分析方法。首先建立渡槽工程三维波形钢腹板精细化模型及采用简化方法等效的正交异性平钢板模型,然后开展自重和水荷载下结构静力性能分析,最后对比分析两类模型的静力分析结果及相对误差。研究表明：等效平钢板模型与三维精细化板壳模型计算结果吻合较好,等效分析方法具有较高的准确性和可靠性,可为波形钢腹板结构提供一种简便的分析方法,并显著提高计算效率。

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结构分析

基于精确算法的单跨曲线梁结构模态分析

李晓飞, 陈鸣东, 尹赫男, 孙宗光

2022, 38(2): 8-15.

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从常曲率单跨曲线梁的动力学离散模型出发,推导出剪、弯、扭耦合的曲线梁刚度矩阵。结合曲线梁集中质量矩阵和多自由度系统运动方程的特征方程进行算法编写,计算出各阶固有频率及振型。通过对比所得到的刚度矩阵与有限元刚度矩阵各自的集成方法,直观展示了曲线梁结构刚度矩阵的分布形式,并论述了两种刚度矩阵的特征。并将刚度矩阵参与模态分析的计算结果与有限元数值仿真结果进行了对比分析,结果表明：前者逼近真解速度快于后者,虽然在中低阶时所求解的各阶固有频率吻合较好,但有限单元法在高阶转动振型求解精度方面存在一定误差。所编写的计算程序可为实际工程中精确求解曲线梁结构模态提供参考。

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结构分析

随机初始缺陷对辐射式张弦梁结构非线性稳定的影响研究

舒毅, 张莉

2022, 38(2): 16-24.

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首先对适合网壳结构的传统随机缺陷模态法进行改进,使其更适合对辐射式张弦梁结构进行分析。采用迭代法对辐射式张弦梁结构进行形态分析得到初始态,再使用改进的随机缺陷模态法对结构进行非线性稳定分析,研究了矢跨比、缺陷幅值和预拉力对辐射式张弦梁结构稳定承载力的影响,最后将随机缺陷模态法与一致缺陷模态法的分析结果进行对比。结果表明：初始缺陷会使辐射式张弦梁结构稳定承载力降低,且缺陷幅值越大,结构稳定承载力越低;随着矢跨比减小,结构稳定承载力降低,缺陷结构稳定极限荷载相比于完善结构稳定极限荷载的下降率逐渐增加;索能有效地提高结构稳定极限承载力,降低结构对缺陷的敏感度;预拉力的增加使结构对缺陷的敏感度略微降低;当矢跨比不大于1/10时,可以采用一致缺陷模态法对辐射式张弦梁进行稳定性分析。

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结构分析

考虑断丝影响的桥梁拉索力学特性研究

彭崇梅, 张启伟, 马明雷

2022, 38(2): 25-30.

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拉索安全性关系索支承桥梁的安全运行与服役寿命,由于拉索老化、腐蚀、断丝等原因,拉索断丝成为拉索损伤的主要形式之一。在半平行钢丝拉索非对称断丝损伤模型的基础上,通过数值计算重点讨论了非对称断丝条件下断丝位置、螺旋角、钢丝间摩擦系数等参数对拉索内钢丝拉力分布及轴向刚度的影响。结果表明,非对称断丝引起的截面内钢丝拉力不均匀分布明显,螺旋角和钢丝间摩擦系数对拉索轴向刚度影响较大,应用并联模型设计计算时,误差较大,计算结果偏于不安全。

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结构分析

考虑桥轴线方位角影响的曲线箱梁日照温差效应

闫兴非, 周良, 李群锋, 张涛

2022, 38(2): 31-40.

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针对公路曲线箱梁桥日照温差效应问题,在简要介绍箱梁温度边界计算方法的基础上,基于Visual C++编制了考虑桥梁方位角影响的曲线箱梁桥日照温差温度场计算程序,以一公路曲线梁桥为例,进行了考虑桥梁轴线方位角影响的曲线梁桥日照温差效应计算,与现行规范方法计算结果进行了比较。结果表明：由于曲率和桥轴线方位角共同影响,曲线箱梁桥在日照温差作用下会同时发生径向和轴向位移,边跨跨中与中跨跨中竖向位移方向相反;顶板内外侧应力分布沿桥轴线方向变化较小,而底板内外侧应力分布沿桥轴线走向变化相对较大。采用本文计算方法所得结果除曲线梁顶、底板表面节点应力计算结果与按规范方法计算结果偏差较大外,位移、扭转角以及截面内部节点应力计算结果与按规范方法计算结果总体较为吻合。

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结构分析

矮塔斜拉桥钢箱梁超高腹板局部稳定性分析

何武超, 叶嘉庭, 张波

2022, 38(2): 41-47.

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随着钢结构桥梁跨径的增大,腹板高度也随之增高,给结构的局部稳定性带来了较多隐患。鉴于宁波中兴大桥钢箱梁超高腹板局部稳定性问题,采用有限元软件ANSYS建立局部节段模型,给出相应边界条件和荷载工况,模拟压、弯、剪复合荷载作用对腹板局部稳定的影响。研究表明：腹板竖向加劲的布置对维持腹板的稳定十分重要,若不设置腹板竖向加劲肋,第一阶弹性屈曲失稳稳定系数为2.9<4.0,不符合设计最低要求;当腹板厚度从12 mm增加到22 mm时,线弹性稳定系数可以从4.1提高到6.0,但钢箱梁失稳模态仍为外腹板失稳;当腹板线弹性稳定系数大于设计限值4.0且弹塑性强度稳定安全系数大于设计限值1.75时,进一步增大竖向加劲肋刚度的必要性有限。

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抗震与抗风

砌体结构基于性能的抗震设计与评估方法探讨

蒋利学, 李向民, 王卓琳, 张富文

2022, 38(2): 48-57.

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探讨了砌体结构基于性能的抗震设计与评估方法。首先,分析了砌体结构的延性能力及强度折减系数;其次,从强度角度分析了砌体结构的抗倒塌能力,认为砌体结构抗倒塌能力是多遇地震下最不利构件的设计强度、抗震措施、材料超强、内力重分布超强和结构延性等效超强五个因素的综合反映;再次,从理想弹塑性骨架曲线模型分析出发,提出了“小震”控制刚度、“中震”控制强度、“大震”控制位移或延性的砌体结构抗震分析的理想模式;最后,对砌体结构抗震值得研究的几个问题提出了建议。

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抗震与抗风

某地铁车辆段上盖隔震结构的破坏机制研究

郭瑜

2022, 38(2): 58-67.

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基于概率的地震易损性分析可有效评估结构的抗震性能。基于地铁车辆段上盖隔震单塔结构的弹性分析模型,采用模态分析和时程分析方法,研究了结构的模态特征及其减震效果;进一步基于结构的弹塑性分析模型,采用增量动力分析方法,研究了不同地震工程需求参数下结构各性能水平的超越概率。结果表明,设防地震作用下,地铁车辆段上盖隔震单塔结构处于弹性阶段,满足性能要求;随着地震动峰值加速度的增加,结构的最终失效模式为隔震层位移超限破坏、塔楼顶部绝对加速度破坏、下部结构破坏及上部结构的破坏。本研究为该种复杂结构基于性能的抗震设计提供了一定的理论依据。

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抗震与抗风

中国与印尼抗震设计规范对比分析

潘天久, 文铁军, 曾青

2022, 38(2): 68-73.

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对于印尼工程项目,“按照国际设计,同时满足印尼强制规范的强条”这一要求日趋常态化。对其抗震设计规范的理解及与中国抗震规范之间的转化是印尼工程项目设计的难点。本文对印尼抗震设计规范中抗震设计思想、抗震设计方法、地震力计算等方面的内容与中国抗震设计规范进行系统对比分析,得出抗震设防异同之处。

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抗震与抗风

河南省科技馆新馆超限结构抗震动力弹塑性分析

卓杰, 孙华华, 张红永

2022, 38(2): 74-80.

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河南省科技馆新馆为平立面特别不规则的超限高层建筑,结构存在扭转不规则、凹凸不规则、开洞、尺寸突变、穿层柱、斜柱、夹层、个别构件转换等多项不规则形式。设计根据相应的抗震性能水准,通过大震下的动力弹塑性计算分析,对框架柱、剪力墙、大悬挑钢桁架、大跨钢桁架等结构关键构件的损伤情况进行判别,为后续施工图性能化设计提供计算依据。

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抗震与抗风

精细化风荷载作用模式下输电塔的动力响应研究

钟维军, 徐海巍, 涂志斌, 姚剑锋, 楼文娟

2022, 38(2): 81-89.

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为研究精细化风荷载作用下输电塔的动力响应特性,采用高频天平测力试验获得横担和塔身及其主要杆件的体型系数,采用节点集中加载和均布加载两种风荷载作用模式,计算了高压输电塔在不同加载模式下的风致动力响应以及风振系数,并与规范结果进行对比分析。研究表明：相比试验结果,规范建议的体型系数偏低,由此得到的结构位移、加速度和杆件内力响应均偏小,但按规范方法得到的风振系数偏大;与节点集中加载方式相比,均布加载模式下塔身的总体位移和加速度响应基本不变,横担的位移和加速度响应略有增加;横担主杆、腹杆和塔身斜撑的截面最大应力均有不同程度的明显增加,而塔身主杆的截面最大正应力变化不显著。风荷载加载模式对横担的内力响应影响较大,但对塔身主杆的内力和整塔的风振系数影响较小。

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试验研究

再生混凝土抗剪键接缝受剪性能及承载力计算

郑巍, 潘钻峰, 肖建庄, 陈宇良, 顾征宇

2022, 38(2): 90-98.

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为研究再生混凝土抗剪键接缝的受剪性能,以抗剪键数量、再生粗骨料取代率和轴向应力为变化参数,设计了6个再生混凝土抗剪键接缝试件和2个无键直缝试件进行单调推剪试验,获取了试件的破坏形态、剪力-剪切位移曲线和抗剪承载力,分析了不同变化参数对再生混凝土抗剪键接缝承载力的影响规律,提出了再生混凝土抗剪键接缝的抗剪承载力计算公式。研究结果表明：再生混凝土无筋抗剪键接缝和直缝均沿水平结合面发生剪切破坏,键槽内灌浆料存在斜裂缝,抗剪键接缝的峰值剪切位移随轴向应力的增大而减小,再生粗骨料取代率对试件剪力-剪切位移曲线影响较小,再生混凝土抗剪键接缝的抗剪承载力明显大于无键直缝,抗剪键接缝的抗剪承载力随再生粗骨料取代率的增加而减小,随轴向应力的增加而增大,所提出的承载力计算公式可用于计算无筋再生混凝土抗剪键接缝的抗剪承载力,计算结果偏安全。

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试验研究

正交异性钢桥面横梁疲劳性能研究

顾萍, 鲁凡, 汤霖, 李建华

2022, 38(2): 99-105.

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为研究正交异性钢桥面横梁的疲劳性能,以某钢桁梁柔性拱铁路桥为背景,设计制作了2个正交异性钢桥面横梁足尺模型试件,试件材料、构造细节和制作工艺等与实桥一致,2个足尺模型试件进行静载和高周疲劳承载试验,并与钢桥面试件的有限元计算结果进行对比分析。研究结果表明：横梁腹板两个不同半径的切口圆弧相交处为疲劳裂纹易发处,试件1在此处产生了疲劳裂纹;横梁腹板切口处的裂纹对局部区域有一定影响,但对钢桥面试件的整体刚度和钢桥面横向受力性能影响不大;试件1和试件2的疲劳试验结果显示：横梁腹板切口处应力循环200万次时的疲劳强度都超过71 MPa,建议该类铁路钢桥面疲劳设计可采用Eurocode3规范规定的71级。

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试验研究

花纹型钢混凝土柱抗震性能试验研究

孙政, 阮海燕, 刘文武

2022, 38(2): 106-112.

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提出一种内部型钢由花纹钢板制作的花纹型钢混凝土组合柱。通过设计2个花纹高度不同的新型试件和1个普通型钢混凝土试件的低周反复荷载试验,研究试件的破坏形态、滞回骨架特性、刚度退化、内置型钢的应变变化规律等,分析型钢表面的花纹高度对型钢混凝土组合结构抗震性能的影响。试验结果表明,相较于普通型钢混凝土柱,花纹型钢混凝土柱的承载能力、延性、变形和耗能能力等抗震性能均得到有效提高,且型钢表面的花纹凸起高度越大,提高效果越好。

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试验研究

竖向板式电涡流调谐质量阻尼器的阻尼系数研究

石文龙, 吴凯祺, 陈文

2022, 38(2): 113-119.

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根据电涡流阻尼系数的计算公式,设计了一种竖向板式电涡流调谐质量阻尼器（TMD）,对磁铁尺寸、导体板表面磁感应强度、导体板厚度等影响阻尼系数的因素进行了试验,并通过电磁仿真软件对试验结果进行拟合,同时对未涉及的背板厚度及导体板材质两个影响因素进行了数值模拟分析,试验结果和数值模拟结果较为吻合。试验及数值模拟结果表明：电涡流TMD的阻尼系数随着磁铁投影面积的增加呈现出线性增长;电涡流TMD的阻尼系数随着铜磁间隙的增加呈现负指数形式减少,随着磁铁间距的增加呈现先增大后减小的趋势;电涡流TMD的导体板选择8mm厚的铜制导体板效果较好,且更为经济。

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试验研究

现代夯土建筑材料特性及抗震性能数值模拟

吴体, 贾斌, 黄煜霖

2022, 38(2): 120-129.

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对现代夯土材料抗压强度及收缩率进行试验,讨论不同配比夯土料的基本力学性能。砂石骨料能够显著控制夯土材料收缩率,水泥能够有效改善夯土材料抗压强度。基于线性Drucker-Prager准则构建夯土材料本构模型,确定Mohr-Coulomb准则与Drucker-Prager准则间夯土材料参数转换关系,并将其应用于有限元分析。通过与夯土墙静力推覆试验及夯土结构振动台试验结果的对比分析,验证了数值方法的适用性。

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结构加固与改建

无黏结预应力框架结构的拆改加固设计

姜文辉, 何诚

2022, 38(2): 130-136.

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连续多跨的二层无粘结预应力混凝土框架结构按照改造需要拆成单跨框架结构,且增加一层。某一方向的预应力钢筋将全部切断。通过对多种改造加固方案的比选,最终确定了无粘结预应力钢绞线应力释放和重张拉法。通过与专业施工单位的共同配合,顺利完成了该工程预应力拆除改造关键技术,施工监测表明,通过施工监测表明整个拆改过程变形合理可控。本项目取得了较好的经济效应,且是改造项目中的绿色工程。

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设计方法与研究

采用UHPC实现无预应力的简支变连续设计分析

段昕智, 李方元

2022, 38(2): 137-144.

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简支变连续桥梁兼顾简支梁桥和连续梁桥的优点,被国内外大力推广应用。但简支变连续桥梁的预应力方案复杂性降低了其施工快捷性。本文通过杆系和实体模型进行对比研究,对小箱梁简支变连续的应力分布进行了分析,然后通过预应力等效概念设计方法,研究利用UHPC材料的抗拉和延性性能实现无预应力简支变连续的可行性和设计方法,结果证明具有可实施性,最后提出了可实现的技术方案。

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设计方法与研究

新河大桥健康监测系统设计与数据分析

王银刚, 程华强, 廖景胜, 郭西锐, 程志远

2022, 38(2): 145-152.

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新河大桥是一座新建的大跨度中承式钢箱提篮拱桥。为确保其运营安全,对新河大桥设计了部分传感器长期固定和部分传感器快速添加的离线监测方案,对结构振动、吊杆索力、主梁挠度、结构应变、结构温度进行长期监测。对比该桥有限元计算结果,对已采集的监测数据进行了分析,评估了该桥的使用状况,为后期管养和监测重点指明方向。结果表明：该桥总体处于安全、可控的状态,但也存在桥梁下游侧的结构构件受力比上游侧偏大的情形,应对下游侧结构受力状态进行持续关注。

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设计方法与研究

神农湖大桥三维参数化设计应用与交付

陈莎莎, 施新欣, 李来龙, 杨梓, 牛伟迪, 黄韬

2022, 38(2): 153-161.

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神农湖大桥主桥设计为独塔双索面斜拉桥,通过CATIA软件完成了全桥三维参数化设计,并完成了模型的多用途应用和统一的二、三维交付。经过实践与总结,对模型创建过程和最终交付的模型成果提出高精度、全构件、可修正的要求,形成符合传统设计习惯的整体三维参数化设计应用与模型交付流程。同时,基于CATIA的三维参数化设计的特征在于基于历史的参数化建模和骨架-模板设计方法。以神农湖大桥设计过程中的造型方案设计、结构的递进式三维设计、锚固构造设计优化以及模型的动态修正四个关键点对该参数化设计模式进行了阐述。对于复杂造型景观桥梁,本文采用的三维参数化设计模式及提出的参数化设计应用与交付流程,可在不影响设计效率的前提下整体提高项目品质,同时可为数字化生产、信息化运营提供可靠的基础模型。

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设计方法与研究

造型独特的钢拱桥拱肋设计与计算分析

黄晓彬

2022, 38(2): 162-167.

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某桥异形拱下承式拱梁组合体系,跨径布置为（44+88+88+44） m,主梁为预应力混凝土双主梁,拱肋为异形钢拱结构。主拱采用空间布置,拱轴线平面上为横放的两段Y形对称直线,立面上为2条对称交汇的椭圆线。主拱通过边墩和中墩的锚固结构与主梁相连,并通过吊杆参与主梁共同受力。本文重点介绍该桥异形钢拱肋关键节点的结构设计及受力计算分析。该桥造型独特优美,结构受力及构造较为复杂,本文可为类似工程提供一定的借鉴。

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设计方法与研究

混合桥面斜拉桥试设计及体系验证

戴昌源, 苏庆田, 邵长宇, 陈亮

2022, 38(2): 168-176.

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针对大跨度斜拉桥中正交异性钢桥面疲劳开裂问题,基于对大跨度桥梁中重车分布情况和疲劳开裂位置的研究,提出将两侧重车道的正交异性钢桥面更换为疲劳性能较好的UHPC华夫板或钢UHPC组合板,组成混合桥面系统。采用混合桥面后斜拉桥加劲梁的自重、抗弯、抗扭等特性将发生变化,因此需要从结构体系的角度分析采用混合桥面后斜拉桥的静、动力特性与常规正交异性钢桥面斜拉桥的异同。设计了三座斜拉桥（分别采用两种混合桥面和正交异性钢桥面）,基于目标函数与索力变量之间的函数关系往往为凸函数这一特征,采用凸函数优化算法确定三座斜拉桥的合理成桥状态。最后比较了三座斜拉桥的静、动力特性,发现混合桥面斜拉桥主梁具有较高的面外抗弯惯性矩和抗扭惯性矩,当横向作用起控制作用时,具有更高的承载能力。同时可以提高结构纯扭转振型的基频,有助于提高结构颤振稳定性。但采用混合桥面的斜拉桥加劲梁单位长度自重会增加7%~10%。

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设计方法与研究

泉州大剧院结构设计

朱亮

2022, 38(2): 177-183.

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本工程平面和立面均不规则,属于复杂超限高层建筑。主体结构采用框架-剪力墙结构体系,屋顶局部采用钢结构。结构进行了抗震性能化设计。本文详细介绍了该结构的抗震性能目标、超限情况及加强措施、线弹性分析、弹性时程分析、构件设计、楼板应力分析及弹塑性分析、钢屋盖设计以及楼座设计等。通过分析,该工程能达到了预期的抗震性能目标,抗震性能较好,具体分析方法和结论可供同类工程设计参考。

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设计方法与研究

世茂深港国际中心天环结构敏感性数据驱动优化设计

刘永璨

2022, 38(2): 184-190.

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敏感性分析可反映设计变量对约束条件的影响程度,应用敏感性数据原理进行结构设计可兼顾结构高效性、设计安全性、工程经济性。简要介绍敏感性数据分析原理,以世茂深港国际中心天环吊挂型长悬挑结构为案例,以竖向挠度和振动舒适度为设计约束,运用敏感性数据驱动钢箱梁和内灌混凝土的优化设计,可供类似项目的结构设计及造价控制参考。

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设计方法与研究

天长文化艺术中心大跨度连体钢结构分析与设计

苏国维, 顾炜

2022, 38(2): 191-196.

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天长文化中心建筑造型为盛开的茉莉花形状,三个单体与大跨度空中连廊通过隔震支座相连。阐述了连廊结构布置以及连廊支座形式选择,对带连廊整体模型和不带连廊多塔模型进行对比分析,主要包括小震作用下的加速度、位移和构件内力等,并通过设置TMD多模态减振系统进行减振设计,有效解决了大跨度连廊在人行荷载下的舒适度问题。

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文献综述

套筒灌浆连接密实性检测研究现状及展望

曹城城, 陈涛, 顾浩声

2022, 38(2): 197-206.

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钢筋套筒灌浆连接是预制构件钢筋连接的一种重要方式,灌浆质量是保障构件之间连接可靠的关键。由于套筒灌浆属于隐蔽工程,如何检测灌浆的密实程度引起了人们的广泛关注。本文首先阐述了不同灌浆状态下套筒灌浆连接的力学性能,说明了灌浆密实程度检测的必要性。然后对现有的检测方式进行了综述,详细介绍了预埋钢丝拉拔法、内窥镜法、预埋传感器法、超声法、冲击回波法、X射线检测的原理及其优缺点,提出了工程中套筒灌浆质量检测的建议,展望了套筒灌浆密实性检测的未来发展方向。

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