结构工程师

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结构分析

预制混凝土桥墩墩-台组合连接构造受力机理分析

李文俊, 马如进, 张帅, 王雨权, 刘玉擎

2023, 39(5): 1-8.

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为了实现桥梁下部结构快速施工和改善施工环境的目的,在现有墩-台连接构造的基础上,提出一种在预制桥墩底部预埋一个钢-混凝土组合连接装置,与承台内部预埋钢板用预应力锚杆连接的新型构造,从而将混凝土桥墩与混凝土承台的连接转换为钢与钢的连接。建立了以预应力锚杆截面面积为变化参数的非线性有限元模型,研究了连接构造中构件的作用力变化,探讨了锚杆承载作用的可取代性,分析了连接装置的承载位置并且描述了荷载的传递路径。研究结果表明：减小锚杆面积产生的多余荷载先由连接钢筋承担,然后由焊钉承担,锚杆面积减小使更多的焊钉承担了较大的荷载;可继续减小锚杆面积使其仅起到锚固作用;墩-台结合部的荷载先传递到受拉侧加劲肋底部和受压侧加劲肋顶部,然后由焊钉连接件、连接钢筋和锚杆传递至承台。

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结构分析

纵横梁格体系桥面板活载分配的支撑刚度参数分析

房涛, 朱凌峰, 阮欣

2023, 39(5): 9-16.

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由纵横向贯通的钢梁与混凝土桥面板共同组成的纵横梁格桥面系是一种近些年来逐渐流行的组合结构桥梁形式。由于设置了大量的双向联结系以增加结构的整体性,桥面板的构造形式与传统结构中的也有所不同,以两座纵横梁格体系背景工程为例,研究了支承钢梁刚度的参数对桥面板受力分配的影响及变化趋势。结果表明,桥面板的受力分配情况与支承边钢梁的刚度关系密切,长宽比2.05的四边支承板在较小的刚度比下可能体现出双向板的受力分配特点,而长宽比1.53时的受力形式也可能更加接近于单向板。

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结构分析

大跨钢箱梁桥顶推临时支架结构受力分析

宋显锐, 魏莹莹, 方磊磊, 彭赫奕

2023, 39(5): 17-24.

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大跨钢箱梁顶推施工过程复杂,顶推临时支架受力不断变化并影响结构安全。基于实际工程建立顶推施工支架施工全过程有限元分析模型,分析了顶推过程中支架受力变化,研究了最不利顶推工况,结合理论分析对支架受力进行了全过程监测,结果表明：在顶推施工过程中,支架纵桥向顶部位移及底部应力较大,属于薄弱部位,考虑到各顶推设备之间不严格同步可能产生较大水平力,施工过程中应对其薄弱部位进行加强。研究结果可为大跨桥梁顶推施工提供技术参考。

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结构分析

基于卷积神经网络和多变量递归图的斜拉桥拉索损伤识别

刘鹏飞, 段元锋, 段政腾

2023, 39(5): 25-32.

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大跨索承桥梁在实际运营中除了承受自重和车辆荷载外,还易受到地震、强风和车辆超载等威胁,结构构件容易发生损伤。传统的损伤识别方法具有精度低和鲁棒性差等问题,具有一定的局限性。针对斜拉桥中的易损构件斜拉索,采用多变量递归图分析方法对包含非平稳和非线性成分的主梁加速度信号生成递归图,将其作为卷积神经网络的输入样本,实现了斜拉索损伤位置和程度的识别。模型斜拉桥数值模拟研究结果表明,在拉索单处损伤程度达15%时识别的召回率超过90%,准确率超过88%,损伤识别效果良好,具有较为广阔的应用前景。

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结构分析

地下侧墙-底板钢筋模块化节点有限元分析

王天, 邹科, 暴伟, 娄卫校

2023, 39(5): 33-43.

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本文提出了一种新型钢筋模块化节点,应用于地下结构的侧墙-底板结构中,其节点钢筋采用钢筋桁架交替排列的形式。对该钢筋模块化节点进行了有限元分析,结果表明：钢筋模块化节点具有与传统钢筋混凝土节点构造一致的节点力学性能及裂缝开展规律,可满足结构受力需求;随着纵向受拉钢筋截面积的增大,节点纵筋应力减小、裂缝扩展减缓;混凝土强度增加会抑制节点裂缝的扩展,也会略减小纵筋应力。此模块化钢筋节点构造简单,模块化钢筋桁架可工厂预制、现场安装,节点整体性高,可达到快速建造的目的,具有较好的推广及应用前景。

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结构分析

改进的动力松弛法及其在张拉整体结构找形中的应用

郑亦汶, 杨伟家, 王贵祥, 赵颖超, 冯晓东

2023, 39(5): 44-52.

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针对目前常规动力松弛法存在收敛效率低和收敛不稳定的问题,采用中心差分法对动能极值点附近的运动进行精细化划分,通过节点坐标修正的策略使节点的运动准确地回溯至所定位的动能极值点处,改善常规动力松弛法收敛性能的同时扩大了算法的稳定收敛的区域。最后以六杆张拉整体结构和螺旋塔型张拉整体结构为例,对比了多种常规动力松弛法在此类结构找形问题上的求解效果。结果表明：本文所提出的改进方法相较于常规方法和抛物线拟合法在处理此类结构找形问题时,算法效率上提升了17%~58%,算法稳定收敛区间扩大了25%~41%,验证了该方法在复杂张拉整体结构找形分析过程中的准确性和有效性,同时为张拉整体结构在实际工程的应用进行初始形态找寻提供了理论支撑。

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结构分析

房屋建筑混凝土结构中HRB500级钢筋应用研究

马宏睿, 崔明哲, 储德文, 张永青, 时继瑞, 姜宇鑫, 张秦

2023, 39(5): 53-61.

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HRB500高强钢筋屈服强度高,在建筑工程中合理应用可减少钢筋使用量、节约工程物资和人力投入、显著改善梁柱节点钢筋密集的情况,还可有效促进钢铁行业的节能减排。通过对现行结构设计规范中涉及HRB500钢筋的规定进行梳理,对HRB500在建筑结构中应用的优势条件和制约因素进行分析;选取8栋多高层钢筋混凝土结构建筑实际案例,保持构件截面和混凝土强度等级不变,采用结构设计软件,将原设计中HRB400钢筋替换为HRB500钢筋进行重新设计,研究采用HRB500在建筑工程中应用中对材料用量、工程造价以及节能减排等方面影响,得到HRB500钢筋在不同结构形式,不同部位的适用性结论,可为工程中HRB500高强钢筋的设计提供参考。

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抗震与抗风

质量减震消能系统减震性能数值计算分析

赵孜铭, 施卫星

2023, 39(5): 62-70.

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介绍了一种由工程结构顶部的非结构质量与有刚度的摩擦支座以及限位黏弹性材料组成的新型分阶段耗能系统,在地震输入较小时,主要由摩擦摆滞回耗能,当支座与黏弹性材料碰撞后,该系统则由支座阻尼耗能。通过MATLAB中的Simscape模块分析该新型减震系统的力学模型并以四层框架结构为例,与传统隔震结构与设置调谐质量阻尼器减震结构进行减震性能对比。结果表明：质量减震消能系统（MES）既能利用质量系统耗散能量,有效控制楼层最大位移和层间位移角,又能利用结构中的隔震支座降低楼层绝对加速度,从而减少地震输入结构能量,降低建筑物损伤。

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抗震与抗风

空间结构多维地震响应改进组合准则

曲扬, 唐潮, 陈刚, 程建军, 罗永峰

2023, 39(5): 71-78.

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现有以主轴模型为理论基础的多维地震响应组合准则由于忽略了多维相关性,通常低估空间结构实际的多维地震响应量。针对此问题,首先指出了经典反应谱CQC准则和SRSS准则在多维地震情形下的不足,在此基础上,提出并定义多维分量相关系数,据此量化多维地震动分量之间的相关程度,采用并行计算技术,进行大量多维地震动分量的相关性分析,验证其合理性。将多维分量相关系数引入SRSS准则,提出能够考虑多维地震响应相关性的改进组合准则。将该准则运用于球面网壳和鞍型网壳算例的时程分析和推覆分析响应组合中,并与SRSS准则进行对比分析,计算结果表明：改进组合准则的计算精度较高,最大位移的计算误差控制在15%以内,能够合理预测空间结构多维位移响应的分布规律和变化趋势,显著改善了SRSS准则低估多维响应的缺点,同时保留了较高的分析效率,便于应用。

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抗震与抗风

设防地震下基于正常使用的建筑抗震设计方法探讨

陈云, 孙飞飞, 胡大柱

2023, 39(5): 79-88.

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首先,对比了中日抗震设防水准,并介绍了日本针对功能不中断建筑的性能目标及其设计准则。其次,查阅国内外文献,探讨影响隔墙、吊顶、幕墙等非结构构件以及医疗设备等正常使用的控制参数及限值,并分析了结构屈服时层间位移角的分布规律。最后,给出了结构构件损伤控制的指标,并提出了设防地震下建筑正常使用的设计流程。通过研究提出以下建议：隔墙宜采用柔性连接方式与主体结构相连;宜采用弹塑性时程分析方法对结构的地震反应进行分析,验算结构的层间位移角,主体结构达到竖向构件基本无损伤,少量水平构件可进入有限塑性的性能目标;建议根据非结构构件或设备类型合理选取不同的加速度控制指标。

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抗震与抗风

基于非线性黏滞阻尼器的输电塔减震控制研究

李健

2023, 39(5): 89-99.

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随着国家电网“西电东送”战略的落实和推进,大量输电塔不断投入使用,由于普遍采用钢结构,阻尼比较小,在强震作用下振动剧烈。为研究速度型黏滞阻尼器对输电塔结构的减震控制效果,本文利用SAP2000软件建立输电塔的三维有限元模型,并进行非线性动力时程分析,分析了黏滞阻尼器安装位置、速度指数和阻尼系数对输电塔峰值动力响应、阻尼器滞回曲线和能量耗散特征的影响机制和程度。结果表明：黏滞阻尼器安装位置对输电塔的减震效果有较大影响,应将其安装于塔身底部相对速度较大的位置;随着速度指数的减小和阻尼系数的增大,输电塔峰值动力响应和输入能量的减震率逐渐增大;相对于增大阻尼系数,减小速度指数具有更好的减震控制效果和经济性,同时还能有效抑制输电塔结构的动能和势能响应,可在实际工程中优先考虑。

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抗震与抗风

海上风机规范风浪荷载计算方法对比分析

李公豪, 袁周驰, 梁发云

2023, 39(5): 100-108.

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相比陆上风机,海上风机承受的环境荷载要更加复杂,合理地评估环境荷载对海上风机的设计与安全运行至关重要。国内外海上风机规范关于风浪荷载计算的思路大致相同,但在计算参数选取等方面有所不同,可能会使得风浪荷载的计算结果存在差异,有必要针对风机规范的风浪荷载计算方法开展对比分析,探究不同方法对风浪荷载计算的影响。选取最新的规范,包括中国船级社CCS规范、挪威船级社DNV GL规范及国际电工委员会的IEC规范,对比了三者的风荷载和波浪荷载计算差异。结合典型算例开展了对比分析,计算结果表明,相较于DNV GL规范,根据CCS与IEC规范得出的风荷载值更大。并且对风湍流的考虑更保守;对于粗糙构件,DNV GL规范的波浪荷载峰值比CCS大了4%~14%。根据上述分析结果,针对风浪荷载计算方法的选择和参数选取提出了一些建议,可供海上风机设计时参考。

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抗震与抗风

近海V形山谷地形输电线路的风场仿真与风灾事故分析

章李刚, 何鑫, 徐海巍, 余世策

2023, 39(5): 109-120.

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山地风场的复杂多变性是造成山区输电线路风灾事故频发的重要原因。本文采用CFD数值仿真技术对不同风向角下典型的近海V形山谷地形下的输电线路风场进行了仿真。基于雷诺时均模型（RANS）仿真方法比较了半径分别为3 km、5 km和8 km三种尺度地形下风场计算结果的差异。针对事故塔位的不利风向工况,进一步采用大涡模拟（LES）技术对风场进行了补充分析,并比较了其与RANS计算结果的差异。在此基础上,分析了线路发生跳线风偏放电事故的原因。研究结果表明V形山谷两侧山脉上不利的风速加速效应出现在山脊线的迎风前端,其在东、西两侧山脉的最大水平风速加速比可达1.23和1.65,而最大竖向风速比可达0.45和0.30。山腰位置处塔在背风向下可能受到显著的下沉气流作用。山谷中心位置处风速加速效应不明显且可能在某些风向下存在衰减。不同尺度地形仿真结果的比较表明,5 km半径的中尺度地形与大尺度地形仿真结果较为一致,而采用3 km小尺度地形可能会产生明显误差。LES模拟的平均风剖结果比对应的RANS结果略偏大。地形的影响会导致事故塔位处的水平极值风速相比来流极值风增大13%,同时产生相当于0.2倍来流风速的竖向风。仿真显示,在不利风向下事故塔位处存在明显的水平风速加速和竖向风速,从而造成跳线风偏事故的发生。

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试验研究

木核心钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

乔玲玲, 阿里甫江·夏木西, 李成祥, 刘祥祖, 周珠珠, 穆合普力·库尔班

2023, 39(5): 121-131.

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为探索木核心对实心和空心钢管混凝土柱（CFST和H-CFST）受力性能的改善作用,进行了试验研究。设计了与CFST和H-CFST对应的空心夹层钢管混凝土、空心配筋钢管混凝土以及圆形和方形木核心钢管和配筋钢管混凝土（T-CFST和T-RCFST）试件,并进行轴压试验。通过对各试件的破坏模式、断裂韧性、延性、组合效应和承载力等特性的综合分析,发现T-CFST和T-RCFST的力学性能明显优于对应的空心构件并接近于对应的实心构件,并给出承载力计算公式。研究结果表明,CFST内配置木核心是可行的;T-CFST有助于改善CFST的自重大和H-CFST的脆性大等问题,配筋则可进一步提升T-CFST的受力性能;本文给出的公式可预估T-CFST和T-RCFST短柱的轴压承载力。

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试验研究

组合梁UHPC肋式桥面板弯曲性能试验研究

何晓晖, 许有胜, 叶明月, 赵秋, 陈宜言, 杜阳, 何甘霖

2023, 39(5): 132-140.

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针对不同配筋率的UHPC肋式桥面板进行了抗弯性能研究试验,对肋式桥面板的裂缝开展规律、弯曲形态演变及力学特征进行了分析,并与RC肋式板和RC等厚桥面板的弯曲试验结果进行了比较,分析了混凝土类型及结构形式对桥面板抗弯性能的影响。试验结果表明,UHPC肋式板弯曲受力的荷载-位移曲线可分为4个阶段：弹性段（≤0.15P_u）,微裂缝延伸段（0.15P_u~0.85P_u）,主裂缝开展段（0.85P_u~0.93P_u）及塑性强化段（≥0.93 P_u）;相较于配筋率1.98%的肋式板UC-16,配筋率2.22%的UC-18和2.50%的UC-20的初裂荷载分别提升了26%和47%;极限承载力值分别提升了17%和32%;配筋率2.22% UHPC肋式板的正常使用极限状态的安全系数δ_s为3.1,承载能力极限状态的安全系数δ_u均值为2.3,而RC肋式板的相应安全系数分别为1.8和2.1,UHPC材料延缓了裂缝的发展,但对肋式板抗弯承载力的贡献幅度有限。

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试验研究

新型FGC节点的复合承载性能试验研究

王钢, 赵才其

2023, 39(5): 141-147.

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与传统板式节点相比,新型花环齿槽体组合节点（简称FGC节点）的单项承载性能得到了显著的提高。为进一步研究FGC节点的承载性能,对其开展了5组试件的试验。试验结果表明：FGC节点在平面内外组合荷载作用下的破坏模式主要有上下盖板破坏、花环齿槽体破坏以及梁截面断裂;在几何尺寸完全相同的情况下,FGC节点的承载性能明显优于传统板式节点;随着FGC节点盖板厚度的增加,其承载性能得到显著提高。随着轴向荷载的增加,FGC节点的平面外竖向极限荷载明显降低,但屈服荷载较为接近;在加载过程中,与FGC节点所连铝合金梁的腹板和上下翼缘共同传递荷载,充分证明了这种新型节点的传力途径合理。

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试验研究

UHPC连接预制节段桥墩抗震性能拟静力试验研究

巩茂康, 米家禾, 亓兴军, 王宁宁, 杨宇

2023, 39(5): 148-156.

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为提高桥墩建造速度和墩柱损伤容限、优化预制节段拼装桥墩的力学性能,提出一种使用超高性能混凝土（UHPC）灌浆料的预制节段连接方式。设计整体现浇试件和UHPC连接预制节段试件开展拟静力试验,对比分析节点的破坏机理以及桥墩的拟静力指标,研究UHPC连接预制节段桥墩抗震性能。结果表明：两试件破坏形态均为弯曲变形为主的延性破坏,但损伤过程差异较大。UHPC在预制节段连接中充分发挥力学性能优势,增强墩柱局部刚度,塑性铰移至下节段UHPC上部接缝附近,在往复荷载作用下墩底接缝持续张开闭合参与耗能,破坏时仅在墩底柱角和接缝处出现少量UHPC剥落现象;装配式试件滞回曲线较饱满,其最大承载力和初始刚度与整体式试件基本一致,二者屈服荷载和极限荷载差值均不超过6%,而屈服位移和极限位移差值分别达到14.49%、17.80%,装配式试件延性系数远大于整体式试件;相比于整体式试件,装配式试件具有更好的刚度保持能力,并且加载后残余变形更小,说明采用UHPC进行节段连接可以有效约束和保护核心混凝土及纵筋,增大桥墩损伤容限;装配式试件耗能能力存在不足,在偏移率为4.65%时仅为整体式试件耗能的73.28%。

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试验研究

海上风机导管架基础灌浆连接段轴向受压疲劳性能试验

元国凯, 雷天歌, 房奇, 陈珂, 陈涛

2023, 39(5): 157-165.

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灌浆连接段是海上风机导管架基础中的关键结构之一。通过缩尺灌浆连接段试件的轴向疲劳试验研究其疲劳性能。根据静力试验得到灌浆连接段极限承载力并确定疲劳荷载幅值,进行五个试件的轴向加载疲劳试验。轴心疲劳试件在经历200万次轴向疲劳荷载循环后,没有发现明显的灌浆层裂缝及钢管鼓曲。对于偏心疲劳试件, 0.4的偏心率产生的弯矩引起了内钢管对灌浆层的较为严重的挤压,内管顶部偏心侧灌浆层出现明显开裂现象。通过对试验结果的分析可以得知,轴心加载试件在0.35P_u为上限的轴心疲劳荷载下的疲劳性能稳定,仅内管顶端出现了局部损伤,在引入偏心疲劳荷载后,会产生灌浆层的断裂现象,并且裂缝出现位置均为灌浆连接段顶部到第一个剪力键之间。因此,当风机基础结构设计中灌浆连接段的计算偏心率较大时,应引起设计工程师的注意。

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试验研究

基于二维机械式扫描声呐的桥梁水下桩墩表观缺陷检测试验研究

林晓威

2023, 39(5): 166-173.

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水下桩墩表观缺陷显著削弱了桩墩承载力和耐久性,需要对其进行定期水下检测。声呐成像克服了传统光学成像在弱光和浑水环境下成像模糊的缺点,但对桩墩表观缺陷的声呐成像准确度却少有研究,并且采用二维机械式扫描声呐获取的二维图像不能直观表现缺陷状态。为研究不同水平扫描距离及俯仰角度下剥落深度成像尺寸与真实深度尺寸的关系,设计制作了5个不同剥落深度的半圆柱体混凝土桩墩试件,并通过1个存在孔洞与剥落缺陷的桥墩试件验证通过桥墩二维声像图重构目标三维模型方法的可行性。试验结果表明：在水平扫描距离为1~3 m且俯仰角度为0~40°时剥落深度成像尺寸与真实尺寸之间误差小于5 mm,水平扫描距离过小或过大及俯仰角度过大均会导致声呐成像误差增大;通过三维重构方法能够有效实现二维声像图对三维模型的转化。

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地基基础

上海地铁运行引起软土场地振动实测与预测模型研究

吴德顺, 顾晓强, 刘鑫

2023, 39(5): 174-183.

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经验/半经验预测模型由于计算参数较少、应用方便,被广泛应用于环境振动初步评估。目前经验/半经验预测模型研究主要集中于地表振源,其在埋置地铁引起的地表环境振动预测中的适应性仍需进一步探讨。首先开展了上海地铁11号线场地振动实测,分析了地表振动衰减特性,并利用Bornitz公式分析了加速度峰值随距离的衰减规律。其次基于对数衰减模型对地面振级进行了回归拟合,研究了模型中拟合参数A与频率的相关性;并基于Bornitz公式提出了地面振级经验拟合公式,并探讨了该场地土体材料阻尼系数、频率无关材料阻尼系数及阻尼比的取值。最后对比研究了对数衰减模型和Bornitz模型预测地铁运行引起地表振动的预测效果。研究结果可为上海软土地区地铁运行引起的地表振动预测提供重要参考。

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结构加固与改建

既有框架结构的高标准抗震加固改造设计探讨

张玉明, 李佳琦, 谭天乐

2023, 39(5): 184-192.

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对于抗震设防烈度提高,抗震措施要加强的高标准抗震加固改造,对比了直接加固法、消能减震加固法、增加钢支撑加固法、改变结构形式等加固方法。通过对比发现,将框架结构改造为框架-抗震墙结构,设置足够多的剪力墙,大部分构件可不需要加固,原结构抗震构造措施能够满足要求,是高标准抗震加固改造中经济性较好的加固方法。对于改变结构体系后抗震等级仍需提高的结构,按照“高承载力、低延性”的加固思路,使原结构抗震构造措施能够满足要求。通过一幼儿园的抗震加固改造实例,对加固方案、加固效果等进行了探讨。可为学校、养老院、医院等建筑的抗震加固改造提供借鉴。

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设计方法与研究

螺旋递升式大空间钢-混凝土混合结构体系创新及设计

王震, 许翔, 瞿浩川, 杨学林

2023, 39(5): 193-200.

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杭州运河大剧院项目地上外部建筑造型为一螺旋上升式的草坪坡道,坡道上端部为一大悬挑大空间功能区域,顶部外围至内侧覆盖数圈高度较大的穿孔铝板幕墙,建筑内部存在多处舞台、观众厅等大空间功能区域。针对该项目的结构设计、分析及施工上存在的难点及创新点等进行系统性的研究。首先对其螺旋递升式大空间混合整体结构体系进行设计和分析,获得性能设计目标和整体性能指标,并提出抗震构造措施;进而对该项目中的竖向长悬挑屋顶幕墙支撑结构、内嵌正交向小桁架的多层通高悬挑大空间结构进行体系创新和应用研发。结果表明：采用螺旋递升式现浇混凝土框剪和局部钢结构的混合结构体系,各项指标均较好满足规范要求,屋盖区域、大悬挑功能区域以及屋顶幕墙支承区域均采用局部钢桁架形式,可较好地配合建筑平面及立面要求。

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设计方法与研究

长江生态环境学院图书馆结构分析与设计

舒云峰, 陶相宇, 连狄远

2023, 39(5): 201-210.

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长江生态环境学院图书馆造型特殊,底部为无柱大空间,上部结构最大跨度41.4 m,并存在16.8 m的悬挑。经结构方案对比分析,采用了钢框架-中心支撑-悬挂结构体系。对结构进行了小震、中震、大震作用下的分析计算,结合可能的施工方案,进行了施工模拟分析。计算结果表明,结构可以达到预定的抗震性能目标,在计算分析的基础上采取相应的抗震加强措施,其结构方案及分析方法可供同类项目参考。

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设计方法与研究

户内变电站非正交框架梁不规则柱有效长度系数设计方法

荣嵘, 吕征宇, 唐晓祥, 王博炜, 周锋

2023, 39(5): 211-221.

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上海地区110~220 kV电压等级的户内变电站,由于布置大型设备等工艺需要,往往存在框架梁非正交等特点,不规则框架柱屈曲性能和有效长度系数设计方法亟须研究。通过数值模拟研究了框架梁空间夹角对无侧移框架和有侧移框架中不规则柱屈曲荷载和有效长度系数的影响,并提出了有效长度系数的建议计算公式。基于建议计算公式得到的不规则框架柱有效长度系数可以准确地反映框架梁空间夹角的影响。

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