结构工程师

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结构分析

基于随机子空间方法的向量式有限元索网模型模态识别

黄嘉思, 徐文城, 段元锋, 章红梅

2022, 38(6): 1-6.

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向量式有限元（VFIFE）可以有效分析模拟柔性结构大变形、非线性或不连续力学行为,无须组集整体刚度矩阵,因而无法直接利用特征值求解得到模态参数。本文基于随机子空间识别方法（SSI）,在VFIFE求解程序中嵌套基于协方差的随机子空间识别程序（VFIFE-SSI）,分别对孪生索-索网体系和异索-索网体系的VFIFE模型进行模态识别,得到索网结构的模态频率、阻尼比和振型,通过对比解析解和传统有限元求解结果,验证了VFIFE-SSI方法的准确性。分析结果表明,辅助索的刚度和阻尼系数会影响索网结构的模态参数,工程中可以通过调节辅助索参数来调整索网整体性能。

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结构分析

预制桥墩承插式连接轴压性能分析

吕新建, 李涛, 刘朵, 程钊, 张建东

2022, 38(6): 7-14.

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为研究预制桥墩承插式连接在轴压作用下的力学性能,通过非线性三维数值模拟,确定了测试承插式连接轴压性能的合理模型设计方案,研究了墩柱承插深度、墩柱界面构造以及灌浆料强度对轴压性能的影响规律。研究结果表明：基于表面接触算法的ABAQUS有限元数值模型能较好地模拟承插式连接在轴压荷载下的力学行为;采用圆形底座与外包约束钢管的试件设计方案可避免因应力集中产生的底座开裂现象,有利于充分测试承插式连接的轴压性能;增加墩柱承插深度将提升承插式连接的轴压承载力,且承载力提升与承插深度增加呈线性关系,但承插深度对连接侧剪力强度的影响较小;采用波纹、键齿、糙化三类墩柱界面构造的承插式连接轴压性能相似;灌浆料抗压强度由40 MPa提升至80 MPa,承插式连接轴压承载力仅提升11.4%。

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结构分析

翼缘约束对波形钢腹板弹性剪切屈曲的嵌固效应

张博珊, 蔚江江, 陈惟珍

2022, 38(6): 15-22.

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现有波形钢腹板剪切性能设计和评估公式,是基于四边简支波形板或具有某种特定翼缘的波形钢腹板工字梁分析结果提出的,不能合理反映翼缘约束对波形钢腹板剪切屈曲的嵌固效应。弹性剪切屈曲是波形钢腹板剪切性能研究的重要基础。本文采用通用有限元分析软件ANSYS,通过特征值屈曲分析,对9组四边简支波形板模型和63组波形钢腹板工字梁模型的弹性剪切屈曲行为进行模拟。分析模型按腹板波形和腹板长宽比划分为9个系列。通过对各系列模型翼缘尺寸的参数化分析,探索翼缘约束作用及其对波形钢腹板弹性剪切屈曲应力的影响规律。提出了翼缘约束程度的定量化评价参量及其对波腹板弹性剪切屈曲嵌固效应的定量化评价系数。研究结果表明,翼缘约束对波形钢腹板的弹性剪切屈曲具有嵌固效应,波腹板的弹性剪切屈曲应力高于相应的四边简支波形板。

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结构分析

大型钢桁架渡槽注水过程及其结构响应数值研究

常皓程, 吴志刚, 陈艾荣, 殷亮, 马如进

2022, 38(6): 23-29.

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淠河总干渠渡槽工程是国内第一座大型钢桁架渡槽,目前国内外尚缺乏针对这一桥型的注水过程的动力响应的研究。基于VOF和有限元方法对渡槽注水过程及在这一过程中结构的动力响应进行数值模拟。首先使用VOF方法,对不同开闸高度下的渡槽充水过程进行了多相流模拟,然后将得到的结果以静力荷载和动力荷载的形式加载到结构之上,得到相应的结构响应并对比了两种方法得到的结果。

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结构分析

热轧变厚U肋钢桥面板疲劳机理分析

盛荣荣, 刘玉擎, 董小强, 陈艾荣

2022, 38(6): 30-37.

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为改善正交异性钢桥面板疲劳性能,热轧变厚U肋首次大规模应用于厦门第二东通道跨海钢箱梁桥。为揭示热轧变厚U肋与顶板双面焊接钢桥面板的疲劳机理,利用ANSYS建立钢桥面板局部模型,基于热点应力法开展疲劳性能评估,分析疲劳细节在轮载作用下的应力历程、应力幅和应力分布,并与常规的8 mm等厚U肋进行比较研究。结果表明：相比于8 mm等厚U肋,采用热轧变厚U肋不改变疲劳细节热点应力变化趋势;热轧变厚U肋能够显著降低横隔板处顶板焊趾、U肋与横隔板焊缝端部U肋焊趾的热点应力幅,降幅分别为19%和20%,并缓解横隔板处顶板焊趾附近应力集中程度。

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抗震与抗风

氯盐侵蚀钢筋混凝土梁抗震性能研究

蒋欢军, 陈尚, 刘邦禹

2022, 38(6): 38-43.

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为了解氯盐侵蚀钢筋混凝土梁的抗震性能,采用经验证的氯盐侵蚀损伤钢筋混凝土梁精细化建模方法,建立了120个氯盐侵蚀钢筋混凝土梁的精细有限元模型。分析了钢筋锈蚀率、剪跨比、纵筋配筋特征值、配箍率、混凝土强度等级5个参数对氯盐侵蚀钢筋混凝土梁构件抗震性能的影响。结果表明：锈蚀率是影响氯盐侵蚀钢筋混凝土梁破坏模式的重要参数;纵筋配筋特征值和剪跨比对氯盐侵蚀钢筋混凝土梁的变形性能有较明显影响。研究成果可为氯盐侵蚀钢筋混凝土结构全寿命设计与抗震性能评估提供参考。

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抗震与抗风

基于刚度比设计的屈曲约束支撑-混凝土框架抗震性能研究

胡大柱, 陶林杰, 杨振桥

2022, 38(6): 44-54.

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为研究刚度比对屈曲约束支撑—混凝土框架结构体系的影响及其合理的取值范围,分别设计了初始层间位移角不同的三种混凝土框架结构,通过多遇与罕遇地震作用下的动力时程分析,研究了不同刚度比对框架结构层间位移角、层间剪力、支撑滞回耗能率、塑性损伤分布等抗震性能的影响。根据分析结果,给出了屈曲约束支撑与框架部分刚度比合理的取值范围。

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抗震与抗风

12·22常州4.2级地震的上海实测信号分析

任晓崧, 宗刚, 周球尚

2022, 38(6): 55-62.

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2021年12月22日江苏省常州市发生了里氏4.2级地震,上海全域均有震感。同济大学校内近期安装的场地—建筑物地震反应融合监测台网,捕捉到本次地震的有效加速度响应信号,5个测站的场地、建筑顶层加速度峰值分别在1~5 cm/s²和1~6 cm/s²。本文对监测数据的时、频规律进行分析,研究了地震动加速度峰值、反应谱以及建筑物楼层响应动力特征（结构基频、频响函数等）等参量,结果表明,本次地震对短周期结构的影响较大。此外,基于实测加速度数据讨论了地震烈度快速评估,各测站的烈度评定结果在1~3度。

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抗震与抗风

基于向量式有限元的非结构构件突加荷载响应及影响因素模拟分析

吴泽含, 章红梅

2022, 38(6): 63-74.

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向量式有限元方法自提出以来在大变形、不连续问题的求解中显示出了优异的预测效果。本文针对建筑结构中一种主要非结构构件——大型悬挂吊灯在近断层地震作用下的响应还未得到重视的问题,应用向量式有限元对具有多重质量的大型吊灯在突加荷载的作用下的模拟方法以及响应的影响因素进行了分析。主要探究了不同的突加荷载模式、不同的阻尼比对于大型吊灯振动的影响。分析结果表明,加载模式影响结构的运动轨迹,阻尼比的变化会影响结构振动到达平衡位置的速度。上述研究可为结构中大型非结构构件的设计与分析提供参考。

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抗震与抗风

深水圆形高墩结构振动特性和动力响应分析方法对比研究

杨坤, 葛书勋

2022, 38(6): 75-83.

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墩身动水附加质量对深水高墩结构的振动特性与地震动力响应影响较大,为研究动水附加质量计算方法的适用范围,利用有限元分析软件ADINA,分别基于势流体单元的流固耦合完全数值法以及基于Morison方程的动水附加质量法建立了深水圆形高墩结构的动力分析模型,通过对比分析两类模型的振动特性和地震响应,探讨动水附加质量模型的准确性及其适用范围。研究结果表明,水深宽度比对动水附加质量模型计算的深水高墩结构振动特性和地震响应的精度有明显影响,合理控制水深宽度比可以保证动水附加质量模型的精度。

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抗震与抗风

桩基施工对建筑结构环境振动影响分析

晁艳, 宋晓东, 黄江涛

2022, 38(6): 84-91.

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为研究桩基施工引起的结构振动特性,开展了现场振动测试并分析了土体的动力响应频谱特性,基于三维土体有限元模型和瞬态响应分析对土体的振动进行了仿真分析,并结合实测结果验证了有限元模型的有效性。建立了房屋建筑和高铁桥梁有限元模型,并对打桩作业对结构的振动影响进行了评估。研究结果表明：（1）打桩引起的土体振动主要在3~30 Hz范围内,峰值频率在10 Hz左右;（2）振源位置土体响应呈明显的脉冲衰减特征,随着测点距离的增加,土体振动加速度快速衰减,在离振源60 m处并无明显的脉冲衰减特征;（3）桩基施工现场附近的房屋结构底层和顶层的质点峰值速度为2.7 mm/s和6.6 mm/s,高铁桥梁跨中横向振幅和竖向加速度最大值为0.023 mm和0.144 m/s²,均未超过规范限值。

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抗震与抗风

基于最小二乘法的磁流变阻尼器模型参数识别GUI程序开发

李歆, 张颖

2022, 38(6): 92-100.

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设计合理有效的磁流变阻尼器半主动控制方法,对于整体结构的减震效果尤其重要,而磁流变阻尼器的精确建模是磁流变阻尼器控制方法设计及仿真的首要前提。介绍了常用的四种参数模型,包括Bingham模型、修正的Bingham模型、Bouc-Wen模型及现象Bouc-Wen模型,并对模型的优缺点进行了讨论。基于磁流变阻尼器的力学特性试验,选取三种磁流变阻尼器模型进行Simulink建模仿真分析,指出现象Bouc-Wen模型可以较好拟合磁流变阻尼器的各项性能。最后,采用一种基于最小二乘法原理的参数识别方法,基于Matlab中的Simulink GUI 图形用户界面设计开发了参数识别程序,对现象Bouc-wen模型进行参数识别以及线性拟合,将仿真结果和试验数据进行对比,结果表明：程序拟合结果和试验数据吻合很好,相应参数满足要求,具有较好的实际应用价值。

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试验研究

螺纹锚固单边螺栓端板连接节点弯剪作用性能研究

姜晓明, 王光伟, 张曼, 唐丽茹, 王培军

2022, 38(6): 101-110.

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现有研究中针对螺纹锚固单边螺栓连接节点的加载工况较为简单,一般为纯弯、纯拉或者纯剪。实际结构节点的抗弯和抗剪承载力之间存在明显相互作用关系,因此需要对节点在弯矩、剪力共同作用下的受力性能与计算方法进行研究。通过试验研究了弯矩和剪力共同作用对于螺纹锚固单边螺栓端板连接节点受力性能的影响,并将单边螺栓连接节点与带螺母高强螺栓连接节点的受力性能进行了对比。借助经过验证的有限元模型补充分析了不同弯矩与剪力大小组合下节点的受力性能,总结出剪力对节点抗弯承载力的影响规律,并得到了节点弯矩-剪力相关承载力。结果表明,剪力造成的钢管螺栓孔变形会进一步削弱螺纹锚固状态,进而降低节点抗拉强度;相较于拉力,剪力对于螺纹锚固单边螺栓连接节点承载力的影响更大。

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试验研究

拱形与直线形双排桩支护结构变形特性离心模型试验对比

廖志坚, 吕琦, 吴越

2022, 38(6): 111-118.

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拱形双排桩支护结构利用了拱形的受力特性,将其受到的外部荷载转化为自身轴力,充分发挥了混凝土材料的抗压性能,在工程实践中得到了应用。但其受力变形规律较为复杂,国内外的相关研究滞后于工程实践的需求。以某实际基坑工程为背景,采用离心模型试验对比研究了直线和拱形双排桩支护结构的受力变形特性。试验结果表明：两者在桩身弯矩规律、水平变形规律和桩后土体沉降规律上基本一致,但拱形双排桩支护结构更有利于基坑的变形控制,在基坑中心处双排桩的最大弯矩值和水平变形均大于拱脚处的双排桩。研究成果可为类似工程设计及理论研究提供试验参考。

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试验研究

角度风作用下角钢输电塔头风荷载风洞试验研究

李超, 胡晓依, 宋雪祺, 邓洪洲

2022, 38(6): 119-125.

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对±1 000 kV准东-华东特高压直流输电线路角钢塔的塔头模型进行了风洞试验,利用高频测力天平技术研究了塔头模型在角度风作用下的气动力特性。通过逐个拆除横担的方法（间接测量法）,分别获得了塔头左右两个横担的气动力系数、角度风系数和荷载分配系数。结果表明：角度风作用下横担阻力系数的最不利风向角为10°,升力系数最不利风向角为30°;塔头左右两个横担的角度风系数在0°~75°风向角范围内比较接近,但在75°~90°风向角下处于下游横担的角度风系数明显小于处于上游横担的角度风系数;荷载分配系数不宜直接通过将角度风系数按风向角分解得到,横向升力的影响不可忽略;根据试验结果给出了角度风系数的拟合公式,可为实际工程设计提供依据。

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地基基础

上海某地铁上盖项目大桁架下桩基础设计的探讨

孙抒宇, 王经雨

2022, 38(6): 126-133.

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地铁上盖项目一般具有场地受限、基础沉降控制严格的特点,上海某地铁上盖项目因采用大桁架的方式横跨地铁,上部荷载的集中使得大桁架下桩基础设计更为困难。为解决因场地受限桩间距不满足规范要求的问题,本项目采用一种折算方法考虑这一不利因素,计算表明,桩基侧阻承载力经折减后,仍可满足桩基承载力设计要求。分析本项目沉降产生的主要原因,并依据类似工程的资料和试桩数据,对沉降数据进行了分析和预估。研究表明,本工程钻孔灌注桩沉降的主要原因是桩身压缩引起的沉降;大桁架下柱下桩基的沉降较小,能满足地铁对沉降控制的要求;因场地狭小,大桁架下基础桩数受限致使桩基水平抗力不足时,可在承台设置水平传力板的方式解决过大的水平力。

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地基基础

桥梁水下桩基病害分级区间确定方法研究

张培旭

2022, 38(6): 134-143.

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针对我国现有桥梁水下桩基病害损伤程度评定的相关分级标准存在评估指标难以定量化、分级标度不统一、划分过程主观性较强等不足,提出一种病害程度区间定量划分的方法,该方法将桥梁水下桩基常见病害分级标度统一为5级,并将有限元计算数据作为确定各标度区间范围的分析依据,以增强病害分级评定的客观性。首先,采用有限元软件ABAQUS研究了水下桩基6种常见病害对桥梁桩基水平承载力的影响程度;其次,根据有限元计算结果,基于类相关离散化思想将不同病害的损伤程度统一划分为5个连续区间;最后,对照现有规程给出的病害分级评定标准,验证了所提出的病害分级评定标准确定方法的正确性和科学性,为桥梁水下桩基安全评估奠定了基础。

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工程施工

厦门后溪长途汽车站移位监测系统的设计与实现

谢丽宇, 管帅, 卢文胜, 蓝戊己, 束学智

2022, 38(6): 144-151.

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在厦门后溪长途汽车站进行整体旋转移位过程中,为保证房屋整体在移位过程中的安全,使用了移位监测系统对结构进行监测。首先介绍了厦门后溪长途汽车站移位施工的方案和主要技术流程;说明了厦门后溪长途汽车站移位监测系统的设计原则和方案,布置各传感器的测点位置,介绍了各传感器的参数及现场安装状态;最后,对移位全过程的传感器数据进行分析总结。结果表明,厦门后溪长途汽车站移位过程平稳,传感器无异常数据,在移位过程中结构处于安全状态。此次监测为移位工程的监测设计起到示范和推动作用,具有一定的借鉴意义。

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工程施工

高层建筑新型大跨钢-混凝土转换桁架施工力学性能分析

李子云, 郭孟涛, 李运富, 李胜利

2022, 38(6): 152-160.

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大跨型钢-混凝土转换层桁架是一种新型高层建筑结构转换形式,监测并分析其施工期力学性能对高层建筑安全至关重要。结合实时监测和数值模拟两种方法对高层建筑新型大跨型钢-混凝土转换层桁架的力学特性进行了分析。以位移和应力为指标,对比并验证了实时监测和数值模拟结果的一致性,总结出该新型大跨型钢-混凝土转换层桁架的力学性能。结果表明：整个施工过程中,实时监测和数值模拟所得转换层桁架各杆件的应力和位移结果均满足规范要求,且有较大的安全裕度;施工楼层越高,该楼层荷载对桁架应力和位移影响越小;脚手架拆除阶段,桁架位移会出现大幅上升。本文采用的有限元计算方法可用于新型大跨型钢-混凝土转换层桁架的力学性能分析。

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工程施工

车站主体与附属同步施工及连接处漏水处理研究

王鹏, 阮永芬, 朱强

2022, 38(6): 161-167.

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常规地铁站点施工都是主体结构基坑先开挖,待主体结构完工封顶后才进行附属基坑的开挖,这会使施工周期大大变长,而且还会造成主体基坑的部分结构二次开挖及二次支护的成本增加。滇池湖相沉积的地层较为特殊,由工程性质较差及灵敏度较高的软土组成,为避免二次开挖对周围土体带来过度扰动和节约工期,探索采用主体与附属结构基坑同步施工的施工工艺。以昆明地铁巫家坝站项目为依托,在湖相沉积的软土场地采用主体和附属结构基坑同时开挖的施工工艺。对此施工方法、步骤、工艺措施、实施后连接处的变形缝出现错位及渗漏水等问题进行了研究,结合监测数据对出现问题的原因进行了分析,并采取了有针对性的处理措施确保工程安全,可为地铁站点主体与附属施工提供一种新的施工措施,也为类似工程分析及问题处理提供参考。

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工程施工

郑州南站承轨层钢骨混凝土复杂节点施工模拟与云监测技术研究

陈文韬, 王静峰, 余其俊, 苏杭

2022, 38(6): 168-175.

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郑州南站是“中国铁路心脏”——郑州的四大综合交通枢纽之一,其承轨层劲性混凝土结构具有钢骨及节点形式复杂和类型多样的特点,本项目车场总规模达16台32线且施工现场环境复杂。本文针对郑州南站承轨层工程中的钢骨混凝土复杂节点建立了精细化数值计算模型,并对其施工过程进行了仿真模拟。研发了一种云平台数据处理和实时监测系统,合理确定了监测点位置,并将监测数据与模拟值进行了对比。研究结果表明：本文所建立的BIM模型可对关键复杂节点的施工技术进行虚拟动态化展示;云平台数据处理和实时监测系统在本工程中的监测结果符合预期,为施工安全提供了有力的保障。

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设计方法与研究

城市高架简支预制槽形钢混组合梁设计及经济性参数分析

王清泉, 赵炜, 苏庆田

2022, 38(6): 176-184.

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为对城市高架简支预制槽形钢混组合梁进行合理设计,选取了跨间中横梁布置、横断面布置（主梁根数）、梁高、桥面宽度等结构设计因素,进行各参数设定下的组合梁桥面板及钢梁配板计算分析,得到以下结论：①在均满足结构受力需求的前提下,设置跨间中横梁使造价略有增加、影响施工速度和景观性能,仅设置端横梁即可;②一般情况下大开口少梁的布置方式比小开口多梁的布置方式更节约造价;③ 30 m跨径的组合梁经济梁高为1.6~1.8 m,35 m跨径经济梁高为1.8~2.2 m,40 m跨径经济梁高为2.0~2.4 m。

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设计方法与研究

折线配筋先张法工字梁荷载横向分布系数计算方法及横隔梁设计

张哲元, 林英, 王建辉, 邓青儿, 张科乾

2022, 38(6): 185-191.

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折现配筋先张梁避免了后张法预应力混凝土梁在孔道施工工艺和耐久性能等方面的缺点,提高了预应力混凝土结构的力学适应性,因而在桥梁工程中有着广阔应用前景。在实际工程中常采用荷载横向分布系数的概念将空间多梁体系简化为单梁体系进行分析计算,但这种简化计算方法随着跨度、桥宽的增加和横隔梁间距的调整将对实际结构的空间受力状态产生不可忽视的影响。因此,本文建立折线配筋先张法工字梁空间三维有限元模型,着重研究折线配筋先张法工字梁的空间受力行为,通过比较各种荷载横向分布系数计算方法与实际空间受力的误差,提出合理适用的方法并通过研究横隔梁间距对主梁空间受力的影响,提出合理的设计参考值。

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设计方法与研究

湛江吴川机场航站楼结构设计

陈进于, 区彤, 丘友威

2022, 38(6): 192-201.

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湛江吴川机场航站楼结构设计过程中重点解决以下问题：通过对大跨度、大悬臂屋盖的结构体系选型及内力分析,以满足建筑使用和结构受力,力求结构形式经济合理;采用预应力管桩基础和冲孔灌注桩基础结合形式,在满足不同荷载条件和受力要求的情况下提高经济指标。采取设计、材料及施工等层面有效措施,解决各单体结构超长、温度应力及混凝土收缩应力较大的问题,满足结构耐久性设计要求。对航站楼屋盖进行了基于大空间升温曲线的整体防火分析,得出大空间屋盖网架的防火规律。对布置不同位置的黏滞阻尼支座在风振分析下的效果进行评估,并对相关受力性能进行重点分析,保证节点受力性能,保障航站楼在强台风高发区的风振可靠性。

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文献综述

高强钢结构抗火性能研究现状

欧阳辉, 郑晓芬, 程浩

2022, 38(6): 202-213.

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随着近年来冶金技术的不断精进,越来越高强度的结构钢不断出现,其优异的物理、力学性能使其迅速应用到相关工程中。而与普通钢材类似,高强度钢结构抗火性能问题仍然十分突出。近20年来,高强钢抗火性能研究也开始起步。本文通过对高强度钢结构的钢材火灾高温与火灾后力学性能、高强钢构件和节点抗火性能、高强钢结构抗火性能方面进行了系统的考察和总结,最后对研究不足的问题进行讨论与展望。目前高强钢结构抗火性能研究还处于初步阶段,研究表明,高强钢的高温力学性能与抗火性能与已有的国内外相关规范均有不同程度的偏差,不能直接套用。

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