结构工程师

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结构分析

双偏压长扁柱偏心距放大系数的简化估计方法

马泽峰, 许建立

2023, 39(2): 1-10.

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截面高宽比在1~4之间的柱定义为扁柱。扁柱截面两向尺寸差距越大,两主轴方向长细比相应相差越大。当柱长度较长时,这种差距会导致不同的轴力作用效果,若同时考虑加载角度、轴力水平、轴力偏心距、截面高厚比以及材料非线性本构关系的影响,扁柱的二阶效应问题将变得更为复杂。以单偏压长柱考虑二阶效应的偏心距放大系数η理论为基础,借助OPENSEES有限元分析程序,对上述影响因素进行大样本、变参数、多水平的拟合分析,并与试验结果进行对比验证,据此定量统计、拟合各参数对偏心距放大系数η的影响。得到的η拟合公式可作为双偏压长扁柱的设计依据。

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结构分析

土砖木混杂结构南洋传统民居可靠性鉴定的难点与对策

熊海贝, 孙瑾煜, 郝军

2023, 39(2): 11-21.

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房屋可靠性鉴定是传统民居保护的重要环节。对具有南洋传统特色的土墙-砖柱-木楼屋盖的混杂结构民居可靠性鉴定进行系统性的梳理与研究,分析该类结构民居的建筑、结构特点和检测要点,总结检测鉴定工作的特点、难点,针对难点提出相应对策,并以174幢该类型特点房屋的可靠性鉴定为例,对上述提出的建议和对策进行说明,为土-砖-木混杂结构房屋的可靠性鉴定提供基础资料和参考借鉴,以期在保证房屋结构安全的前提下,尽可能保存房屋的使用价值、减少加固干预。

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结构分析

高强螺纹钢筋锚固结构设计优化

张志红, 孙长军

2023, 39(2): 22-29.

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为了改善结构组件的疲劳性能,对高强螺纹钢筋、张拉螺母与垫板结构进行了有限元分析及其结构优化。优化参数主要有五个,分别为垫板内孔直径、张拉螺母长度（垫板以下的长度）、垫板厚度、张拉螺母整体外径与张拉螺母下端外直径。通过控制变量法,得到单个参数对相关结构受力的影响,最终综合得到结构的最优尺寸,并验证此最优尺寸的结构满足受力要求。通过分析得出优化后的高强螺纹钢筋锚固结构应力值比优化前均有所降低,同时优化后高强螺纹钢筋的螺牙受力更加均匀的结论。

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结构分析

大型压剪试验机结构设计

吴晨辉, 施卫星

2023, 39(2): 30-37.

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大型压剪试验机是建筑抗震领域重要的试验设备,主要用于足尺试件检测。以某一压剪试验机的性能和功能要求为目标,详细研究并设计了一50MN大型压剪试验机的主体结构和主要结构构件,该试验机由竖向加载系统、水平向剪切加载系统两部分组成。设计过程中对于出现的局部结构问题进行了研究,并提出了针对性的解决方法。利用有限元分析软件Abaqus对试验机主体结构和主要结构构件进行建模和加载分析,得到了试验机强度和刚度等整体结构性能满足要求的安全可靠结果。该试验机具有出力大、量程大、稳定性和安全性好等优点,可主要用于原比例试件的压剪试验和相关特殊试验。

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结构分析

大直径直线钢顶管管周受力特性数值模拟研究

黄智刚, 林一庚, 刘锴鑫, 叶金美

2023, 39(2): 38-45.

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钢顶管作为薄壁结构,受力时与土体变形协调,故现有规范在计算钢顶管土压力时存在缺陷。通过ABAQUS有限元软件分析了不同参数设置下钢顶管土压力和摩阻力的数值大小与分布情况,并提出钢顶管侧向土压力的修正系数。模拟结果表明：DN2000钢顶管在113 kPa的竖向土压力作用下,水平向变形可达管径7‰,产生水平土体附加抗力;钢顶管土压力值与管道径厚比、埋深比呈显著正相关,土体变形模量的增大限制了管侧土压力的增加;侧向土压力系数随管侧变形呈指数增长;单位长度管壁摩阻力随径厚比和埋深的增加而上升,而管侧土变形模量对摩阻力的影响几乎不计。

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结构分析

悬带式城市人行天桥中的受力性能分析及减振方案设计

何帆, 蒋坤, 李瑞然

2023, 39(2): 46-55.

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悬带桥是以受力性能好的缆索或钢拱肋为主要受力体系,结合轻薄梁体的一种新型桥梁结构。目前悬带桥尚未被广泛推广应用,设计及施工等均无法找到足够多的案例作为参考,故深入研究悬带桥的应用具有重要的意义。以珠海市梅华路的悬带桥人行天桥为工程背景,采用Midas Civil建立悬带桥有限元模型,依据国内外现行规范,对结构整体稳定性、强度、挠度、局部构件和自振频率等方面进行验算,并提出一种安装调谐质量阻尼器（TMD）的减振方案,可为悬带桥的推广与应用提供参考。结果表明：在全桥受力分析中,该桥的整体稳定性、强度、挠度、局部构件的验算均可满足国内现行的规范要求;当在桥梁跨中设置TMD进行减振后,桥梁竖向大振动加速度减少了87.6%,桥梁横向大振动加速度减少了87.9%,可以满足人致振动CL1级舒适性要求。

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抗震与抗风

基于一阶振型参与系数等效的减隔震桥梁地震反应简化分析方法

彭天波, 梁力

2023, 39(2): 56-63.

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为了提高减隔震桥梁简化体系的精度,提出了基于一阶振型参与系数等效的简化方法,采用双自由度体系来模拟桥墩,保证简化前后桥墩结构的一阶振型质量、一阶振型刚度和一阶振型参与系数一致。为了说明该方法的合理性,分析了不同简化方法得到的减隔震桥梁前两阶动力特性,并采用非线性时程分析方法,对比了不同墩高下该方法与其他简化方法的响应误差。结果表明：相比其他简化方法,本文提出的简化方法前两阶动力特性与原结构更接近,且地震响应误差更小。

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抗震与抗风

基于耐震时程法的输电塔抗震性能评估

尹胜强, 李嘉祥

2023, 39(2): 64-72.

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为研究输电塔结构在地震作用下从弹性、弹塑性至倒塌过程中不同阶段的性能水平,建立两塔三线体系数值模型,提出了一种基于耐震时程法的极限性能易损性分析方法以全面评估输电塔的抗震性能。先用逐步增量动力分析方法评估耐震时程法的合理性,以位移系数作为极限损伤指标进行破坏等级划分,建立基于耐震时程法的概率模型进行易损性分析并获取不同地震强度下输电塔的超越概率。结果表明：耐震时程法能较好地预测不同地震强度下输电塔的响应,相对于IDA方法可以极大地提高结构的计算效率;9度地震烈度下该输电塔生命安全受影响的概率小于2%,表明该塔抗震性能较好。因此对输电塔进行抗震性能分析时可以采用耐震时程法以加快计算效率。

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抗震与抗风

长周期地震动作用下RC框架-剪力墙剧场结构弹塑性响应分析

王超群, 汪学智, 田佳甲, 吴桐, 王博

2023, 39(2): 73-80.

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剧场结构为一种典型的功能复杂、楼板局部不连续且跨度较大的结构。为了研究RC框架-剪力墙剧场结构在长周期地震动作用下与普通地震动作用下的响应差异,以某剧场为例,选取14条典型长周期地震动与7条普通地震动进行弹性及弹塑性时程对比分析。结果表明：长周期地震动作用下结构不能满足小震弹性的需求,观众厅、舞台楼板大开洞周围剪力墙及框架柱损伤较为严重,附属层以上竖向构件的损伤大于附属层以下。最后,提出了考虑长周期地震作用时的合理控制指标,并针对性地提出了结构的抗震措施建议。

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抗震与抗风

浪花艺术馆楼面振动控制技术

潘宠平, 巫振弘, 方国威

2023, 39(2): 81-86.

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浪花艺术馆的建筑平面形似风车,在核心筒交接处设置了三个挑向大海的户外露台。结构体系为钢筋混凝土剪力墙与钢结构桁架。针对结构大悬挑导致的楼面振动问题,在最大悬挑楼面反梁位置和悬挑端部共布置了8个竖向调谐质量阻尼器（TMD）进行结构竖向振动的控制。通过有限元数值模拟分析了人行激励下的楼面振动响应,并通过现场实测分析验证其振动控制效果。结果表明：TMD对楼面振动起到了良好的控制效果,显著提高了楼面竖向振动舒适度。

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试验研究

带肋圆管X型相贯节点静力性能研究

李泽豪, 周锋, 王伟, 谢伟, 应天益, 岳贵平

2023, 39(2): 87-96.

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加劲肋可以提高钢管相贯节点的静力性能,然而目前国内外对带肋圆管X型相贯节点的研究较少,本文根据试验建立了带肋圆管X型相贯节点的有限元模型,并进行参数化分析,以研究加劲肋对节点静力性能的影响。研究发现加劲肋能够使节点相贯区域的应力分布更加均匀,从而节点区域的最大应力得到明显降低,可以有效提高节点的静力承载能力,并且加劲肋的方向、数量以及厚度的变化都会对节点的静力性能产生影响。同时,由于加劲肋的存在,主管管壁的变形受到限制,传统的以主管管壁变形来判定节点是否发生破坏的方式不再适用,因此本文提出了新的判定节点发生破坏的方式。

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试验研究

锻压式半灌浆套筒结构设计及单向拉伸性能试验

郑志涛, 杨皓东, 徐颖, 涂刚要, 郝留照

2023, 39(2): 97-106.

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针对装配式预制构件连接部位受力特点、安装控制难点及套筒加工工艺、原材料、成本等问题,基于冷锻压和热处理工艺,设计新型锻压式半灌浆套筒,按照规范要求制作对中连接试件和偏心连接试件,通过单向拉伸试验对接头连接试件极限承载力、残余变形、最大总伸长率等力学参数以及套筒表面应变分布规律等进行研究分析。结果表明：试件破坏均为连接钢筋拉断破坏,各项参数指标均满足JGJ 107—2016 Ⅰ级连接接头的相关要求;试件破坏荷载-位移曲线与钢筋原材相似,包含弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和连接钢筋颈缩断裂阶段,但试件屈服台阶和强化阶段曲线均较钢筋原材长,灌浆接头可靠性更高;套筒对灌浆料具有主动约束作用,在一定程度上增加灌浆锚固段锻压凹槽数量,有助于提高套筒对灌浆料的轴向滑移约束和径向膨胀开裂约束作用。

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试验研究

斜撑安装位置对车站吊架横向抗震性能影响的试验研究

靳永福, 闫超, 杨澄宇, 蔡雪松

2023, 39(2): 107-115.

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地铁车站中的吊架用于挂载风管、水管、通讯电缆等设备。在地震过程中,由于设备自身的质量会引起较大的水平向地震惯性力,有可能导致非结构构件的失效破坏,进而影响地铁车站的使用。目前针对地铁车站内非结构构件的研究相对较少,非结构构件的动力响应、破坏机理不明确,缺乏成熟的抗震设计方法。本文采用拟静力试验的方式,对三种斜撑安装形式的地铁车站吊架的抗震性能进行了研究。通过分析试验现象、滞回曲线和应变数值,并结合有限元数值模拟结果,讨论了不同试件的受力特点和破坏机理。根据结果,建议将横向斜撑安装在中间一档横梁位置以充分发挥斜撑的抗震性能;试验中发生的破坏都是由于连接件错位滑脱或连接件自身剪断/拉断破坏造成的,在实际工程中宜重点关注。

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试验研究

宁句城轨预应力预制桥墩抗震性能试验研究

郭建强, 邓向振, 庞明锐, 卓为顶, 刘钊

2023, 39(2): 116-126.

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采用预制拼装技术可以加快桥梁的施工速度和提高施工质量,近年来也逐渐受到地铁工程界的关注。由于对预制桥墩抗震性能的担忧,很难在重要工程和强震区采用。本文以宁句城际轨道预制拼装桥墩为背景,开展现浇、预制和预应力预制桥墩的抗震性能试验研究。结果表明：有粘结预应力可明显提高预制桥墩的强度、极限位移、位移延性和抗震自恢复性,减小单圈耗能能力,可有效地抑制预制桥墩的柱脚滑移。通过在纤维有限元模型中引入零长度滑动弹簧单元,解释了周期性的销栓-摩擦效应。预制桥墩的模拟滞回曲线与试验滞回曲线吻合较好,能有效模拟滞回曲线捏缩现象。当预制桥墩应用在中高地震区时,建议采用预应力筋。

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试验研究

有轨电车车辆段上盖建筑振动实测及舒适度评价

卢家森, 李旖旎, 张其林

2023, 39(2): 127-134.

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对两个典型的有轨电车车辆段上盖建筑在列车荷载下的结构振动进行了实测,通过合理测点布设,得到了典型测点的振动加速度时程。选取最大Z振级、1/3倍频程铅垂向振动加速度级和竖向四次方振动剂量作为综合评价指标,采用基于快速傅里叶及其逆变换和计权用传递函数的计算方法,对两个典型的有轨电车车辆段上盖建筑的振动舒适度进行了评价,得到了上盖建筑的振动频率分布规律、振动舒适度评价。有轨电车在车辆段上盖建筑的振动中心频率在20~40 Hz之间,其主频率在30 Hz附近;当有轨电车在大平台楼面运行时,车辆段上盖建筑应采取有针对性的减振措施,才能使上盖建筑振动舒适度在合适的范围;而当有轨电车在地面运行时,通常不需要采取措施,车辆段上盖建筑振动舒适度就能满足要求。

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试验研究

钢纤维增强高性能混凝土的韧性研究

陈致远, 唐子钊, 章红梅

2023, 39(2): 135-141.

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为了解和进一步提高钢纤维增强高性能混凝土的韧性,本文以环保型材料矿渣粉及平直型、端勾型两种类型钢纤维的优化配伍,对所配置高性能钢纤维混凝土进行了力学性能测试试验。通过立方体抗压强度试验、压缩韧性试验和弯曲韧性试验,研究了两种钢纤维增强高性能混凝土的强度、韧性等力学特性。研究结果表明：钢纤维的掺加对于混凝土的受压破坏形态影响显著,混凝土的抗折强度有明显提升,混凝土的压缩韧性和弯曲韧性有显著改善;端勾型钢纤维对混凝土的韧性的提升优于平直型钢纤维。

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试验研究

2205双相不锈钢疲劳损伤声发射研究

门进杰, 李东杰, 兰涛, 王家琛, 郭琳颖

2023, 39(2): 142-153.

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2205双相不锈钢以其强度高、耐腐蚀、耐高温等优点成为桥梁结构的新兴材料,但其在疲劳荷载下的损伤问题对整体结构安全性能影响很大。为了明确2205双相不锈钢材料在疲劳荷载下的损伤发展情况,本文对3组相同矩形截面试件进行了三种不同应力比的拉伸疲劳损伤试验,同时进行声发射信号采集,通过声发射经历图分析探讨了声发射振铃计数及能量与试件裂缝发展程度的关系,并且采用裕度指标对试验过程进行了评估。结果表明,随着应力比的增大,声发射特征参数的循环周次有了一定的增长,且试件损伤进程放缓;同时裕度评价指标的变化范围逐渐减小,说明该指标可以较好地表征试件的疲劳损伤发展情况。基于试验和分析结果建立声发射累计振铃计数-疲劳裂纹长度的疲劳损伤模型,通过该模型得出的计算裂纹与实际裂纹发展趋势较为吻合。故本文研究成果可为2205双相不锈钢材料疲劳损伤检测和评估提供依据。

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试验研究

基于AR谱估计的瓷支柱绝缘子结构振动声学检测技术研究与试验

赵洲峰, 邹君文, 朱航宇, 严飞, 裘吕超, 唐志峰

2023, 39(2): 154-160.

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振动声学仪器采集到的绝缘子检测信号需要通过频谱分析来得到特征信息,进而判断绝缘子的损伤状态。现有的频谱分析多采用经典谱估计法,存在谱线分辨率低、谱泄露、虚假谱峰等问题,降低了缺陷检测准确率,且误报率偏大。本文采用自回归（AR）模型这种参数化的现代信号处理方法,通过采集220 kV瓷支柱绝缘子振动声学检测信号,建立AR模型,采用Yule-Walker方程计算AR参数,得到了瓷支柱绝缘子检测信号的AR功率谱。实验结果表明：相比于经典谱估计,AR谱估计的绝缘子检测信号处理方法具有更高的谱分辨率,谱线平滑,结合AR谱的对数标尺图,提高了振动声学法检测瓷支柱绝缘子缺陷的准确率。

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地基基础

抗拔工程桩的裂缝控制及配筋设计

邓涛, 叶井亮, 董静祎

2023, 39(2): 161-164.

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对于埋深较大的建（构）筑物,抗拔桩桩身配筋通常由裂缝控制。因规范中并未明确给出抗拔静载试验最大加载值,在工程实践中,各设计人员的取值也不尽相同。若试验加载值取得较大则造成工程桩的配筋率过大,若试验加载值较小又不能保证桩抗拔承载力的安全储备。结合以往的工程实践,给出了几种安全可靠、经济合理的抗拔桩配筋设计及验收检测的方法,同时也对现行规范关于工程桩试验荷载及地下水浮力下的裂缝计算给出了建议。

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结构加固与改建

嘉兴老火车站及炮楼结构修缮改造的设计研究

周彬, 张婷钰

2023, 39(2): 165-172.

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嘉兴老火车站及炮楼位于嘉兴市火车站片区,为嘉兴市级历史保护建筑。在修缮及改造过程中,针对历史文保部分的修缮,历史文保部分的改造及非文保部分的改造,结构分别做出了不同的修缮和改造处理,为后续类似项目提供了参考和借鉴。主要结论为：（1）提出的木构件的干缩裂缝、脱榫和砖墙裂缝的处理方式是合理的,施工简单,安全可靠。（2）提出的历史保护建筑采用内衬混凝土框架结构的加固方式,既保证历史文保建筑的整体性,满足建筑功能需求,同时也提高其整体的抗震性能。（3）针对改造部分,采用新建内置混凝土框架体系保存了既有外墙,体现原有建筑的外立面风貌。同时新建屋面采用钢木悬索屋架,彰显了结构的魅力,是新旧结构结合的完美展现。

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设计方法与研究

基于ETABS和LINGO软件的超高层混凝土框架-核心筒结构优化研究

施昊翔, 朱杰江

2023, 39(2): 173-179.

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超高层混凝土框架-核心筒结构优化程序将主体结构造价作为目标函数,将位移约束和构件强度约束同时作为约束条件,并调用ETABS和LINGO进行整体优化。程序通过层间构件归并、结构对称性和标准层划分控制优化变量的数量。通过算例分析,程序基本实现超高层混凝土框架-核心筒结构优化的自动化,具有较好的工程应用价值。

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设计方法与研究

杭州市某妇产科医院连体结构方案比选及科研楼设计

邵冰, 姚峰, 蔺军, 邹海涛, 杨琪

2023, 39(2): 180-187.

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杭州市某妇产科医院连体结构整体造型复杂,存在多项不规则项,为超限高层建筑。结合各塔楼特性,经过多遇地震、罕遇地震作用下方案对比,最终选用了连廊两端滑动可恢复连接的弱连接方案。项目建设分两期进行,一期科研楼计算分析采用了单塔计算和连体计算包络设计;钢楼梯采用了可滑动的销轴滑动连接,保证了地震发生后生命线的安全;连接体牛腿预留长度400 mm,既满足连体结构弱连接的要求,又兼顾一期科研楼使用期间美观。

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设计方法与研究

嘉兴火车站南广场裙房钢结构设计

孙洋, 刘冰

2023, 39(2): 188-196.

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嘉兴火车站南广场裙房为多层钢框架结构,局部为双向弯曲的大坡屋面。介绍了地上裙房钢结构的基本情况、结构布置和基本设计参数。针对柱网无法下落的上部“飞碟”建筑,创造性地提出了加强型全转换结构设计方案,有效地减少了“飞碟”圆盘各柱脚的竖向变形差异,进而减少了对上部结构构件产生的次应力。为了解决双向弯曲梁翼缘无法对齐焊接的问题,采用自主创新的梁梁刚接节点,并利用MIDAS FEA NX软件对关键节点进行有限元分析,保证力流传递的可靠性。考虑到部分钢柱无法下插至地下室或者在地下室外包后会影响建筑空间使用,提出了几种特殊做法的刚接柱脚做法。此外,运用BIM三维协同设计和Rhino三维模型的边界控制技术,能够有效地节约工期并减少后期修改和返工。

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设计方法与研究

传统风格建筑云溪塔结构设计

车顺利, 贾俊明, 吴琨

2023, 39(2): 197-204.

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云溪塔是渼陂湖景区特色建筑之一,为传统风格塔建筑。传统塔形建筑常以木或砖石结构为主,创新性地采用了砌体与钢筋混凝土结构相结合的结构形式。阐述了该项目建筑特点,介绍了结构定案,进行了结构计算分析,给出典型节点相关构造。在继承传统建筑风格的基础上,运用现代建筑结构材料,创新结构形式,在满足建筑造型及功能的基础上,大大提高了塔型结构的相关性能,为类似工程提供设计参考。

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