结构工程师

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结构分析

基于计算机视觉技术的裂缝特征参数提取方法研究与裂缝检测系统设计

顾征宇, 潘钻峰, 秦建宇, 杨毅超, 李文迪

2023, 39(6): 1-8.

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目前国内外学者针对混凝土结构所提出的裂缝图像处理算法可移植性较差,还未有较为通用的算法。对目前常用的图像预处理算法及特征参数提取算法在混凝土裂缝图像识别方面的适用性进行了研究,从相机的拍摄和校正、图像预处理、裂缝特征参数提取等方面对比了不同的算法处理效果,并自主开发了一套混凝土裂缝检测系统。

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结构分析

桥梁水下结构病害智能检测方法

吴志华, 罗创涟, 刘爱荣, 傅继阳, 陈炳聪

2023, 39(6): 9-17.

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桥梁水下结构检测与陆上检测差异较大,水中光线、水流速度和浑浊度的影响容易造成病害漏检、误检。为解决这一问题,采用水下机器人结合图像处理与深度学习算法,提出了一种桥梁水下结构病害智能检测方法。以实际桥梁为研究对象,首先利用水下机器人拍摄结构病害图像,采用直方图均衡化方法增强水下图像的对比度;然后提出了基于单应性变换的水下畸变图像校正方法,还原了水下病害的真实特征;最后采用生成式对抗网络（GAN）增加病害样本数量,通过YOLOv4算法实现病害智能识别,提高了病害识别效率。结果表明,样本中裂缝和剥落病害的识别平均精确率分别达到91.2%和95.0%,验证了该方法的可行性和有效性。

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结构分析

非均匀锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能研究

蒋欢军, 孙国耀, 段晨

2023, 39(6): 18-27.

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由于环境的复杂性和材料的离散性,混凝土结构中钢筋的锈蚀往往是非均匀的,而高锈蚀区段的存在直接影响着结构的力学性能。为研究纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土简支梁的力学性能,使用ABAQUS有限元软件建立了90个纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土梁的精细有限元模型,重点分析了高锈蚀区钢筋锈蚀率差值、高锈蚀区长度和高锈蚀区位置3个参数对纵向非均匀锈蚀梁构件力学性能的影响。结果表明：高锈蚀区钢筋锈蚀率差值和高锈蚀区长度对梁的承载力和极限变形能力影响显著。高锈蚀区位置在梁上的变化易改变梁的破坏位置,引起梁破坏模式的转变。研究成果可为锈蚀钢筋混凝土结构的抗震性能评估提供参考。

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结构分析

有限元中弹性连接单元的刚度矩阵

张军锋, 胡连超, 温珺博, 耿玉鹏, 李杰

2023, 39(6): 28-34.

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针对常用有限元软件中弹性连接单元的刚度矩阵开展研究。类似普通梁单元刚度矩阵的分析方法,将弹性连接单元的空间受力状态分解为伸缩、弯曲和扭转三种独立的模式进行分析,并提出两种方式推导弯曲受力模式下的刚度矩阵。对于弯曲受力状态下的刚度矩阵,明确了MIDAS中弹性连接单元输入参数包括弯曲和剪切刚度系数、弹性连接长度和剪切距离比R在刚度矩阵中的表现形式,给出了其刚度矩阵的理论表达式;阐明了剪切距离比R的力学意义,即用以考虑弹性支承两端因剪力传递的弯矩,其对结构的影响只体现在杆端位移结果中,杆端力始终满足静力平衡条件而不受R的影响,并且在R取0.5时,MIDAS中弹性连接的单元刚度矩阵与普通欧拉梁单元的刚度矩阵最为接近。同时通过分析对比,明确了ANSYS和ABAQUS中弹性连接单元的弯剪效应是独立的,这与MIDAS中弹性连接单元在不考虑剪切距离比R时的特性一致。研究成果既有助于理解弹性连接单元刚度矩阵,又为其工程应用提供了参考。

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结构分析

裂缝对钢筋混凝土桥面板的抗冲击性能影响研究

骆文茹, 陶俊林

2023, 39(6): 35-43.

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钢筋混凝土桥面板在使用过程中,由于车辆等外荷载作用,混凝土结构表面会产生裂缝。为了研究裂缝对钢筋混凝土桥面板抗冲击性能的影响,采用数值模拟的方法,通过改变裂缝长度、宽度、深度,分析这些参数对含跨中裂缝的钢筋混凝土桥面板抗冲击性能的影响。抗冲击性能主要通过冲击力、跨中位移进行表征,结果表明：在其他相同条件下,含跨中裂缝的钢筋混凝土桥面板的抗冲击力随裂缝的长度、宽度、深度的增大而减小,呈负相关,而跨中位移则相反,与之呈正相关;裂缝尺寸的变化对板抗冲击力的影响大于对板跨中位移的影响,抗冲击力对裂缝深度最敏感;在受到冲击后,无裂缝板板底出现斜向“十”字形交叉裂缝,而带裂缝板板底出现正向“十”字形交叉裂缝。

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结构分析

内爆炸下扁平大空间中柱表面荷载的确定

刘中辉, 匡志平

2023, 39(6): 44-53.

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为研究地下停车场等扁平大空间内发生爆炸时中间柱所受到的爆炸荷载,采用AUTODYN软件分析了比例距离、截面尺寸和柱高对中柱迎、背爆面爆炸荷载的影响情况。爆炸荷载采用中柱迎爆面底部中心反射超压峰值和反射比冲量,以及迎、背爆面任意高度处归一化反射超压峰值和归一化反射比冲量来表征。研究表明,截面宽度对柱迎爆面底部中心反射超压峰值和反射比冲量有较大影响,该影响随比例距离的增加而减小,柱高对其几乎没影响;截面宽度和柱高对中柱迎、背爆面归一化反射超压峰值和归一化反射比冲量的影响很小;比例距离对迎爆面归一化反射超压的影响在柱身相对高度大于0.8处较大,对背爆面归一化反射超压峰值和迎、背爆面归一化反射比冲量影响较小。最后,给出并验证了内爆炸下扁平大空间中柱爆炸荷载表征量的计算公式。

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结构分析

玄武岩纤维海上风机叶片的疲劳性能研究

尚礼杰, 赵才其, 郑腾腾, 何江辉, 徐云

2023, 39(6): 54-60.

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为了推动玄武岩纤维在海上风机叶片中的应用,对玄武岩纤维增强树脂复合材料（BFRP）进行了拉伸试验和拉-拉疲劳试验,研究了不同纤维增强复合材料的疲劳性能差异。采用nCode软件建立了玄武岩纤维风机叶片（新型叶片）的有限元模型,分析了新型叶片在4 m/s和8 m/s这两种代表性工况下的疲劳损伤情况,采用MATLAB软件编制了雨流计数程序并验证了其可靠性。结果表明,BFRP的弹性模量约为玻璃纤维增强复合材料（GFRP）的2.5倍以上,相同的应力水平下,BFRP的疲劳寿命普遍长于玻璃纤维增强复合材料（GFRP）,但短于碳纤维增强复合材料（CFRP）。在低风速场中,新型叶片大部分的疲劳损伤主要集中在叶根边缘、蒙皮与腹板交接的区域和叶尖附近。在高风速场中,疲劳损伤迅速蔓延至整个蒙皮,仅叶尖后缘处发生轻微损伤。疲劳性能优化可优先考虑加强叶根或沿跨度方向50~60 m的叶尖附近。

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结构分析

含正交各向异性夹层的Kirsch问题的弹性解

AHEHEHINNOU OUGBE ANSELME, 高梦园

2023, 39(6): 61-69.

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针对含有正交各向异性圆环的Kirsch问题,利用级数展开求解材料内部的弹性控制方程,获得了两种不同荷载下各向异性圆环嵌入无限基体的位移/应力解析表达式,其中圆环材料的形态分别考虑为径向各向异性、环向各向异性、横观各向同性。在该理论退化验证良好的基础上,对各向异性材料进行力学分析。结果表明：不同形态的圆环对孔口周围的应力分布有较大的影响。另外,随着各向异性圆环的厚度增大,圆环和基体之间界面处的应力值也增大。

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抗震与抗风

基于阻尼器参数及算法的附加阻尼比计算探讨

陈云, 缪宇潇, 陈晓, 李宇阳, 温良剑

2023, 39(6): 70-77.

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以实际工程案例为背景,分析在不同地震强度下黏滞阻尼器参数对结构附加阻尼比的影响,以及规范方法与能量比值法对附加阻尼比的计算差异。考虑阻尼系数、阻尼指数以及地震强度等因素,采用Etabs软件对案例进行参数分析。研究结果表明：不同强度地震下阻尼系数和阻尼指数与附加阻尼比的关系均呈抛物线状,先增大后减小,存在最优解,且随着地震强度增加,最优解参数变大;阻尼系数或指数较小时,多遇地震下阻尼比最大,阻尼系数或指数适中时,设防地震下阻尼比最大,阻尼系数或指数较大时,罕遇地震下阻尼比最大;楼层矮、扭转效应小或者地震强度小时规范方法计算的附加阻尼比大于能量比值法,而对于楼层高、扭转效应明显或者地震强度较大时二者的关系会随之发生改变。

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抗震与抗风

阻尼指数对黏滞阻尼器减震结构附加阻尼比影响研究

段成刚, 雷健, 杨磊

2023, 39(6): 78-87.

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以应变能法为依据,推导出中震附加阻尼比与小震附加阻尼比的比值公式。以一幢5层框架结构为例,阻尼器采用2种不同的连接方式,进行弹性时程和弹塑性时程分析,采用规范时程法和累积能量比法计算附加阻尼比,得到不同阻尼指数和不同连接方式时的附加阻尼比变化规律。研究表明：当阻尼器与结构直接连接时,中震附加阻尼比与小震附加阻尼比的比值与推导公式计算结果吻合;当阻尼器与结构采用悬臂墙连接时,阻尼指数取0.6~0.7时可得到更大的附加阻尼比;减震结构宜取中震附加阻尼比进行结构设计。本文的成果可为阻尼指数选择和附加阻尼比计算提供参考。

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抗震与抗风

普通混凝土结构与自复位结构的地震弹塑性反应谱

姜淳

2023, 39(6): 88-97.

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针对钢筋混凝土结构的典型滞回模型（Clough模型）与新型自复位结构的旗帜型模型,通过对国内外大量地震波输入下的单自由度体系弹塑性反应谱分析,结合我国规范规定的各类场地特征,给出了适用于普通混凝土结构与自复位结构的等延性折减系数谱。并对其进行了多段折线函数拟合,拟合结果在结构的常见周期段内误差小于10%,可满足工程实践的精度要求。比较Clough模型与旗帜型模型弹塑性反应谱的差异,结果表明,自复位结构在相同的变形预期下有着更高的承载力需求,必须对结构的耗能能力与承载力进行合理设计才能满足预期的变形要求。

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抗震与抗风

基于DAP方法的车辆基地上盖全框支剪力墙结构抗震性能评估

马晓飞

2023, 39(6): 98-106.

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为综合评估在地铁车辆基地上盖开发中应用日益广泛的一种超限结构-全框支剪力墙结构的抗震性能,本文首先建立了结构的能力谱与非线性需求谱,进而采用基于位移的自适应静力推覆（DAP）方法研究其破坏机制,评估其抗震性能,最后进行弹塑性时程分析,以佐证抗震性能评估结果。研究结果表明,全框支剪力墙结构的延性系数为3.34,水平地震作用下结构塑性铰分布合理,无抗震薄弱部位,结构满足三水准设防要求及设计性能目标,且在不同水准地震下超强系数均不小于1.18,结构具有良好的抗震性能、抗倒塌能力及安全裕量。结构在罕遇地震作用下构件的屈服机制与DAP分析结果吻合,最大层间位移角均未超限,可满足预定性能目标要求。

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抗震与抗风

铅芯橡胶支座力学性能环境温度相关性研究

唐超, 任祥香, 薛斌, 汪奇翰, 卢文胜

2023, 39(6): 107-114.

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铅芯橡胶支座被广泛应用于建筑、桥梁、储液罐及核设备的隔震中。相关研究表明,环境温度对铅芯橡胶支座的力学性能影响较大,但目前仍缺乏基于铅芯橡胶支座组成材料热-力本构特征以及不同特征参数的支座力学性能随温度变化规律的研究。本文从材料层面出发,基于支座组成材料热-力本构特征,建立了铅芯橡胶支座的热力耦合有限元模型,并通过试验验证了支座有限元模型的准确性。通过参数分析,研究了支座关键力学性能指标随环境温度的变化规律。本文提出的热-力本构模型可以为铅芯橡胶支座的隔震设计提供参考。

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试验研究

穹顶六角形节点力学性能研究

苏颂, 李建全, 商承志, 林星鑫, 周锋, 王伟

2023, 39(6): 115-124.

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首先对穹顶六角形节点进行足尺模型静力试验,分析了节点在复杂受力工况下的应变发展过程,随后建立并验证了穹顶六角形节点有限元模型。通过有限元计算,对比分析了带肋节点和不带肋节点的应力分布、破坏模式和极限承载力,最后计算比较了节点在不同加劲构造下的极限承载力。研究成果不仅揭示了该类空间节点的承载性能和构造参数影响规律,同时所采用的研究方法也可以给同类节点的设计应用提供参考。

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试验研究

钢筋钢纤维自密实混凝土梁弯曲性能及变形预测

宁喜亮, 李剑峰, 李媛媛, 梁宇

2023, 39(6): 125-134.

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基于有效截面惯性矩,提出了钢筋钢纤维自密实混凝土梁式构件（R/SFRSCC）瞬时弯曲挠度的简化模型。与普通钢筋混凝土梁式构件不同,R/SFRSCC需要考虑受拉区开裂截面钢纤维对梁式构件截面惯性矩的贡献,并基于内力平衡和应变协调计算了梁式构件开裂截面的中和轴高度。为研究钢纤维对钢筋自密实混凝土梁式构件瞬时弯曲变形性能的影响并验证预测模型的准确性,对9根钢筋钢纤维自密实混凝土梁式构件进行了四点抗弯试验,以钢纤维掺量和纵筋配筋率为主要变化参数。结果表明,钢纤维的掺入可以显著提高钢筋自密实混凝土梁式构件开裂后的截面抗弯刚度。正常使用阶段,掺入30 kg/m³和50 kg/m³的钢纤维可使钢筋自密实混凝土梁式构件开裂后的截面抗弯刚度提高26%~117%,但钢纤维的作用随着纵筋配筋率的增加而减弱。采用提出的瞬时挠度简化模型,对比了预测的与实测的钢筋屈服前荷载-跨中挠度曲线,两者吻合较好,模型可用于钢筋钢纤维自密实混凝土梁式构件瞬时弯曲变形的预测。

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试验研究

主容器电感式钠液位计抗震性能研究

张全伍, 施卫星, 张涵, 修晟

2023, 39(6): 135-141.

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主容器内部各仪表设备等在地震作用下仍能保持正常使用功能的能力至关重要。对位于反应堆主容器内部的钠液位计进行了振动台试验。设计了满足刚度需求的框架,使得液位计边界处输入的反应谱满足设计需求。分别输入白噪声激励、5次运行基准荷载（SL1）和1次安全停堆地震（SL2）三向正交激励。振动台试验结果表明,整体系统的水平自振频率为6 Hz,竖向频率为28.25 Hz,试验支架模型设计满足要求。液位计边界处加速度需求反应谱满足设计需求,同时功能监测仪表显示该液位计可在试验全过程中正常工作,液位计无损伤。

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试验研究

预留槽孔灌浆连接的桩板节点受力性能分析

张杰

2023, 39(6): 142-152.

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桩板连接节点是装配式桩板结构的关键受力部位,目前关于桩板连接节点的受力性能研究较少,影响了装配式桩板结构在公路桥梁工程中的应用。因此,以福建省首座采用装配式桩板结构的新建公路桥梁工程为背景,设计制作了采用预留槽孔灌浆连接的桩板节点足尺模型并进行拟静力试验,同时采用ABAQUS开展桩板节点的精细化有限元模拟分析,研究实际桩板节点在反复荷载作用下的破坏机理和滞回性能。结果表明：预留槽孔灌浆连接的桩板节点荷载-位移滞回曲线饱满,滞回耗能能力强,在大位移下节点承载力未发生明显下降,变形能力强,但卸载后的残余位移大;有限元分析得到的骨架曲线特征值与拟静力试验结果比较吻合,验证了所采用的有限元建模方法的准确性;接桩区混凝土破坏最为严重,且管桩和桥面板均发生开裂,震后修复难度较大,修复成本较高。

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试验研究

复合加固木柱恢复力模型试验研究

阿斯哈, 周长东, 张婉婷

2023, 39(6): 153-163.

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为了探究内嵌钢筋外包碳纤维（carbon fiber reinforced polymer,CFRP）布复合加固木柱的抗震性能,并建立复合加固木柱的恢复力模型,开展了8根加固木柱的低周往复荷载试验。结果表明：试件均表现为木柱底部受拉侧木材纤维的脆性断裂破坏,复合加固方法可以延缓木柱破坏的进程。滞回曲线、骨架曲线和等效黏滞阻尼系数分布表明：复合加固木柱的抗侧力、变形能力和耗能均得到提升。随着CFRP布加固量的增加,木柱的滞回性能提升,钢筋的布设位置会影响加固木柱的承载力。基于试验数据,通过理论计算和拟合分析,提出了复合加固木柱的骨架曲线模型。理论模型与试验曲线比较一致,理论模型可应用于恢复力模型的建立。给出了复合加固木柱的滞回规则,拟合卸载曲线刚度并结合骨架曲线模型,建立了复合加固木柱的恢复力模型。理论模型与试验曲线吻合良好,表明恢复力模型能够反映加固木柱的滞回性能。

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地基基础

低预应力混凝土实心方桩作抗拔桩的设计与应用

王传坤, 毛江鸿, 辛大伟, 高贯鹏, 高溪溪

2023, 39(6): 164-170.

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低预应力混凝土实心方桩可用于腐蚀性环境下对单桩抗拔承载力需求不高的建筑工程。结合工程实例,介绍了低预应力实心方桩作抗拔桩存在的问题与解决方案。低预应力实心方桩作抗拔桩,应考虑不入岩的不利情况,并补充计算抗拉承载力设计值和一级裂缝控制的抗裂拉力标准值等关键参数。为对比验证接桩工艺的可靠性,开展了三组不同方桩的抗拔载荷试验。结果表明,端板厚度对焊接法的抗拔承载力起控制作用,若端板厚度不足会发生弯曲破坏,使接桩失效;而机械连接法可靠性好,可实现拔力的有效传递。在根数相同的情况下,与预应力高强实心方桩、灌注桩相比,低预应力实心方桩作抗拔桩具有更好的经济效益。本工程实例可为其他相似的工程设计提供参考。

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地基基础

基于土工试验的海上风电复合筒型基础地震响应研究

陈立, 田会元, 徐明强

2023, 39(6): 171-178.

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为开展广东省某一海上风电场工程典型筒型基础地震响应研究,基于工程场地典型机位的共振柱等土工试验成果,采用OpenSees有限元软件,开展海上风电筒型基础地震响应计算。计算结果表明,整体结构在地震作用下产生了较大的不可恢复变形,可能影响到上部机组的正常运行,筒型基础显著提高了其内部及下部土体的抗液化能力。对比不同地震作用下饱和液化土与干砂之间的模量比值,得到了简化的土体液化折减方法,可为相关设计人员在地震响应研究中考虑液化作用提供参考。

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工程施工

格构式双排桩板墙台地支护体系变形与受力特性分析

李恒达, 贺亮亮, 张宇飞, 刘思维, 雷超雯

2023, 39(6): 179-188.

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黄土丘陵地区多台地之间采用格构式双排桩板墙的支护形式,目前对这类支护结构的研究较少,以河南巩义某工程的此类支护结构为例,基于Mohr-Coulomb弹塑性本构模型、土压力及有限元理论,利用ABAQUS建立了台地边坡在回填土工况下的格构式双排桩板墙支护体系的三维有限元模型,进一步对比分析了多种工况下回填土对台地支护体系受力及变形特性的影响,并重点分析了支护结构的应力分布及变形特性,依据其他支护类型及土压力理论进行了对比分析。研究结果表明：①地上支护结构水平位移呈线性分布,地下结构水平位移在桩顶附近变化幅度最大;②格构式双排桩板墙面板所受土侧压力随深度呈“S”形分布;③填方区域最大沉降随支挡结构的距离增大而减小;④结构的最大应力集中点在外排灌注桩桩顶位置。研究成果能为丘陵地区的高填方边坡防治方案提供参考,也可为格构式双排桩板墙整体破坏机理的深入研究提供参考。

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设计方法与研究

某项目双曲屋面罩棚ETFE气枕结构设计

张增球, 区彤, 傅剑波

2023, 39(6): 189-196.

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ETFE气枕膜结构作为一种新型结构体系,质量轻,透光率高,带有自洁属性,被广泛应用于大跨度建筑领域。以某实际工程项目为例,对结构设计中的难点及创新工作进行了阐述。该项目的屋面罩棚结构采用了单层钢结构网壳支撑骨架加ETFE气枕组合结构体系。对轻质屋面罩棚单层网壳骨架及单元气枕结构进行了抗风稳定性和承载力的验算,结果表明,单层网壳支撑骨架及单元气枕的抗风性能满足设计要求。结合本项目气枕结构的特点,提出了一种可应对强台风的ETFE气枕内压控制方法,保证屋面气枕单元结构在极端天气下的正常工作。对本项目的单层网壳骨架重要节点——“米”字形铸钢节点,进行了选型研究和分析,使节点标准统一,方便加工和制作。

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设计方法与研究

概念设计与力学原理在滨州市全民健身中心项目中的应用

周清, 梁雨生, 王启星

2023, 39(6): 197-206.

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滨州市全民健身中心为刚度不均匀、扭转效应明显的复杂结构,利用概念设计与力学基本原理解决了设计过程中遇到的3个难题。首先,借助基础设计中常用的“变刚度调平”的概念设计方法,解决了扭转效应明显导致的建筑特别不规则问题。然后,为控制大跨度连体梁的端部裂缝与跨中挠度,利用结构力学位移法建立的线刚度方程精确求出了节点上下层柱的截面尺寸。最后,为抵抗屋面拱形钢梁产生的巨大水平推力,设计出两类抗推杆并确定了其截面与配筋形式。

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设计方法与研究

某总部大楼扭转体型结构设计分析

洪文明, 刘传麒, 钟毓仁

2023, 39(6): 207-213.

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某总部大楼采用扭转体型的框架-核心筒结构,外框钢柱均绕塔楼中心沿逆时针方向倾斜。在竖向荷载作用下,扭转体型结构受力方式与常规结构不同,竖向荷载作用分解为沿斜柱的轴向力和水平分力,斜柱水平合力形成对结构的整体扭矩。通过竖向荷载作用下结构整体和构件两个层次的分析,楼板采用弹性板假定,并考虑重力荷载下的P-Δ效应,反映扭转体型结构的实际受力情况,重点分析扭转体型结构在竖向荷载下的外框斜柱内力、楼板面内剪力、底层墙剪力和层间位移角。分析结果表明,扭转体型结构与非扭转体型结构在竖向荷载下结构整体和构件受力显著不同。在竖向荷载作用下,核心筒翼墙的剪力与多遇地震下的剪力相当,角柱的剪力为多遇地震下剪力的4~6倍,应引起设计重视。

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文献综述

铁基形状记忆合金加固钢梁和混凝土梁的加固机理与研究进展

强旭红, 武亚鹏, 姜旭, 罗永峰

2023, 39(6): 214-228.

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土木工程中钢梁或混凝土梁在服役过程中会发生开裂、损伤、老化和承载力退化等问题,常常需要对结构进行加固来保证其承载能力、延长其使用寿命。目前,应用铁基形状记忆合金（Fe-based shape memory alloys,Fe-SMA）对结构进行预应力加固被证明是一种高效可靠的方式。对形状记忆合金的形状记忆特性、激活回复性能和基本力学性能研究现状进行了梳理,对用Fe-SMA进行结构加固的热激励加固原理进行了阐述。在此基础上,从加固钢梁和混凝土梁两个方面,梳理了Fe-SMA构件和被加固结构之间的连接方法,根据加固需求和目的对现有研究和应用进行了分类分析和总结。最后,针对目前的研究与应用现状的不足之处,对Fe-SMA应用于结构加固进行了展望,以期促进其在土木工程领域的合理应用。

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