结构工程师

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结构分析

基于安全目标的钢、木梁挠度限值

蒋利学, 张永群, 白雪, 王卓琳

2024, 40(2): 1-10.

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在既有结构可靠性评定和结构健康监测中,梁挠度既是构件正常使用性能的直接体现,也能反映构件的安全状况。以构件安全性控制为目标,证明梁挠跨比与最大拉应变和挠跨比综合系数成正比,并用钢、木梁受弯性能试验文献中的数据对挠跨比综合系数进行了验证。混凝土楼板与钢梁的协同作用使其挠跨比受截面高度增大、截面中和轴高度变化、混凝土翼板与钢梁之间滑移及负弯矩区刚度变化的影响,综合影响系数为0.64~0.83。木楼板与木梁的协同作用对挠跨比的影响不大,但木材蠕变引起木梁长期挠度显著增长。建立了基于最大拉应变限值的梁挠度分级控制方法。与现行标准中的挠度限值进行了比较,结果表明：建议的挠度限值具有明确的安全性控制目标,并根据梁的具体受力特征变化而有显著不同,比现行标准的限值范围更宽、适应性更强且更精确,可供既有结构可靠性鉴定和结构健康监测参考。

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结构分析

贝叶斯网络下非自然灾害桥梁事故统计分析

龚原, 李镜培, 聂莹慧

2024, 40(2): 11-22.

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提出一种利用贝叶斯网络对非自然灾害下桥梁事故分析的方法,通过统计国内运营期间桥梁发生非自然灾害事故样本并对其指标进行分析和预处理,将上述指标作为节点建立非自然灾害下桥梁事故贝叶斯网络模型并进行验证。推理计算该模型各根节点的后验概率和灵敏度,分析各根节点对桥梁整体破坏情况的影响,并计算桥梁事故原因之间的相关性。研究结果表明：桥梁服役时间对桥梁整体破坏影响最大;桥梁状况中的桥梁长度、建设年代、是否为梁桥,事故原因中的工程质量、超载超限、车船撞击对桥梁整体破坏存在明显影响;桥梁状况中是否为混凝土桥、单跨桥、跨水桥、公路桥以及事故原因中的其他原因对于桥梁整体破坏影响较小,可以忽略。桥梁事故原因之间皆为负相关关系,其中超载超限与车船撞击、超载超限与工程质量、车船撞击与工程质量之间的负相关程度较高;工程质量与其他原因、超载超限与其他原因、车船撞击与其他原因之间的负相关程度较低。

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结构分析

考虑强弱轴影响的矩形钢管网壳结构弹塑性稳定性分析

马胜玲, 张莉

2024, 40(2): 23-32.

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在单层网壳结构中,存在强弱轴的矩形钢管较圆钢管、方形钢管在结构受力合理性、材料性能充分利用上存在优势。首先通过一组算例对比分析了圆钢管、H型钢、方形钢管和矩形钢管四种杆件形式在网壳结构曲面内外承受双向压弯的稳定性差异,随后将矩形钢管带入装配式节点的弹簧单元有限元模型,对比刚接模型进行研究,得到了节点域、节点刚度、初始缺陷幅值、矢跨比等参数对结构稳定承载力的影响规律。结果表明,矩形钢管的稳定应力在两个方向上可以达到平衡,且在强轴方向的稳定应力要低于同截面面积的圆钢管和方形钢管的稳定应力;对于截面存在强、弱轴且在截面两个方向材料充分运用的杆件,其弱轴方向抗弯刚度的影响不可忽视。

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结构分析

随机锈蚀H型钢柱偏压承载力分析

赵炳震, 杜颜胜, 李存良, 郭晓程, 王晓龙, 王建涛, 赵中伟

2024, 40(2): 33-41.

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为了揭示随机锈蚀对H型钢柱在偏压作用下极限承载能力的影响,采用随机有限元方法对随机点蚀钢柱的抗弯承载力的变化规律进行了研究,考虑了轴压比、几何参数以及锈蚀深度对H型钢柱抗弯承载力折减系数的影响;得到了不同几何尺寸下H型钢柱的适用性,揭示了折减系数随锈蚀深度的变化规律,提出了用于预测抗弯承载力折减系数的理论计算公式。结果表明,所提出的理论公式可以准确预测随机点蚀H型钢柱的抗弯承载力,可为评估既有H型钢柱的极限承载力提供理论基础。

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结构分析

基于遗传算法的钢框架—BRB结构优化

石依慧, 朱杰江

2024, 40(2): 42-49.

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将钢框架—BRB结构优化设计分为小震优化阶段和大震调整阶段。小震优化阶段以造价最低为优化目标,引入拓扑变量来表示BRB的布设位置,将BRB的位置、等效截面面积和框架的截面作为设计变量,在同时满足梁柱构件的强度和稳定性约束、BRB不屈服约束及层间位移约束的前提下,通过遗传算法对钢框架—BRB结构进行整体优化;大震调整阶段对不符合大震层间位移约束的结构采用准则法调整构件截面。进行了较为全面的钢框架—BRB结构优化设计,在满足规范要求的前提下大幅降低结构造价,提高了结构的经济性。

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结构分析

带钢暗梁的板柱结构边节点抗弯性能研究

王建中, 龚超, 谭潇, 刘兆祥, 闫贵海, 姚志东

2024, 40(2): 50-60.

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板柱结构以其传力途径简捷、布置灵活等优势,在工程中得到了广泛的应用,但其也存在容易发生冲切破坏等不足。目前的研究主要集中在板柱结构中柱节点,关于边节点的研究则相对较少,但边柱对结构安全同样至关重要。首先建立了带钢暗梁的钢筋混凝土空心楼盖-钢管混凝土柱边节点有限元模型,并与其他学者的试验结果进行对比,验证了有限元模型的准确性。采用验证过的有限元模型,分析了混凝土楼板厚度、楼板混凝土强度、钢暗梁翼缘宽度等参数对节点抗弯性能的影响。研究结果表明：参数变化对正、负弯矩区的影响不同,楼板厚度、钢暗梁翼缘厚度、强度和高度的增大可以提高节点的抗弯承载力,但是过厚的楼板和楼板混凝土强度的提升会降低节点变形能力;方钢管厚度和轴压比的变化对节点抗弯性能影响不大。

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结构分析

±800 kV特高压输电塔动力特性分析

董新胜, 任顺恩, 冯浩琪

2024, 40(2): 61-68.

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针对在输电塔杆塔结构设计和动力特性的研究中难以通过理论分析和数值模拟准确获得塔身动力响应的问题,基于±800 kV特高压直流输电工程直线塔,建立塔-线-基础体系有限元模型,采用p-y曲线法建立离散非线性弹簧模拟土体对结构的影响,对比分析了单塔、三塔两线、塔-线-基础体系等不同计算模型的特高压输电塔的动力特性,并与现场试验结果进行对比。结果表明,输电线的质量和刚度对输电塔的动力特性有一定的影响,塔线耦合作用不可忽略。考虑桩-土相互作用使输电塔自振频率降低。与单塔模型相比,塔-线-基础体系模型计算得到的频率相对较小,与实际测试频率更为接近,验证了塔-线-基础体系模型的合理性。

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结构分析

基于装配式建筑钢结构方案设计的全生命周期碳排放研究

张佳辰, 王伟, 路志浩, 李建全

2024, 40(2): 69-81.

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为研究装配式建筑不同钢结构方案的全生命周期碳排放差异,对某实际预制建筑项目分别进行模块化钢结构方案和钢框架方案设计,并基于全生命周期评价理论定量分析两者的全生命周期碳排放。结果表明,模块化钢结构的全生命周期碳排放总量比同等规模的钢框架结构高10.61%;运行阶段和建材生产阶段是两种结构体系全生命周期碳排放中占比最大的两个阶段,分别达到了73.33%和81.11%;模块化钢结构的模块重复利用及施工的高效率可有效降低碳排放量。最后,提出了钢结构建筑的减碳设计策略,为低碳建筑设计提供参考。

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抗震与抗风

我国黏弹性阻尼器抗震疲劳性能检验标准研究

周颖, 刘晓芳, 朱晓莹

2024, 40(2): 82-90.

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我国黏弹性阻尼器在生产和应用过程中均需要进行抗震疲劳性能检验。我国现行的消能阻尼器标准中均对黏弹性阻尼器的抗震疲劳性能检验方法进行了规定。对现行标准中相关的试验加载制度和性能评价方法进行了汇总和比较,并基于此,对四种黏弹性阻尼器进行了抗震疲劳性能试验和性能参数分析。结果表明,基于不同标准得到的阻尼器力学性能参数的变化率不同,是否满足15%限值的结论也不相同。

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抗震与抗风

隔震支座布置对地铁上盖多塔楼隔震结构的抗震性能影响分析

张永强

2024, 40(2): 91-100.

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隔震支座的布置方式影响整隔震层的刚度,从而影响隔震效果。基于铅芯橡胶支座刚度占比和偏心率,确定了隔震支座的布置方式,研究了不同隔震支座布置方式对地铁上盖多塔楼隔震结构地震响应的影响。研究了隔震结构的减震系数、楼层加速度、层间位移角、楼层位移和楼层剪力的变化规律。研究结果表明,铅芯橡胶支座刚度占比在一定范围内变化,对于隔震层及盖上结构,减震系数增大,楼层加速度、楼层位移、层间位移角和楼层剪力减小;对于盖下结构,减震系数和楼层剪力增大,楼层加速度和层间位移角减小,楼层位移几乎不变;偏心率在一定范围内变化,对于隔震层及盖上结构,减震系数和楼层加速度增大,楼层位移、层间位移角和楼层剪力减小;对于盖下结构,减震系数增大,层间位移角和楼层剪力减小;楼层加速度和楼层位移几乎没有变化。

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抗震与抗风

基于监测台网加速度信号分析的上海周边区域地震影响评价

任晓崧, 任广震, 王泽亚, 宗刚

2024, 40(2): 101-109.

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2021年11月至2023年8月期间,上海市周边区域共发生了5次有感地震,分别为江苏盐城市大丰区海域5.0级、江苏常州市天宁区4.2级、黄海海域4.8级、上海市青浦区3.1级和山东德州市平原县5.5级地震,同济大学监测台网的4个测站捕获了这5次地震的场地和典型结构加速度信号,分析了各次地震作用下场地和典型结构的加速度信号的峰值及持时,探讨了各次地震信号的反应谱特征,对照设计反应谱曲线的第一特征段和第二特征段,对这5次周边区域地震对上海市的影响进行评价。

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抗震与抗风

七里河体育场罩棚风压分布数值模拟研究

黄兆升, 黄锐, 王栋

2024, 40(2): 110-117.

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以兰州市七里河体育场为工程背景,基于ANSYS-CFX 19.0软件平台,采用SST k-ω湍流模型对体育场罩棚12个风向角下表面风压分布特性进行了数值模拟,分析了风向角和周围建筑物对风压分布的影响,获得了罩棚表面风压分布的规律,并探讨了罩棚周围流场的绕流特性,最后根据罩棚的结构形式及风压分布特点,给出了最不利风向下罩棚表面的分区风压系数以及罩棚设计风荷载的计算方法。结果表明：周边干扰建筑物对体育场中心周围的风场和表面风压有明显的影响,数值模拟结果符合钝体绕流规律;风向角对风荷载的影响较大,不同风向角下,来流的分离和漩涡脱落作用均有较大的不同;屋面最大负风压区出现在沿风向的屋面前缘角部,且迎风向前端出现正压区,模拟结果可供实际工程采用。

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抗震与抗风

基于静力试验的梁端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架地震响应数值分析

张世宇, 鲁亮, 陈俊杰, 谢广然

2024, 40(2): 118-125.

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梁端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架结构（CR-RCFB）是一种新型可恢复功能结构。首先介绍了CR-RCFB结构的振动台试验,试验后结构主体构件没有损坏,仅可更换的耗能装置失效;其次对CR-RCFB结构进行低周反复加载试验,得到节点的弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线和转动刚度,并将实测力学参数提供给数值分析模型;采用ABAQUS软件建立了CR-RCFB无控结构与有控结构的有限元数值计算模型,对上述模型进行地震动时程分析,得到了结构动力特性和不同地震作用下的加速度响应和位移响应,并与振动台试验结果进行对比分析。研究结果表明,将静力试验得到的实测参数输入计算模型得到的数值模拟结果与振动台试验结果吻合良好。

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试验研究

自攻钉集块连接T形边框混凝土肋格复合墙板抗震性能试验

曹万林, 郝煜, 杨兆源, 董宏英, 刘亦斌

2024, 40(2): 126-135.

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研发了混凝土框架（桁架）肋格填充发泡混凝土墙板,提出了T形边框与混凝土肋格复合墙板边肋的自攻钉集块连接构造。设计并制作了2个足尺自攻钉集块连接T形边框混凝土肋格复合墙板试件,包括1个十字形框架肋格墙板试件和1个人字形支撑桁架肋格墙板试件。进行了低周反复荷载试验,研究了各试件的破坏状态和滞回特性,分析了不同肋格构造对承载力、刚度、变形能力及耗能性能的影响。结果表明：十字形框架肋格墙板试件主要发生了发泡混凝土填充墙板及硬化砂浆面层的剪切开裂,人字形支撑桁架肋格墙板的破坏特征为混凝土桁架支撑的损伤失效;人字形支撑桁架肋格墙板试件的承载力和初始刚度相比十字形框架肋格墙板试件分别提高了74.3%和69.0%;十字形框架肋格墙板试件则具有较高的变形能力和耗能性能;自攻钉集块连接构造连接性能可靠,保证了T形边框与混凝土肋格复合墙板的协同变形。可为工程设计与施工提供参考。

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试验研究

自攻钉集块连接混凝土复合剪力墙抗震性能试验

曹万林, 谢晖, 杨兆源, 董宏英, 刘亦斌

2024, 40(2): 136-147.

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提出了适用于装配式混凝土复合剪力墙结构的自攻钉集块连接构造,为研究自攻钉集块连接混凝土复合剪力墙的抗震性能,设计制作了3个剪跨比为1.39的足尺剪力墙试件,进行了低周反复荷载试验,主要变量包括自攻钉集块连接构造、自攻钉集块与后浇条带组合连接构造以及L形边框构造柱。分析了试件破坏模式、承载力、滞回特性、刚度及退化、变形能力、耗能性能和应变特征等。结果表明：自攻钉集块连接构造装配便捷,受力性能可靠;采用自攻钉集块与后浇条带组合连接构造试件的承载力及刚度相比自攻钉集块连接构造分别提高了8.54%和6.03%;设置L形边框构造柱的试件承载力、刚度及耗能分别提高了67.48%、129.33%和277.93%。自攻钉集块连接复合剪力墙具有良好的抗震性能,满足装配式低层住宅混凝土复合剪力墙结构的抗震设计要求,可用于实际工程。

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试验研究

云南泥炭质土层劲性复合桩承载力特性研究

屈俊童, 周春雷, 梁伟, 张健

2024, 40(2): 148-154.

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泥炭质土作为云南地区特有的土质,是一种特殊的软土地基,这使得桩基的选择成为重中之重。劲性复合桩作为一种新型组合桩型,是利用水泥土桩内部插入相应芯桩组合而成,对整体承载性能有很大提升,并且对软土地基处理有着良好的效果。本文通过室内模型试验,研究不同芯桩长度及不同截面大小的劲性复合桩的荷载—沉降曲线、桩身轴力及桩身侧摩阻力,得出劲性复合桩在荷载作用下的承载特性。试验表明：劲性复合桩荷载沉降曲线呈“缓降”型,表现为大直径桩的承载特性;芯桩承担主要荷载,轴力与摩擦力在芯桩底端截面处发生突变。

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试验研究

青藏铁路格拉木段站台钢结构雨棚锈蚀分析

杨璐

2024, 40(2): 155-162.

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研究了在冻融、雨水冲刷等因素的综合作用下不同的施工工艺和有无面层对钢结构雨棚涂层防锈蚀能力、附着能力、变形能力的影响,分析了钢结构雨棚涂层的破坏机理,提出了有效的防腐措施,并建立数值分析模型来验证防腐措施的可靠性。结果表明：高压无气喷涂的方式可防止钢结构涂层产生剥落,高压无气喷涂加面层施工工艺与其他施工工艺相比效果更优;钢结构锈蚀的根本原因是钢材发生电化学反应,无机富锌底漆加环氧云铁中间漆加聚氨酯面漆的涂层方法可有效防止钢结构的锈蚀;在涂装前对钢结构表面进行处理,可以提高防腐防锈性能。

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试验研究

湿陷性黄土地区碎石排水系统砂岩碎石遇水软化试验研究

木林隆, 周晟, 刘锴, 王乐, 曹杰

2024, 40(2): 163-169.

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为研究延安湿陷性黄土地区进行的平山造地工程碎石排水系统中砂岩的遇水软化特性及其对工程施工稳定性的影响,采用WDW-600微机控制电子万能机对现场所取砂岩岩样开展了岩石单轴压缩试验和圆盘劈裂试验,测定烘干状态、天然状态、浸水饱和状态三种不同含水量的砂岩的强度及软化特性,结果表明：该地区砂岩遇水后会发生较为明显的强度软化,其中岩石抗压强度软化程度稍大,烘干样、天然样和饱和样平均抗压强度分别为14.54 MPa、10.58 MPa和7.70 MPa,软化系数为0.53;烘干样、天然样和饱和样平均抗拉强度分别为1.43 MPa、1.30 MPa和0.83 MPa。试验增强了对延安湿陷性黄土地区砂岩遇水软化力学性能的认识,对岩石遇水软化后排水系统承载性能计算和稳定性分析具有参考价值。

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试验研究

矿渣和粉煤灰对微生物-氧化镁协同固化钻屑性能的改良机理

唐国旺, 邓强, 赵中军, 周锴, 王贵和

2024, 40(2): 170-175.

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钻屑作为一种固废,其主要处理方式为水泥固化,但加工水泥易产生大量二氧化碳,不利于环境保护。基于上述问题,提出了一种改良后微生物-氧化镁协同固化钻屑新方法。通过强度测试,研究了高炉矿渣和粉煤灰对微生物-氧化镁协同固化钻屑的改良,获得了钻屑固化体强度随高炉矿渣掺量增加而升高,随粉煤灰掺量增加而逐渐降低的规律,最高强度为5.4 MPa。采用FTIR、XRD和SEM等测试手段,对固化体中产物类型和结构进行了分析,结果表明：产物由连续的水菱镁石（矿化产物）、云雾状水化硅酸镁和层状水滑石（水化产物）组成。钻屑颗粒由矿化产物和少量水化产物固化,揭示了矿渣和粉煤灰在微生物-氧化镁协同固化钻屑的作用机理。

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地基基础

基于独立基础保护要求的基坑变形控制标准研究

管红亮

2024, 40(2): 176-183.

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基坑开挖会引起周围土体位移,从而使周边土体产生附加变形,当基坑周边的建筑需要保护,对场地位移有特殊要求时,需制定严格的基坑变形控制标准。对基坑开挖引起的土体变形规律相关研究成果进行整理,结合相关规范并考虑独立基础的保护要求,通过反分析法建立了基坑变形控制标准,并对基坑允许变形值的影响因素进行了分析。结果表明：随着基坑开挖深度的增加,基坑允许变形值先减小再增加,近似呈抛物线分布;当独立基础埋深超过0.3倍基坑开挖深度时,基坑允许变形值基本不变;随着基坑偏移中轴线距离的增加,基坑允许变形值单调增加,但在0.3倍的基坑长度范围内,基本保持不变,随后快速增加。

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工程施工

龙门吊轨道交叉下连续箱梁移位工序AI识别模型

黄华

2024, 40(2): 184-191.

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为提升工程连续箱梁移位工作质量,保障工程有序顺利进行,设计龙门吊轨道交叉下的跨海通道工程连续箱梁移位工序AI识别模型。分析连续箱梁移位工序流程,将连续箱梁移位工作划分为钢筋加工、模板安装、混凝土蒸养等五个工序。利用人工智能技术中的门限玻尔兹曼机与支持向量机构建连续箱梁移位工序AI识别模型,采集连续箱梁移位工作图像,将所采集图像作为模型输入,利用卷积神经网络中的卷积层与池化层优化门限玻尔兹曼机模型,利用优化后的模型采集连续箱梁移位工作图像特征;基于不同图像特征,利用支持向量机划分图像类别,完成工序识别。实验结果显示,该模型能够准确识别连续箱梁移位工序,有效提升工程施工性能与经济效益。

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结构加固与改建

通孔灌浆连接预制混凝土加装电梯结构设计方法研究

马泽峰, 王平山, 李承铭

2024, 40(2): 192-201.

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采用通孔灌浆连接的预制混凝土加装电梯结构可广泛适用于既有多层住宅加装电梯工程。介绍了此结构的体系构成、施工过程及结构关键尺寸,包括典型电梯井道尺寸、剪力墙最小厚度及连廊悬挑长度等;探讨了预制结构的多种拆分方案及起吊设备选型;复核了结构具体构造的设计依据。通过结构模型的性能指标、大震动力非线性分析等,详细论述了结构的整体受力性能。对悬挑连廊偏心影响、通孔内竖向通长钢筋设计、底层电梯井筒正截面性能化设计及底层井筒灌浆拼接面水平施工缝抗剪强度等结构设计的重、难点问题进行了专项论证。经与钢框架加装电梯结构的经济性对比可知,结构具备安全性、经济性及耐久性,符合绿色建筑的建造要求。随着规模化产品的推出,既有住宅加装电梯工程将逐步实现替代升级。

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设计方法与研究

山地大跨结构关键设计技术研究

刘冰, 程睿, 姜旭

2024, 40(2): 202-210.

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恒力应急指挥中心三侧靠山,形成两个高低接地面、具有特色的掉层高层建筑。结构通过设置钢桁架连接构件,将主体结构与山体形成有效连接,将掉层部分简化了嵌固端,简化了结构的边界条件。采用弹塑性分析对结构在罕遇地震下的承载力及刚度进行验证。同时采用山体与主体结构一体化的分析技术,找寻在真实地震工况下,主体与山体连接构件的内力,验证其可靠性。对于大跨结构,采用了新型的预应力型钢混凝土梁,有效降低结构自重,减小梁高,大幅提高结构效率。本工程属于具有特色的山地建筑,结构设计采用创新处理方法,能够为类似工程项目提供参考。

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设计方法与研究

混凝土板柱结构地下车库设计方法的若干讨论

杜旭

2024, 40(2): 211-217.

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针对混凝土板柱结构地下车库的若干设计方法展开讨论,目的是澄清规范释义、消除认识歧义和完善规范内容。讨论包括三方面：①建议在规范中增加直剪设计内容;②梳理了增强抗冲切承载力的四种措施,介绍了其特点和涉及的规范内容,初步分析了它们设计表达式的安全裕度系数;③澄清地下室顶板作为上部结构嵌固部位的条件,以算例说明相关范围最小取地上结构投影范围是合理可行的。研究工作对在地下车库中科学合理地推广板柱结构具有积极作用。

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