结构工程师

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结构分析

带可更换部件的联肢剪力墙数值模拟分析

李书蓉, 宋扬, 蒋欢军, 张鑫

2023, 39(4): 1-9.

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为了使剪力墙结构在地震后不需要修复或稍加修复即可恢复其功能,提出了一种连梁和墙脚均可更换的可恢复功能钢筋混凝土联肢剪力墙。采用循环软化膜模型建立了传统联肢剪力墙和可恢复功能联肢剪力墙的非线性数值计算模型。通过数值计算结果与试验结果的对比,验证了数值计算模型的正确性。采用经过验证的数值计算模型研究了高轴压比下带可更换部件的联肢剪力墙的抗震性能。分析结果表明,在高轴压比下,提出的可恢复功能联肢剪力墙的抗震性能明显优于传统联肢剪力墙。新型联肢剪力墙的破坏主要集中在连梁阻尼器和可更换墙脚部件,非更换区得到了有效保护。

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结构分析

钢箱组合梁拱桥真实温度荷载模式及响应分析

韩洋洋, 朱凌峰, 阮欣

2023, 39(4): 10-18.

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大跨径钢-混凝土组合结构桥梁中,由于两种材料热学性质和构件日照情况不同,会产生明显的非线性温度分布与复杂的结构响应。采用基于环境实测气象参数的构件温度场精细化模拟方法,分析一座钢箱组合梁拱桥的温度场及响应情况。结果表明：大跨径组合结构桥梁具有显著的温度异步性,真实温度场与规范的规定有所不同,朝向与材料不同的各个构件之间温度荷载及响应差异较大,其中,西侧钢梁的温度应力超过了32 MPa,对组合截面中桥面板的影响尤为值得关注。

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结构分析

基于材料强度的无背索斜拉桥极限跨径研究

葛欢, 林丽霞

2023, 39(4): 19-25.

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基于平均索法和索膜法二者的等效原则分别推导了斜拉索对主梁产生的轴力解析式,考虑斜塔倾角和斜拉索自重的影响,得到了无背索斜拉桥极限跨径表达式。对无背索斜拉桥在竖向荷载作用下的极限跨径进行了研究,得到了自重作用下的极限跨径上限,并对主梁截面面积、索距比、高跨比以及恒活载比等影响极限跨径的因素进行了分析。结果表明：极限跨径的大小与斜塔倾角、塔高、索距比以及荷载情况有关;可以通过减小恒载、增加索距比以及减小高跨比等措施来增大极限跨径。平均索法与索膜法计算轴力的结果均与有限元结果相吻合,索膜法作为一种偏于安全的轴力计算方法,可用于无背索斜拉桥轴力的近似计算。

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结构分析

顶板厚度对组合桥面板U肋与顶板构造疲劳性能的影响

江臣, 苏庆田, 郭赵元, 周青, 傅晨曦

2023, 39(4): 26-34.

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为研究钢顶板厚度对于正交异性组合桥面板U肋与顶板构造疲劳性能的影响,通过建立板壳-实体有限元模型,计算分析不同顶板厚度下正交异性钢桥面板中关键部位的受力情况。计算结果表明,有无刚性铺装对车轮荷载作用下的桥面板受力状态以及U肋与钢桥面板焊缝焊趾处应力大小有显著的不同,采用刚性铺装的正交异性组合桥面板U肋与钢桥面板焊缝焊趾处应力幅值只有不采用刚性铺装桥面板的8%;改变钢顶板的厚度对正交异性组合桥面板U肋与钢桥面板焊缝焊趾处的疲劳强度影响甚微,采用12 mm的钢顶板也能满足U肋与钢桥面板焊缝焊趾处的疲劳强度要求。

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结构分析

简支钢混组合梁新型桥面连续结构的力学性能参数分析

王清泉, 曹沛, 邓青儿

2023, 39(4): 35-44.

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提出了一种新型桥面连续结构,以匹配倒T形盖梁的简支组合槽梁为例,对其进行了力学性能分析,并总结了桥面连续结构与主梁间的竖向支承刚度、无粘结长度、桥面板板厚等参数对其受力性能的影响。结果表明：①桥面连续结构与主梁间的竖向支承刚度对其受力模式影响较大,采用脱空设计时桥面连续结构受力更为明确可控;②随着无粘结长度的增加,桥面连续结构受力先降后增,无粘结长度控制在相邻跨径之和的5%较佳;③随桥面连续结构厚度增加,其受力逐渐增加,找到桥面板连续结构受力与抗力平衡是其设计的关键;④桥面连续结构设置与否对简支梁整体受力影响有限。

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结构分析

不同施工措施改善大跨度组合梁负弯矩区受力的效果分析

张龙伟, 邹迪升, 胡琼, 王伟群, 周法根

2023, 39(4): 45-51.

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为了比较中支点梁体顶升/回落法与张拉预应力法对改善大跨度组合梁负弯矩区受力的效果,以一主跨70 m的连续组合箱梁桥为例,采用板壳-实体有限元模型,计算分析了不同施工措施下的组合梁受力情况。计算结果表明：不同施工方法下组合梁受力在负弯矩区差别较大,使得混凝土桥面板上表面产生1 MPa的压应力储备,顶升/回落中支点梁体需要的位移量为8 cm,采用传统的先结合预应力方法需在单位宽度布置1.65束直径15.24 mm的钢绞线,而后结合预应力方法则需在单位宽度布置1.24束。对跨度60 m以下的组合梁采用中支点梁体顶升/回落法预应力施加效率高,70 m以上的组合梁桥直接采用后结合预应力法会具有更好的性价比。

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结构分析

某高校建筑外墙饰面层损伤特征分析

唐超, 卢文胜, 商登峰, 朱玉华, 姜常玖

2023, 39(4): 52-59.

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基于对某高校建筑外墙饰面层构造探查以及完损状况检测结果,分析外墙饰面层的损伤率及其典型特征：建筑外墙饰面层出现的损伤大多为粘结性损伤,其中空鼓、脱落现象较多;建筑服役时间越久,其外墙饰面层损伤状况相对越严重;东、南、西朝向的外墙饰面层易受环境影响,损伤率较高;涂料构造饰面层做法损伤较轻。采用数据分析手段开展外墙饰面层损伤特征分析,可为建筑外墙检测与运维提供参考借鉴。

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结构分析

高温高压作用下基于数值仿真的安全壳力学响应分析及承载力研究

鲁正, 范俏巧, 谢孟宏, 蒋迪, 宋孟燕, 柳祥千, 周映旻

2023, 39(4): 60-66.

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安全壳结构是核反应堆的最后一道屏障,具有重要作用。为进一步深入研究安全壳的包容能力,以某一新型压力水堆核反应堆安全壳为研究对象,采用ABAQUS有限元软件,并结合Rhino、Grasshopper等第三方软件进行数值仿真分析,以研究其在严重事故（高温高压双重作用）条件下安全壳各组分的力学变化全过程。结果表明：高温高压荷载作用下混凝土开裂更易发生;安全壳结构首先发生混凝土层开裂,最终由于钢衬里大面积屈服、撕裂而导致其失去包容能力,从而功能性失效。

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结构分析

某纯地下商业超长结构楼板应力及影响研究

程鹏, 陈泽赳

2023, 39(4): 67-73.

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某大型纯地下商业项目位于成都,共五层,地下一、二层楼板大量开洞,东西向长约620 m。本文对温度荷载的取值进行了细致分析,并对结构进行了升温、降温工况下的楼板应力分析,对于应力稍大区域可用钢筋加强,对于连桥等应力较大区域可用增加型钢抵抗温度应力。采用单压弹簧模拟侧向水土压力,进行了水土压力下的楼板应力分析,发现水土压力的影响范围为5~6跨。论证了地下超长结构在楼板大量开洞情况下减少断缝的可行性、安全性及用单压弹簧模拟侧向水土压力的必要性。

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抗震与抗风

地震动谱匹配对多层RC框架结构地震易损性分析结果的影响

魏世龙, 韩建平, 张瑞, 杨鹏, 金兆鑫

2023, 39(4): 74-83.

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合理选择地震动记录是影响结构增量动力分析和易损性分析结果可靠度的重要因素之一。首先选择15条地震动记录分别运用谱匹配方法进行不同周期范围的调整,然后输入谱匹配前后6组地震动记录,对一个5层和11层钢筋混凝土（RC）框架结构进行增量动力分析,并利用增量动力分析结果,得到基于最大层间位移角的不同损伤状态结构地震易损性曲线,以及不同损伤状态50%超越概率对应的最大残余层间位移角统计值。分析结果表明,运用谱匹配方法,结构地震易损性离散性明显减小;随着结构退化程度的增大,与结构基本周期对应的反应谱值相比,等效周期对应的反应谱值对结构非线性地震响应结果的影响更加显著。

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抗震与抗风

大跨叠合曲面屋盖风荷载分布特性研究

钟建海, 陈水福, 罗飞文

2023, 39(4): 84-89.

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为探讨复杂形状大跨屋盖结构表面的风荷载变化特点,采用同步测压风洞试验方法,对杭州亚运轮滑馆大跨叠合曲面屋盖的表面风压分布特性进行了研究。考察了不同部位平均风压的分布规律,获得了不同区域的分区体型系数,可供屋盖承重结构抗风设计使用;探讨了不利风向角下极值风压的变化特点,得到了全风向角下屋盖极值风压的等值线图,可供围护结构设计使用。结果表明,屋盖平均和极值负风压的不利值主要出现在东北或西南斜风作用下的中部鞍型屋面迎风前缘,以及两侧环绕屋面尾部与另一侧屋面叠合处,其原因与曲面叠合形成局部狭道效应加剧气流分离等因素有关。

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试验研究

五边形截面型钢混凝土巨型柱轴压性能研究

曹万林, 王浩, 殷飞, 郭瑞洁

2023, 39(4): 90-103.

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超高层建筑巨型柱框架结构体系是一种高性能的抗震结构体系。以某超高层型钢混凝土巨型柱结构为工程依托,进行了2个五边形截面型钢高强混凝土巨型柱模型试件重复加载下轴压受力性能试验,2个试件差异为混凝土强度。试验表明：不同强度混凝土试件损伤发展过程相似,斜边和最短边损伤更早且相对严重;试件均表现出稳定的加载、卸载、再加载刚度,承载能力具有相对稳定的退化过程;较高混凝土强度试件承载力和耗能能力较大,但延性有所降低。分析了箍筋以及型钢对混凝土的约束机制,建立了考虑不同区域约束效应差异以及箍筋和型钢约束效应相互耦合的分区域约束混凝土抗压强度计算方法,提出了承载力计算公式,计算结果与试验符合较好。用ABAQUS软件建立了有限元数值计算模型,对混凝土强度、型钢强度、纵筋配筋率以及配箍率进行了参数分析。计算表明：提高混凝土强度能够有效提高试件的承载力,但峰值后变形能力有所下降;提高型钢强度能够有效提高试件承载力;增大纵筋配筋率能够提高试件的承载力和刚度;提高体积配箍率可以有效提高试件的承载力和延性。

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试验研究

不同腔体构造方钢管高强再生混凝土轴压性能

曹万林, 郭瑞洁, 秦嘉, 王浩, 董宏英, 刘亦斌

2023, 39(4): 104-115.

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为研究底层钢管混凝土柱柱底区段受基础强约束的影响,进行了4个方钢管高强普通混凝土和4个方钢管高强再生混凝土墩状试件的轴压试验。钢管腔体构造分为空腔体、内置钢筋笼和栓钉、内置竖向肋板、内置分腔钢板;混凝土分为C60普通混凝土、RC60再生粗骨料混凝土。研究了各试件的破坏过程、荷载-位移曲线、承载力、延性、耗能能力和应变。试验表明：腔体内置钢筋笼、焊接栓钉、内置竖向肋板、内置分腔钢板对提高试件承载力和延性均有显著作用;相同腔体构造的方钢管高强普通混凝土试件和方钢管高强再生混凝土试件轴压性能接近。考虑基础对钢管混凝土柱柱底区段强约束的钢管混凝土墩状试件受压承载力大于相同构造的钢管混凝土柱受压承载力,提出了承载力影响系数,墩状试件承载力为柱状试件承载力乘以承载力影响系数。对试件轴压性能进行了有限元模拟,有限元模拟结果与试验符合较好。

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试验研究

聚氨酯铝合金复合薄壁管轴压性能试验研究

郭小农, 周津地, 计丽艳, 刘匀召, 王佳澳

2023, 39(4): 116-128.

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聚氨酯材料具有轻质价廉、变形能力强等优点,为探究填充聚氨酯材料对薄壁铝合金管轴压性能的影响,完成了15组聚氨酯铝合金复合薄壁管的轴压试验。试验结果表明,此类复合构件在轴向压力的作用下普遍呈现端部局部失稳的破坏模式,填充密度为50 kg/m³、100 kg/m³的聚氨酯没有明显提升铝合金薄壁圆管的承载力和刚度。随后采用数值模型研究了径厚比、长细比等因素对聚氨酯铝合金复合薄壁圆管轴压承载性能的影响规律。最后基于Donnell方程和Ramberg-Osgood模型,拟合得到聚氨酯铝合金复合薄壁圆管承载力计算式,计算式的计算结果和试验及数值计算结果的对比表明,该计算式具有足够的准确性。

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试验研究

端部不同连接构造的屈曲约束支撑性能试验研究

石文龙, 杨梦霞, 吴凯琪, 马佳文

2023, 39(4): 129-137.

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为了检验端部不同连接构造方式对于屈曲约束支撑力学性能的影响,分别设计了加宽翼缘、腹板焊接钢板两种加劲肋布置方式,共计3个试件。通过拉压循环荷载作用下的滞回性能试验,分析屈曲约束支撑的耗能能力、疲劳性能以及累积塑性延性。研究结果表明,两种加劲肋布置方式的屈曲约束支撑滞回曲线饱满,滞回性能稳定,耗能性能优良;加宽翼缘的屈曲约束支撑的耗能及变形能力更好。

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试验研究

基于聚类分析的桥梁节段模型风洞试验涡激振动研究

端木玉, 董浩天

2023, 39(4): 138-145.

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涡激振动已经成为威胁桥梁结构安全、行人舒适度和结构耐久性的重要风险因素之一。节段模型风洞试验是检验大跨度桥梁涡振的重要方法,但提取和分析涡振数据一般依赖于经验,缺乏准确高效的手段。针对闭口钢箱梁悬索桥节段模型风洞试验数据,引入了含噪声的基于密度的空间聚类分析方法,在提取位移标准差和单频程度这两个特征值的基础上,将竖弯和扭转涡振工况从三个攻角的全部试验工况中识别出来。通过风速-振幅关系和涡振工况的时程与频谱特征,进一步验证了涡振工况提取和分析的准确性,证实了涡振具有大振幅和强单频的特点。

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地基基础

基于静载加卸载数据的管桩承载力影响因素分析

何高峰, 李锦辉, 汪四新

2023, 39(4): 146-150.

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如何充分挖掘并利用静载试验数据,对于确定桩基承载力具有重要的意义。选取深圳某场地36根管桩静载数据,对比分析了只利用加载数据及加、卸载曲线同时考虑这两种情况,得出最后一级加载数据和第一级卸载数据占有最大权重的结论,和规范桩基承载力的确定方法一致,也反映了桩基压缩性能。上述结论为进一步利用加卸载曲线分析桩身性状、单桩沉降及承载力计算提供了数据支撑和科学依据。

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地基基础

斜穿不同倾向断层破碎带围岩变形特性分析

谢义正, 陈林杰

2023, 39(4): 151-159.

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依托贵州纳雍-郝章某隧道穿越断层破碎带项目,针对隧道斜穿断层破碎带的工程问题,采用了有限元方法建立数值模型,研究分析隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下的围岩变形特性,得出的主要结论为：隧道斜穿断层不同倾向条件时,由于斜穿状态下,隧道由正交条件下破碎带围岩与支护的二维围岩受力变形状态,逐步转变为破碎带围岩、支护与坚固基岩的三维围岩受力变形状态,因而引起隧道穿越断层不同倾向时不同的围岩变形;此外,围岩拱顶沉降峰值与隧道-破碎带接触的拱顶延伸率g呈负相关;围岩拱腰收敛峰值与隧道-破碎带接触的腰顶比k呈负相关;围岩底鼓位移的不均匀变化影响范围与隧道-破碎带接触的腰底比h呈正相关。

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地基基础

考虑局部块体预埋槽道的盾构隧道BIM设计程序开发

齐成龙

2023, 39(4): 160-168.

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目前,国内外学者基于主流BIM平台,发挥BIM软件的参数化设计优势,开展了大量的管片三维空间排布技术研究,但已有研究成果普遍存在自动化程度不足且不适用于局部块体预埋槽道的问题。为了解决上述缺陷,介绍一种基于Dassault/CAA架构开发的盾构隧道BIM设计程序,用于批量创建考虑局部块体预埋槽道的管片环定位骨架模型。将该程序与Dassault软件的Assembly Pattern模块、复杂几何造型和参数化设计功能融合,可以实现盾构隧道的快速、批量BIM设计。将盾构隧道相邻连续各管片环的旋转状态以树形结构表达,开发用于对该树形结构进行生成、获取等操作的基础函数,在CAA程序调用上述函数,实现管片环最优化位姿筛选。分别从算法研究、程序开发、工程应用的角度,详细介绍该程序,为基于Dassault/CAA架构的其他BIM技术研究提供了思路和方法。

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结构加固与改建

上海市某既有公共建筑减震加固设计

陈泽赳, 张晓光

2023, 39(4): 169-176.

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介绍了消能减震技术在某既有公共建筑改造设计中的应用。该建筑为建于2011年的多层现浇混凝土框架结构。由于建筑功能改变,抗震设防类别由丙类调整为乙类,相应抗震等级由三级提升为二级,拟采用设置黏滞阻尼器（墙）的消能减震设计。通过基于复模态反应谱法的等效弹性迭代计算和小震弹性时程分析,黏滞阻尼器（墙）工作状态良好,可有效发挥其耗能作用,可为主体结构提供5%左右的附加阻尼比。运用SAUSAGE软件对结构进行多遇、设防、罕遇地震下的时程分析及结构损伤评定,论证了设置消能减震构件的有效性及结构抗震安全性。结构在罕遇地震下的层间位移角为1/122,塑性发展水平较低,结构的抗震等级和抗震构造措施要求可仍按三级设计,综合考虑建筑外立面及室内装修的较少破坏,建筑的总体造价降低。

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工程施工

常温养护钢-UHPC组合桥面板早期收缩效应

何武超

2023, 39(4): 177-185.

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为探究实际工程背景下钢-UHPC组合桥面板早期收缩效应的发展与分布规律,考查组合桥面板中UHPC收缩引起的构件次内力水平,在夏季自然环境常温养护条件下进行了90天钢-UHPC组合桥面板静置收缩监测试验。浇筑完成后对UHPC板、钢筋、钢结构等构件的应变值进行了监测与分析,并且利用有限元软件对试验模型开展了收缩模拟与验证,对构件次内力分布、界面滑移等特征做了进一步的探究。研究结果表明：夏季炎热环境下（温度：17 ℃~42 ℃,湿度：50%~90%）,组合桥面板UHPC未见明显裂缝; UHPC初凝时间约为15小时,收缩在约40天时基本稳定;在跨中区域UHPC受约束作用最大,对应的UHPC和钢板次内力最大,钢筋由于与UHPC应变的协同性在该处压应力最小。在远离跨中方向上,UHPC与钢结构的结合作用逐渐减弱。

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工程施工

上海体育馆钢结构网架拆除过程的数值模拟分析

王明谦, 黄科锋, 马福栋

2023, 39(4): 186-192.

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以上海体育馆为例,开展了大型体育场馆钢结构网架拆除过程的有限元模拟分析。采用商业有限元软件ABAQUS建立精细化有限元分析模型,通过生死单元法模拟杆件的拆除过程,根据计算结果揭示网架结构中各杆件应力和竖向挠度的变化规律。开展了网架中部支座类型和支座间距的参数分析,并根据方差分析结果确定拆除过程中网架最大挠度的关键影响因素。有限元分析结果表明,拆除前靠近支撑处的竖向腹杆应力较大,超过了上下弦杆;随着拆除的不断进行,靠近拆除部位的腹杆应力有所增加,且靠近拆除部位的杆件竖向挠度有所增加;支座间距增大后,拆除后期腹杆的应力显著增加,该种工况下极容易出现危险点。方差分析结果表明,支座间距对拆除过程中网架结构最大挠度的影响最大,而支座类型的影响相对较小。在实际拆除过程中,应重点检查支座的数量和有效性,以确保消除潜在的危险点。

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设计方法与研究

超长地下结构降低温度应力设计方法

姜文辉, 何诚

2023, 39(4): 193-199.

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随着地下空间开发的需要,地下结构不设缝长度不断突破,当超长地下结构在收缩等效温差与季节温差叠加下的应力可能会超过混凝土的抗拉强度时,可采用增加普通钢筋、增设预应力钢筋或掺加抗裂纤维等方法抵抗温度应力,也可在充分研究温度应力成因与分布规律后,在设计中主动采取降低温度应力的设计方法以降低温度应力、有效控制裂缝的出现和发展、节约工程造价。以某超500 m长地下工程为例,介绍了降低温度应力设计方法和构造措施,在满足裂缝控制要求下,取得了较好的经济效益。

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文献综述

既有建筑外墙外保温系统应用现状与脱落风险研究进展

马福栋, 张东波, 王卓琳, 冷予冰, 陈溪

2023, 39(4): 200-213.

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目前,我国外墙外保温系统种类多样,防脱落设计方法有待完善,既有建筑外墙外保温系统存在层间黏结强度不足和构造缺陷问题,外墙外保温系统劣化机理、脱落风险识别与评估方法等方面有待进一步深入研究。针对外墙外保温系统剥离机理复杂、劣化程度难以评估、脱落风险不易识别等问题,梳理了外墙外保温系统目前常见的主要构造体系及其防脱落设计方法,统计了外墙外保温系统存在的主要缺陷并探讨了其劣化机理,分析了外墙外保温系统脱落风险识别评估以及修复方法的研究现状。

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