结构工程师

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结构分析

波形钢腹板简支组合梁桥梁端混凝土附加应力

张愉, 张云, 罗婷倚, 刘玉擎

2022, 38(5): 1-7.

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波形钢腹板简支组合梁桥腹板剪切刚度小,梁端区段腹板剪切变形受到端横梁的约束,混凝土顶底板容易产生附加弯曲应力,基于平截面假定的应力计算方法不再适用。为此,考虑波形钢腹板的剪切变形,基于弹性力学理论推导了在集中荷载和均布荷载作用下梁端区段混凝土顶底板正应力的解析解。结果表明：简支组合梁桥混凝土桥面板附加应力在梁端为峰值,且随着梁端距离的增大应力值逐渐减小至0,长度约为梁高的0.6倍,此范围内平截面假定不再适用;附加应力竖向分布呈现混凝土顶底板上缘受拉、下缘受压,中性轴为0的规律;梁端附加拉应力最大值发生在梁端混凝土顶、底板的上表面,设计中应对梁端混凝土顶底板上表面采取相应的抗裂措施。

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结构分析

基于弹性力学理论的钢筋混凝土结构保护层锈胀开裂时间预测模型研究

李永平, 刘慧源, 赵哲, 邵伟, 李相利, 丁民涛

2022, 38(5): 8-14.

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基于弹性力学理论与钢筋锈胀机理,推导了钢筋混凝土保护层锈胀开裂时的钢筋临界锈蚀量。基于Faraday定律,建立了钢筋混凝土保护层锈胀开裂时间预测模型。通过将模型预测的保护层锈胀开裂时间与试验结果进行对比,对所建立预测模型进行了验证。在此基础上,对影响混凝土保护层锈胀开裂时间的相关因素进行了分析。分析结果表明：随着保护层厚度与混凝土弹性模量的增大,混凝土保护层锈胀开裂时间逐渐增大;而随着锈蚀产物体积膨胀率、钢筋锈蚀速率和混凝土抗拉强度的增大,混凝土保护层锈胀开裂时间逐渐减小。

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结构分析

高温后套筒灌浆连接受拉力学性能分析与仿真

王珍吾, 王玉梅, 欧阳鹭霞, 欧阳希, 刘良林

2022, 38(5): 15-21.

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通过分析套筒灌浆连接受拉的传力机理,发现套筒灌浆料强度是影响接头力学性能的关键。运用Abaqus软件,开展套筒灌浆连接仿真分析。首先实施常温下接头受拉分析,建立界面损伤变量值识别模拟对象的失效模式,通过实测结果验证分析后建立套筒灌浆连接仿真分析方法;然后引入高温作用为研究变量,发现采用抗压强度为85.1 MPa的套筒灌浆料、钢筋黏结长度为7.7倍钢筋直径的套筒灌浆连接受拉时,400 ℃高温作用是连接失效模式转变的临界温度。此外,通过仿真分析,成功捕捉到连接的套筒外钢筋断裂现象以及荷载-位移曲线的下降段,有利于失效模式识别,为提升连接的可靠性提供了重要依据。

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结构分析

组合折腹梁桥外包型结合部受力机理分析

王思豪, 张云, 张坤球, 刘玉擎

2022, 38(5): 22-28.

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为探究组合折腹梁桥折形钢腹板与底板外包型结合部受力,通过实体板壳混合有限元模型,分析了连接件剪力和拉拔力分布规律,得到单位长度连接件剪力合力和各子板剪力分担比,提出结合部单位长度连接件剪力计算方法。研究结果表明,由于折形形状的影响,一个标准波段内各子板连接件剪力差异很大,且部分子板连接件出现一定拉拔力;腹板连接件剪力和拉拔力自上而下呈逐渐减小趋势,下翼缘板连接件剪力较小且不存在拉拔力;波形内凹和外凸直板各分担25%的波段剪力,两斜板的剪力分担比存在较大差异,且与该波形所处的梁段位置有关;考虑剪切变形对结合部连接件剪力的增大效应,得到组合折腹梁外包型结合部单位长度连接件剪力计算方法,为外包型结合部连接件抗剪设计提供参考。

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结构分析

板柱节点配置型钢剪力架对受弯和直剪承载力的影响分析及设计改进

杜旭

2022, 38(5): 29-35.

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钢筋混凝土板柱节点配置型钢剪力架可提高冲切抗力,同时也增强柱上板带支座负弯矩区的抗弯承载力。如不恰当处理,该增强效果将与“强柱弱梁”抗震设计原则矛盾。本文提出改变型钢的截面形式且尽量靠近板底布置,实现不影响型钢剪力架抗冲切性能且减小其对弯曲承载力贡献的目的。为定量分析,考虑柱距和覆土厚度两个参数,设计10种典型工况的地下车库板柱节点。计算表明,在满足抗冲切性能前提下,改进设计的型钢剪力架对抗弯承载力的贡献百分比平均为17%,而传统设计中该值为40%,改进后该贡献百分比显著降低。建议通过适当增配柱纵筋增大柱抗弯承载力,实现“强柱弱梁”。此外,还提出型钢剪力架可提高“板-柱界面”处板的直剪抗力的新认识,针对10种工况计算了型钢剪力架对直剪承载力的贡献。

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结构分析

既有建筑的目标可靠水平研究

吴乐乐, 唐曹明, 罗开海, 黄世敏, 吕大刚, 乔雨蒙

2022, 38(5): 36-43.

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为探究适用于既有建筑评估的目标可靠水平,基于《结构可靠度总原则》（ISO2394）中可接受风险准则和生活质量指数（LQI）准则确定了既有建筑评估的目标可靠指标;分别采用拟建建筑、既有建筑的抗力和作用概率模型,校准了《既有建筑物结构检测与评定标准》（DG/TJ08-804—2005）中不同类型构件的可靠度;依据校准结果分析了基于LQI准则确定的目标可靠指标的可行性。结果表明：基于LQI准则提出的目标可靠指标是可行的;安全等级二级的既有建筑按照现行鉴定标准进行评估时,对于混凝土受剪构件建议仍按照目标可靠指标3.7考虑,其他脆性构件的目标可靠指标可取3.35,延性构件的目标可靠指标可取2.6。

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结构分析

基于Revit的预制板BIM智能创建与拆分软件开发

毕天平, 赵小伟

2022, 38(5): 44-50.

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为了提高装配式建筑工程设计的速度与效率,解决装配式建筑项目中预制板创建类型单一、拆分复杂、不能很好地满足工业化生产需要等问题。基于BIM技术,在Revit API开发环境下结合C#编程语言,实现预制板的智能化应用,主要开发功能包括预制板智能创建、拆分两部分。结果表明：相较于传统的预制板创建与拆分,本程序能够使设计人员对预制板的创建、拆分进行参数化设置,快速高效地批量导出所需预制构件,大幅提高设计效率。为其他预制构件在智能方向的发展提供借鉴,具有广阔的应用场景。

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抗震与抗风

带黏弹性阻尼器可更换连梁的剪力墙结构抗震性能分析

汪盟, 吴浩, 刘晓芳

2022, 38(5): 51-58.

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地震作用后,传统剪力墙结构在连梁和墙角等位置常常发生难以修复的损伤,造成经济损失。针对这一问题,对一种在连梁中设置黏弹性阻尼器的可更换连梁剪力墙结构的抗震性能进行研究。以一个10层联肢剪力墙体为例,通过有限元软件OpenSees分别建立传统方案模型和可更换连梁方案模型,并对二者进行四水准下的弹塑性时程分析,对比分析层间位移角、楼层剪力、墙脚塑性转角和连梁塑性转角等抗震性能指标。结果表明,相较于传统剪力墙结构,在连梁中设置黏弹性阻尼器可以减小剪力墙结构的地震响应,降低塑性损伤,提高抗震性能。

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抗震与抗风

框架-支撑芯筒结构体系的耗能机制研究

傅大宝

2022, 38(5): 59-64.

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为研究框架-支撑芯筒结构在罕遇地震下的耗能机制,对框架-支撑芯筒结构进行弹塑性时程分析,观察结构的耗能分布,并与框架-核心筒结构进行对比,分析设置屈曲约束支撑（BRB）后框架-支撑芯筒结构体系耗能的变化。结果表明：（1）两种结构体系耗能的不同之处在于框架-核心筒结构塑性耗能主要集中在连梁上,而框架-核心筒结构塑性耗能分散在各类构件上,由于钢支撑在罕遇地震下不易屈服,耗能能力未充分发挥。（2）采用BRB等截面替换支撑芯筒的钢支撑,框架-支撑芯筒结构的耗能机制基本保持不变。（3）适当缩小BRB的芯材截面,降低BRB的屈服力,不仅能够降低总体能量输入,而且能够将提高BRB的耗能占比,降低其他构件的塑性耗能,有效地保护了其他构件。可见,理想的框架-支撑芯筒结构宜设置部分或全部采用BRB替代钢支撑。

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试验研究

H型钢-再生混凝土板组合梁抗剪性能试验

刘亦斌, 曹万林, 叶涛萍, 刘策, 郭瑞洁, 王如伟

2022, 38(5): 65-72.

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目前H型钢-再生混凝土板组合梁抗剪性能的试验研究较少。进行了5个H型钢-再生混凝土板组合梁足尺试件抗剪性能试验,各试件尺寸一致：梁净跨3 000 mm,H型钢型号采用HN200×200×6×6,再生混凝土板宽300 mm、厚100 mm;H型钢与再生混凝土板通过栓钉连接。试件的再生粗骨料取代率分为0%、50%、100%,混凝土强度等级分为C30、C60。对比分析了不同设计参数试件的抗剪性能,以及设计参数对试件抗剪性能的影响,结果表明：H型钢-再生混凝土板组合梁,采用栓钉连接构造受力可靠,H型钢与再生混凝土板共同工作性能良好;不同再生粗骨料取代率下H型钢-再生混凝土板组合梁受剪性能和破坏形态接近;提高再生混凝土强度可以显著提高试件的抗剪承载力、刚度和变形能力。

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试验研究

UHPC短焊钉推出试验与抗剪机理参数分析

张乐朋, 徐晨, 侯哲豪, 马骉, 徐艺

2022, 38(5): 73-83.

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针对超高性能混凝土（UHPC）组合桥面板中短焊钉高度及焊钉间距对焊钉抗剪性能影响规律以及超薄UHPC板推出试件受力特征等问题,以宁波西洪大桥接线工程为背景,进行了薄板UHPC短焊钉推出试验、有限元模拟和参数化分析工作。试验表明：UHPC短焊钉破坏模式主要表现为短焊钉根部剪断,UHPC出现局部碎裂;沿推出方向的上、下排焊钉钉身所承担的拉弯应力比存在显著差异。参数分析表明：直径13 mm的焊钉钉高在15~50 mm变化时,钉高降低,焊钉抗剪刚度有增大趋势,极限状态中逐渐出现焊钉拉拔变形,周边UHPC的损伤区域变大,但并未显著影响焊钉的极限承载力;另一方面,焊钉间距在150~300 mm变化时未对焊钉抗剪性能产生显著影响。

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试验研究

配筋PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料梁弯剪性能试验研究及数值模拟

韩建平, 李佳佳

2022, 38(5): 84-92.

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为改善普通混凝土梁的破坏形态,防止脆性破坏,提高承载力,采用特定掺量的PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料（HyFRCC）替代普通混凝土。共设计8根试验梁,包括6根配筋PVA-钢HyFRCC梁和2根普通钢筋混凝土梁,进行弯剪性能试验。受剪性能试验结果表明,与普通钢筋混凝土试验梁出现的剪压破坏不同,配筋PVA-钢HyFRCC试验梁均表现为弯曲破坏,这表明在同样条件下,PVA-钢HyFRCC可以改变梁的破坏模式,有效抑制剪切裂缝的形成和发展,使试验梁呈现多缝开裂的延性破坏。剪跨比对PVA-钢HyFRCC梁的承载能力和破坏模式有较大影响。箍筋间距减小到一定程度,试验梁的开裂荷载和极限荷载均有一定的提高。受弯性能试验结果表明,试验梁均发生弯曲破坏,配筋PVA-钢HyFRCC梁的承载能力和变形能力均较普通钢筋混凝土梁有明显的提高。采用有限元分析软件ABAQUS,将PVA-钢HyFRCC的应力-应变关系与混凝土损伤塑性模型结合,对配筋PVA-钢HyFRCC梁的性能进行数值模拟,数值模拟结果与试验结果吻合较好。

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试验研究

纤维纳米再生骨料混凝土力学性能试验研究

王娣, 陈自豪, 戚国峰, 元成方

2022, 38(5): 93-98.

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将废弃混凝土、烧结砖进行资源化利用是解决城市建筑垃圾堆放及污染的重要途径。通过试验研究分析了不同纤维及纤维掺量对纳米再生混凝土力学性能的影响。研究表明：纳米再生混凝土的抗压强度随着聚乙烯醇（PVA）纤维或聚丙烯（PP）纤维的掺入而下降,且PP纤维对其抗压强度具有更大的削弱作用;抗折强度与劈裂抗拉强度随PVA纤维掺量的增加先增大后减小,掺量为0.9 kg/m³时的增强效果最为显著;纤维掺量（1.2 kg/m³）相同的情况下,PVA纤维较之PP纤维具有更为优异的增强效果;对PVA纤维纳米再生混凝土的强度指标进行拟合分析,其劈裂抗拉强度、抗折强度均与抗压强度具有良好的幂函数相关性。

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试验研究

基于载荷试验的振沉钢管桩承载力研究

蒋益平, 张尔海, 沙丽新, 李卫超, 章苏亚, 李崧, 庞玉麟, 金易

2022, 38(5): 99-106.

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液压免共振锤沉钢管桩施工工艺在城市桥梁工程建设中逐步得到了较广泛的应用,其施工设备轻便、施工速度快,很好地满足了桥梁预制拼装施工的要求。针对液压免共振锤沉钢管桩竖向抗压极限承载力的预测问题,对比了现行各规范计算方法的差异。针对两根长度为50 m、外径700 mm的振沉钢管桩开展了静载荷试验,从试桩结果可以看出,振沉桩休止期42 d对应的实测极限承载力并未达到所有规范计算的极限承载力;休止期72 d对应的实测极限承载力相较42 d时增长了至少16%,达到了公路规范和上海岩土规范计算值。通过不同休止期试桩结果的对比分析,说明振沉桩的休止期不应小于42 d,该值高于目前规范对静压桩和打入桩的推荐休止期;同时也说明现有振沉钢管桩极限承载力计算方法有值得改进之处;上海地区,当桩端持力层为密实砂土时,采用公路规范和上海岩土规范的计算方法是较合理的。

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试验研究

双格室型GFRP桥面板疲劳性能试验研究

孙耘, 刘玉擎, 辛灏辉

2022, 38(5): 107-112.

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为探究拉挤格室型GFRP桥面板受往复荷载作用的疲劳性能,开展了集中荷载下的常幅疲劳试验,试验测试了四种荷载幅下GFRP桥面板位移和应变响应。研究结果表明：拉挤格室型GFRP桥面板在横向负弯矩作用下,加载点处顶板近结合部位置先萌生纵向裂纹,顶板裂纹经历了前期快速扩展、速率放缓的稳定扩展、破坏前失稳扩展三个阶段;腹板裂纹较晚出现,左腹板（内榫侧）距顶面40 mm内的6 mm板厚段较晚萌生数条纵向裂纹;顶板裂纹对整体刚度影响不大,腹板裂纹会引起腹板中性轴下移,导致GFRP桥面板结构整体刚度退化。

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试验研究

超高层双塔中部联通异型建筑结构风洞试验研究

廖凯, 岳峰, 刘博文, 王飞, 齐广通, 李成勇, 许学刚

2022, 38(5): 113-125.

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介绍了某超高层双塔中部联通异型建筑风洞试验方法与数据分析,对该超高层复杂结构的风压分布、风压系数及体型系数进行了研究,得到了可供设计使用的等效静风荷载与楼顶峰值加速度。结果表明,风压在建筑物的中上部及立面拐角区域较大,风吸力（负压）要大于风压力（正压）,整体上南塔（高度较低）风压小于北塔（高度较高）风压,总的等效静力风荷载主要由平均风荷载控制。研究成果可为该类结构抗风设计及相关研究提供参考依据。

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地基基础

自进式中空注浆锚杆在地下抗浮设计中的应用分析

周永明, 徐伟斌, 华贝, 吴能文

2022, 38(5): 126-132.

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自进式中空注浆锚杆是一种集钻进、注浆、锚固功能于一体的新型锚杆,在地下抗浮设计中采用自进式中空注浆锚杆,可有效解决软弱、破碎、松散岩层中全粘型锚杆常遇到的塌孔、缩径、注浆不饱满等问题。结合工程实际,对岩层破碎带区和非破碎带区分别采用自进式中空注浆锚杆和全粘型锚杆进行抗浮治理。在破碎带区从抗拔承载力、变形特征、注浆压力和注浆量进行对比分析2种锚杆的抗浮效果。试验结果表明,自进式中空注浆锚杆最大拉拔力均达到400 kN,远大于全粘型锚杆的310~328 kN,最大变形量3.6 mm,残余变形量2.5 mm,远小于全粘型锚杆最大变形量7.6 mm和残余变形量5.7 mm;中空锚杆和全粘锚杆的注浆压力分别为1.3 MPa和1.0 MPa,中空锚杆注浆量较全粘锚杆提高约20%,中空锚杆锚固性能、注浆效果和耐久性能均优于全粘型锚杆。自进式中空注浆锚杆可通过施加预应力,形成拉力型预应力中空注浆锚杆。

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地基基础

深厚回填土地基强夯加固效果影响因素研究

李怡文, 陈颖辉, 邹梦超

2022, 38(5): 133-139.

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影响深厚回填土地基强夯施工效果的因素有很多,基于云南某深厚回填土地基强夯处理项目,采用单一变量原则,运用ABAQUS有限元模型,结合以往经验,逐个分析影响强夯作用的参数,分别研究在同一夯击能下不同夯击次数、不同夯击组合、不同夯锤直径对强夯加固作用的影响,以及在不同夯击能冲下地基土体的竖向位移、竖向应力、水平位移的变化情况。研究成果可为强夯施工提供参考。

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地基基础

新型装配式基坑抢险斜撑稳定性研究

周业, 王胜, 刘晓明, 谭鑫, 黄华

2022, 38(5): 140-147.

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提出了一种新型基坑装配式斜撑支护结构,该斜撑可快速装配后处理基坑突发险情,及时遏制基坑围护结构变形,并可在基坑抢险结束后回收和重复利用。针对该新型基坑斜撑结构进行了室内物理模型试验和数值分析,获得了不同工况下斜撑荷载位移曲线和地基土变形特征,揭示了新型装配式斜撑的承载模式和失稳机理。斜撑所受荷载将由斜撑和底板两部分共同承担,斜撑+底板组合承载时的承载力明显大于底板单独承载时的承载力,且组合承载力随着斜撑的埋置长度增加不断增大,斜撑与底板共同承载具有良好的稳定性。

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结构加固与改建

预应力桥梁波纹管堵塞加固处理技术应用探讨

张玉明, 秦元昊, 谭天乐

2022, 38(5): 148-154.

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大跨桥梁预应力施工过程中波纹管堵塞后的开槽处理,会对桥面板截面造成较大削弱,影响结构的承载力及使用性能。对大跨桥梁横桥向波纹管堵塞后的加固处理进行了研究,提出了在原桥面板顶面补增预应力筋、新浇配筋混凝土叠合层代替原顶板上垫层做法的加固方案。计算结果表明,此种加固方案,桥面板的总厚度和桥面荷载没有增加,开槽后张拉的原预应力筋和补加的预应力筋共同保证了结构的抗裂性能;桥面板结构层厚度增大,保证并提高了结构的承载能力。可为同类型工程的加固处理提供借鉴与参考。

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设计方法与研究

青岛世茂国际中心3号楼超限高层结构分析与设计

于孟伟, 高赫, 蔡兴彬, 徐志勇

2022, 38(5): 155-163.

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青岛国际世茂中心项目3号楼地下3层、地上48层,塔楼屋面结构高度175.8 m,为框架-核心筒结构体系。塔楼平面呈椭圆形,立面呈梭形,平立面变化复杂,结构超限。采用SATWE和MIDAS Building两种软件进行了小震弹性计算,结果表明,结构的周期比、层间位移角、抗剪承载力比等均满足规范要求。同时对结构采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算,结果表明所取地震波平均谱满足规范要求并符合地震动三要素,结构在风荷载及多遇地震作用下,能保持良好的抗侧性能和抗扭转能力。采用SAUSAGE对结构进行动力弹塑性分析,计算所得结构在罕遇地震下的层间位移角满足规范限值要求。

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设计方法与研究

千岛湖某商场钢结构分析与设计

谭金涛

2022, 38(5): 164-171.

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千岛湖某商业项目建筑面积约16万m²,平面尺寸为171.4 m×207 m,建筑高度为22.95 m,结构采用了钢框架-支撑形式。本文主要阐述了本商业项目的商场钢结构设计的关键问题及解决方式,包括结构防震缝方案、多个独立小屋面地震作用、钢连廊抗震性能化设计、超长钢结构温度效应、悬挑及大跨钢楼盖不同边梁布置方案舒适度对比。

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设计方法与研究

某圆环形教育建筑结构分析与设计

赫明月, 阮林旺, 丁祝红

2022, 38(5): 172-176.

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西交利物浦大学太仓校区教学区项目建筑平面整体以大圆环串联7栋U形建筑,圆环直径达322 m,周长约1 000 m。建筑地下1层,地上5层,结构最大高度23.51 m。圆环上方有一通长屋顶构架,构架顶标高30.66 m。地上结构设置7道结构缝,将整体建筑划分为9个独立的结构单元,包含3个双U形建筑、1个单U形建筑、3个跨河道连接体及2个环内点状建筑。本文对各结构单元的结构体系进行了方案比选,同时围绕项目设计过程中的要点及难点进行了论述,设计思路及相关结论可供类似工程参考。

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文献综述

疲劳荷载作用下CFRP-钢粘结性能综述

吕兆华, 徐海斌, 余倩倩

2022, 38(5): 177-181.

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钢结构基础设施在服役过程中,受到荷载和环境介质的共同作用,往往产生裂纹、锈蚀等损伤。碳纤维增强复合材料（CFRP）轻质高强、耐疲劳和腐蚀性能好,在钢结构补强领域具有广泛的应用前景。在粘结加固体系中,CFRP-钢界面粘结性能是保证补强效果的关键。本文对疲劳荷载作用下CFRP-钢界面粘结性能的已有研究进展进行综述,包括试验工况、疲劳荷载下粘结节点的破坏模式、粘结强度、荷载—位移曲线和粘结—滑移曲线等,并总结了相关损伤模型。

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文献综述

Fe-SMA材料补强钢结构疲劳性能综述

吴水根, 余倩倩

2022, 38(5): 182-190.

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钢结构基础设施在服役过程中,受到荷载和环境介质的共同作用,往往产生裂纹、锈蚀等损伤。铁基形状记忆合金（Fe-SMA）材料性能优良,价格相对低廉,可基于形状记忆效应,便捷地施加预应力,对疲劳损伤钢结构进行加固补强。本文对Fe-SMA材料补强钢结构疲劳性能已有相关研究工作进行综述,包括Fe-SMA材料恢复应力、Fe-SMA加固钢结构疲劳性能、环境温度和疲劳荷载对钢结构补强体系的影响,并和NiTinol-FRP复合材料补强钢结构疲劳性能进行了对比。

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