结构工程师

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结构分析

大跨越输电塔四钢管组合柱稳定承载力研究

甘懿德, 邓洪洲, 李秉泽

2022, 38(3): 1-8.

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四钢管组合柱是一种新型的大跨越输电塔主材形式。结合输电塔四管组合柱初始缺陷特点,在考虑初弯曲的单肢验算法基础上推导了考虑初弯曲和初偏心的四管组合柱单肢验算法计算公式。应用有限元分析研究适用于输电塔组合柱的换算长细比公式以及弹塑性稳定承载力计算方法,并结合苏通大跨越钢管塔案例对计算公式进行进一步验证,为该类构件设计提供了参考。结果表明,采用考虑缀板剪切变形影响的换算长细比公式能得到更准确的弹性稳定承载力,而在计算名义长细比小于10的组合柱弹塑性稳定承载力时应考虑缀板剪切影响。

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结构分析

大跨度网状吊杆拱桥索梁锚固区局部受力分析

苏庆田, 卢志威, 张洪金, 沈翀, 王倩

2022, 38(3): 9-14.

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以主跨420 m的大跨度网状吊杆拱桥济南齐鲁大道黄河大桥为背景,运用ANSYS有限元软件对锚拉板式偏心索梁锚固结构进行有限元计算,研究其局部应力分布、传力机理和极限承载力。分析结果表明,锚拉板的圆弧倒角处出现小范围的应力集中,偏心对结构受力影响较小;锚拉板结构的传力路径为吊杆-锚管-锚拉板-钢主梁,主要依靠锚管、锚拉板与主梁三者之间的焊缝进行力的传递;弹塑性计算分析表明,索梁锚固区极限承载力为运营状态标准组合下的最大吊杆力的3.98倍,以锚管端部全截面塑性破坏作为结构失效标志。

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结构分析

基于三维实体元的预应力混凝土变截面桥梁长期性能分析

李金国, 厉勇辉, 牛伟迪

2022, 38(3): 15-23.

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预应力混凝土变截面梁桥空间效应较为突出,顶、底板和腹板理论厚度差异较大,杆系模型很难揭示结构成桥后收缩徐变作用下的时变效应。本文对比分析了ACI209、CEB-FIP（1990）和B4三种收缩徐变模型差异,采用Fortran语言编写ACI209、CEB-FIP（1990）和B4收缩徐变子程序,采用三维实体单元对比分析并揭示了PC变截面梁桥在不同收缩徐变模型作用下中跨跨中挠度、中跨跨中底板压应力和腹板主拉应力变化,B4模型下结构长期挠度呈不收敛的发展趋势,中跨1/4至中跨1/2区域内主拉应力相对于其他区域对竖向预应力损失更为敏感。计算分析表明,桥梁截面应力处于合理成桥状态,能有效抑制结构长期下挠。

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结构分析

基于BP神经网络的预制柱套筒灌浆缺陷检测研究

马毅, 周德源, 张璇, 韩笑

2022, 38(3): 24-32.

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装配式建筑节点的连接对其性能好坏起着决定性的作用,随着国家大力推广装配式建筑,节点连接处的缺陷检测变得越发重要,然而目前针对装配式混凝土结构的套筒灌浆缺陷检测相关研究较少。本文利用有限元软件ABAQUS建立了4种不同约束条件下采用套筒灌浆方式连接的预制柱的数值计算模型,通过设置不同缺陷工况,获得神经网络训练参数,从而训练BP神经网络,用于后续缺陷检测;研究了训练数据中是否含有噪声对神经网络的影响以及测试数据中含有噪声时对缺陷检测结果的影响。结果表明：相较于原始数据,由含噪数据训练得到的神经网络精度更高,性能更好,同时也能改善均方误差及各数据集的回归分析结果;对尚需检测的数据,应注意在测试前是否对数据进行滤波处理,以减小缺陷检测结果的误差。

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结构分析

预弯钢横梁对组合桥面板受力的影响分析

闵玉, 苏庆田, 胡一鸣, 张春雷, 王倩, 陈亮

2022, 38(3): 33-39.

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为了探明预弯钢横梁对组合桥面板受力的影响,并得到合理的钢横梁预弯的方法,采用数值模拟的方法建立了预制阶段组合桥面板单节段的有限元模型,详细模拟了组合桥面板节段的预制过程,计算得到了在不同钢横梁预弯的方法下组合桥面板的钢结构、混凝土的应力分布规律。结果表明,钢横梁预弯的方法可以使组合桥面板的混凝土产生较大的预压应力,但是在不同横梁预弯的方法下混凝土预压应力的大小有差异。综合考虑具体的施工方法和组合桥面板的受力情况,得到了合适的预弯钢横梁方法。

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结构分析

电梯井道与既有建筑弱连接节点受力性能分析

张宪江, 李超, 谢恩普

2022, 38(3): 40-46.

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针对增设电梯技术上比较复杂、难以处理的井道与既有建筑之间的连接问题,基于典型的“弱连接”节点,对其受力性能进行了理论分析和ANSYS有限元仿真分析。分析结果显示,“弱连接”对既有建筑的影响较小,但连梁长度对“弱连接”节点内力的影响较大。当连梁长度很小时,Z向目标位移对节点内力的影响不容忽视;特别地,Y向目标位移作用下节点中的应力可能超过钢材的设计强度,应当引起足够重视。建议采用“弱连接”构造时取适宜的连梁长度,且在整体分析的基础上对连接节点合理设计,以确保节点安全有效。

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抗震与抗风

对于抗震设计规范设计反应谱的探讨和建议

杨悦, 施卫星, 赵昕, 王梁坤, 李晓玮

2022, 38(3): 47-57.

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随着长周期的高层结构和大阻尼的消能减振结构应用的增多,提出适用于此类结构的抗震设计反应谱的重要性逐渐提升。本文对真伪反应谱进行了对比分析,指出伪绝对加速度谱能够代表结构弹性内力,真绝对加速度谱不能代表结构弹性内力且存在反超现象,对真伪反应谱之间的关系做了定量分析。利用简谐荷载双规准谱分析了地震反应谱的一般规律。建议规范设计反应谱采用伪加速度谱或与之等效的三联谱,指出了三联谱间的等效关系以及反应谱转折点周期与三联谱峰值间的关系,并对该谱的相关特征受阻尼比和地震动特性的影响进行了研究和讨论。

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抗震与抗风

基于弯剪型结构简化计算模型和物理随机地震动模型的地震易损性分析

苏嘉頔, 彭勇波, 宁超列

2022, 38(3): 58-66.

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针对区域建筑的地震易损性分析,提出了能够反映弯剪耦合效应的结构简化计算模型。同时,考虑地震动随机性的影响,建立了基于物理随机地震动模型的地震易损性分析方法。研究结果表明：本文提出的结构简化计算模型具有模型参数少、计算速度快、能够准确反映弯剪耦合响应的特点。同时,基于物理随机地震动模型,结合概率密度演化理论开展建筑结构的地震易损性分析,相比传统方法更能精细和全面地反映地震动随机性对建筑结构损伤特征的影响。这一工作为区域建筑的地震易损性分析提供了新思路。

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抗震与抗风

基于破坏概率的大跨度柱面网架不规则结构风灾易损性分析

柴云霏, 范存新

2022, 38(3): 67-74.

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为更有效地评估结构抗风性能、对结构进行合理的风灾预测,本文对大跨度不规则网架结构有限元模型进行风灾易损性分析,以期对柱面网架结构抗风设计规范的编制提供依据。利用AR线性滤波法编制大跨空间结构内多点脉动风速的模拟程序,依托工程实例构建三维模型,结合ANSYS动力分析模块与APDL参数化设计语言对结构进行风振响应时程分析。根据对计算结果的统计分析,通过定义损伤指数的方法得到结构不同破坏状态的发生概率,绘制结构在0°和90°风向角下的易损性曲线。结果表明：该结构有着较强的抗倒塌能力,但是在强风作用下各类破坏的发生概率仍然不容小觑,在结构设计中应该引起足够重视。

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试验研究

UHPC连接预制拼装桥墩拟静力试验

段昕智, 徐文靖, 李建中

2022, 38(3): 75-82.

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为了解超高性能混凝土（UHPC）连接预制拼装桥墩在往复荷载作用下的受力性能,本文设计和制作了整体现浇桥墩和UHPC连接预制拼装桥墩大比例尺缩尺模型,开展了水平方向拟静力试验,研究了试件破坏模式、滞回特性、骨架曲线、残余位移和刚度退化等性能,并将UHPC连接的预制拼装桥墩与整体现浇桥墩进行了比较分析。拟静力试验结果表明,UHPC连接的预制拼装桥墩和整体现浇桥墩的破坏形态均为立柱墩底扩大段上方的等截面处弯曲破坏,墩底连接段无明显损伤。在水平往复荷载作用下,UHPC连接预制拼装桥墩的耗能能力、极限承载力和残余变形等均接近整体现浇桥墩,各项指标相差均在15%以内,试件具有较好的抗震性能。本文研究结果可以为UHPC连接预制拼装桥墩在实际桥梁工程中的设计和应用提供试验基础和参考价值。

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试验研究

轻钢桁架龙骨外墙挂板抗弯刚度分析及试验研究

陈英杰, 董睿成, 陈国新, 杨桓

2022, 38(3): 83-91.

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在装配式钢结构住宅建筑发展过程中,对外围护体系提出了新的要求。本文研究一种应用于钢结构住宅的新型轻钢结构外墙挂板,分析挂板的抗弯刚度并进行试验研究。研究轻钢桁架龙骨外墙挂板使用阶段刚度,通过对墙板刚度的理论分析确定影响墙板刚度的因素。共选取了桁架龙骨个数、桁架龙骨高度、龙骨钢筋直径以及内外饰面板的厚度这四个因素,通过四组共12个3 600×2 400 mm的足尺模型进行试验,探究了在单调荷载作用下各个因素对墙板的刚度影响,试验发现改变龙骨的布置及设计能大幅改变墙板的刚度。根据试验数据计算得到墙板实测刚度值,对比分析不同的刚度理论值与实测值,确定对桁架龙骨刚度进行分析的计算方法可有效的反映墙板整体的刚度,最大误差为13.5%。本文的研究可以为这类轻钢外墙挂板的刚度设计提供参考。

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试验研究

配置CRB600H级箍筋混凝土柱抗震性能试验研究

李国桢, 朱爱萍, 翟文, 赵勇

2022, 38(3): 92-100.

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对6个配置CRB600H级箍筋和HRB500E级纵筋的混凝土柱进行了拟静力试验,研究其破坏形态、滞回性能、骨架曲线、耗能、位移延性和极限承载力,分析配箍特征值对其抗震性能的影响。结果表明：各试件均呈现柱根部正截面受弯破坏;各试件的滞回曲线均较为饱满;各试件的位移延性系数为3.85~4.51,极限位移角为1/34~1/29,具有较好的延性性能;配置CRB600H级高强箍筋能提高混凝土柱的承载力和抗震性能。另外,结合收集到的19组配置550 MPa级冷轧带肋箍筋混凝土柱的抗震试验数据,经分析得到了配置高强冷轧带肋箍筋混凝土柱的位移延性系数、极限位移角与配箍特征值、轴压比的关系,并进一步提出了基于位移的柱端箍筋加密区最小配箍特征值的取值建议。

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试验研究

U形截面PSRC梁预制构件受力性能试验和数值模拟

张益, 邵永健, 易乐平

2022, 38(3): 101-109.

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为研究型钢混凝土叠合梁底部预制构件的受力性能,完成了6个U形截面PSRC梁底部预制构件在单调静力荷载下的试验,此类梁属非框架梁。在此基础上,使用ABAQUS对这6个试件进行了模拟分析。试验结果表明,剪跨比为1.5的试件发生剪切斜压破坏,剪跨比为3.0和4.5的试件发生受弯破坏;混凝土强度的提高对试件刚度和承载力影响不大;蜂窝式型钢试件较实腹式型钢试件延性差且承载力提高有限;配筋率越高试件承载力越大,但不宜超过3.38%。此外,试件的荷载-挠度曲线模拟结果与试验结果吻合较好,说明用ABAQUS来模拟U形截面PSRC梁底部预制构件的受力性能是可行的。最后,用此方法研究了不同参数对U形截面PSRC梁底部预制构件受力性能的影响规律。

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试验研究

石材面板背栓节点拉拔力学模型及试验验证

廖磊, 银鹏, 樊圆, 卢文胜

2022, 38(3): 110-116.

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背栓节点拉拔性能是影响石材面板平面外承载能力的主要因素。本文在考虑不同材料性能参数和初始状态下,提出了石材面板背栓节点拉拔作用下的三种力学模型及相应破坏模式;对三种模型的关键参数和力学行为进行探讨;完成了石材面板背栓节点拉拔试验,验证了所提出的力学模型及破坏模式的合理性。

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地基基础

含水率变化对膨胀土地基单桩承载特性影响数值模拟

吕玺琳, 范琪, 刘泳钢, 江杰

2022, 38(3): 117-122.

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由于膨胀土存在胀缩特性,膨胀土地基含水率改变导致的桩基承载力变化值得关注。基于三轴固结剪切试验,获得不同含水率条件下膨胀土的强度变化规律。建立膨胀土地基中单桩承载力三维弹塑性有限元分析模型,研究了地基含水率变化对桩基承载特性的影响,获得了极限承载力随地基土含水率的变化特性,并得出了桩身轴力、桩侧摩阻力分布规律。进一步分析表明,地基含水率升高导致桩的承载特性曲线由缓变型变为陡降型,在天然含水率附近极限承载力对地基含水率变化较敏感。对于不同含水率的地基,桩身轴力沿深度逐渐减小,桩侧摩阻力沿深度近似线性增加,在接近桩端处达到峰值之后急剧减小。地基含水率升高将导致桩侧阻力与桩端阻力之比明显增大,桩的类型由摩擦端承型向端承摩擦型转变。

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地基基础

考虑不同固结阶段条件下旧桩承载力的预测研究

苏聪, 李镜培, 谢峰

2022, 38(3): 123-130.

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旧桩再利用是实现绿色建造和促进桩基工程技术进步的有效途径。为了在实际工程中应用旧桩设计理论,降低计算复杂度,定义了承载力时效系数来表示承载力的时效性并提出了时效系数的简化计算方法。该方法将主固结与次固结阶段相结合,建立了综合考虑两阶段影响的承载力简化计算方法。针对主固结阶段超孔隙水压力消散导致承载力增长,提出了半经验半理论简化计算公式;针对次固结阶段孔隙比减少导致承载力增长,提出了相应简化计算公式,并对简化公式进行了实例验证与参数分析。通过实例进行计算验证,结果表明,本文的简化计算方法与实测数据吻合较好,在一定程度上反映了承载力变化的内在机理。

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地基基础

非均质和各向异性裂缝边坡稳定性分析

梁承龙, 刘芳

2022, 38(3): 131-137.

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针对非均质及各向异性裂缝边坡稳定性分析,在破坏机构中引入一条竖直张拉裂缝,采用极限分析上限定理并考虑孔隙水压力作用,建立能量平衡方程求解裂缝边坡稳定系数上限解。通过算例进行对比验证,同时探究土体非均质性和各向异性对裂缝边坡稳定性以及裂缝深度和位置的影响规律。结果表明,孔隙水压力的存在会降低边坡稳定性;边坡稳定性随非均质系数的增大呈线性增大,且随各向异性系数增大而减小。裂缝中存在水会导致裂缝深度增加;裂缝深度随着非均质系数和各向异性系数减小而增大,而各向异性系数对裂缝位置的影响可以忽略不计。

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地基基础

模块化变电站人字构架预应力装配式基础研究及有限元分析

张慧洁, 王灿, 李景哲, 王静峰, 高奔浩

2022, 38(3): 138-147.

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为了推动模块化绿色变电站的示范和应用,人字构架现浇混凝土基础亟待向预制装配化发展,然而目前国内外相关研究较少见。本文通过合理优化基础结构、提出可靠连接方式,研发出了一种新型人字构架预应力装配式基础。使用ABAQUS有限元程序考虑了材料非线性和“预应力装配式基础-地基土体”复杂接触等问题,分析其在设计荷载下的受力性能、基础沉降和变形协调等。研究结果表明,该预应力装配式基础在设计荷载下的承载力和沉降值均满足规范要求,基础与土体在受荷时协同变形,持荷情况良好。研发的新型基础具有良好的社会经济效益。研究成果可为模块化变电站人字构架装配式基础的推广和应用提供参考依据。

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地基基础

变电站GSU模块装配式基础受力性能与数值分析

张慧洁, 刘超, 高奔浩, 王静峰, 李景哲

2022, 38(3): 148-154.

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本文研发设计了一种适用于绿色模块化变电站主变压器（GSU）设备的、由若干个模块组成的“梁柱一体化框架”新型装配式混凝土基础。采用ABAQUS有限元程序建立了“装配式基础-无限元土体”数值分析模型,在考虑材料非线性、基础-土体界面接触、边界条件和基础-土体相互作用的基础上,研究分析了地基和基础的受力、变形规律。研究结果表明,GSU模块装配式基础具有规范要求的工作性能,并兼具降低工程造价、提高施工效率等优点;其数值分析结果与现行规范计算结果接近,可根据现行国家规范规定方法进行GSU模块装配式基础的设计计算。

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工程施工

整体钢平台结构体系安全性能研究

朱毅敏, 徐磊, 陈逯浩, 王少纯, 张星波, 陈俊博

2022, 38(3): 155-163.

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超高层建造整体爬升钢平台模架装备须随核心筒结构形状的变化而相应变形调整,因此,复杂多变的平面形式和受力工况给钢平台的设计和施工带来了极大困难。针对复杂体型超高结构整体钢平台结构分析与安全控制的难题,本文设计了满足抵抗不同作用的整体钢平台结构,分析了在不同阶段的竖向荷载与作用,并制定了相应的变形控制指标;采用整体模型进行了全过程仿真模拟,并根据受力特点布置了自动化监控装置。采集的监测数据与计算结果吻合较好,有效控制了整体钢平台结构的安全性,为大型装备结构的风险控制提供了支撑。

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结构加固与改建

隔震支座在房屋顶部加层改造中的应用

李晓玮, 施卫星, 虞终军

2022, 38(3): 164-171.

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对于顶部加层改造,如果将新加层当作质量块,通过铅芯橡胶支座或者摩擦摆支座提供调谐刚度和阻尼,便形成了控制水平向震动的调谐质量阻尼器（TMD）。传统的刚性加层方式会增加下部结构的地震响应,采用隔震支座后的新加层反而对下部结构具有减震的效果。本文用实例工程对比了不加层、刚性加层和采用铅芯橡胶支座、摩擦摆支座加层后结构的地震响应,并从理论上分析了两种隔震支座对结构震动衰减的影响因素。

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设计方法与研究

基于船舶规范的水秀平台结构优化设计

杨飞, 汤婧

2022, 38(3): 172-178.

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对水秀平台按照其功能要求进行结构设计,建立水秀平台的结构有限元模型,结合iSIGHT多学科优化设计软件,开展水秀平台基于船舶规范的轻量化优化工作。优化后的水秀平台结构总重量相比初始设计值减小了12.4%。对结构优化结果进行分析,表明大长宽比、大宽深比结构总体变形是在结构设计时需要重点考虑的问题。优化设计方法对于同类型结构的优化设计具有一定的参考意义。

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设计方法与研究

某偏置连体大底盘双塔超限结构设计

阮林旺, 黄林, 刘浩晋

2022, 38(3): 179-189.

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上海某偏置连体高层建筑,采用钢框架-中心支撑结构体系,存在扭转不规则、楼板不连续、侧向刚度不规则、大底盘双塔及连体结构等多项超限内容。针对以上内容,运用YJK与ETABS两款软件进行了对比分析,采用YJK进行弹性时程分析,采用ETABS进行弹塑性动力时程分析与楼板应力分析,并对关键的大底盘双塔部分进行了专项分析。结果表明,结构具有良好的承载能力与抗震性能。

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设计方法与研究

基于柱实体元及活荷载不利布置的无梁楼盖设计

朱黎蓬, 张书鸳, 房晶辉

2022, 38(3): 190-197.

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由框架柱模拟方式对柱顶托板弯矩峰值影响与进行活荷载不利布置的必要性两个方面展开,讨论无梁楼盖设计中的相关问题,并提出以下建议：①考虑框架柱实际截面尺寸影响,采用实体单元模拟框架柱,使其与托板相连接区域由一个点变成一个面,能够减缓柱顶处应力集中程度,可以起到弯矩削峰的作用,有助于合理化配置柱顶托板处配筋,且此方法同样适用于筏板基础设计;②对地库顶板等活荷载相对较大工程,活荷载不利布置对无梁楼盖的设计影响较大,应当考虑,实际工程设计中,可以采用基于广义单元并结合Sap2000中Range Add荷载组合方式加以实现,不受跨度、荷载类型等的影响。

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设计方法与研究

南京金融城二期C3塔楼结构分析与设计

付宗超

2022, 38(3): 198-205.

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南京金融城二期C3塔楼地上49层、地下5层,建筑高度为188.6 m,采用型钢混凝土框架-混凝核心筒结构体系。塔楼平面为近似矩形,在41层楼面处平面收进为一半,为高位不对称立面收进的建筑。针对结构的不规则情况,采取相应的加强措施,提出符合结构特点的抗震性能目标,对整体结构进行了小震、中震及大震的分析,并针对结构的高位立面不对称收进的特点进行了详细的分析。分析结果表明,该结构设计安全可靠,抗震性能良好。

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设计方法与研究

西安奥体中心体育馆整体结构分析与设计

阳小泉, 赵雪峥

2022, 38(3): 206-214.

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西安奥体中心体育馆是14届全运会主体育馆,体育馆下部混凝土采用框架剪力墙结构,上部钢屋盖采用双层肋环形网壳结构,屋盖最大跨度136.6 m。采用YJK和Midas gen两种软件对体育馆进行了整装分析、弹性时程分析,并对支承钢屋盖的内圈框架进行了刚度退化分析。采用SAUSAGE软件对整体结构进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。采用ABAQUS软件对钢结构屋盖进行了整体稳定分析和关键节点的有限元分析。分析结果表明,结构各项指标均能满足规范要求。

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