结构工程师

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结构分析

基于PKPM二次开发的结构构件可靠度指标计算

白洋, 李杰

2024, 40(3): 1-7.

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提出了便于与商用结构设计软件对接的结构构件可靠度指标计算框架。采用有限差分法计算结构构件荷载效应关于基本随机变量的偏导数;用矩传播的方法计算构件荷载效应的前两阶矩;依据一次二阶矩法计算结构构件的可靠度指标β。在此基础上,编制了基于PKPM的二次开发程序,可用于计算RC框架结构梁抗弯和抗剪极限承载能力的平均安全系数和可靠度指标。实例分析结果表明,对于按6度设防设计的结构,在6度地震作用下有少数梁的可靠度指标低于我国建筑结构可靠性设计统一标准的要求;当地震作用为7度时,多数梁的可靠度指标低于标准要求。

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结构分析

吊杆索力变化对超大跨径悬索桥加劲梁弯矩影响分析

卢超, 吴文明, 王奎, 苗庭选, 熊海涛, 辛灏辉, 刘杰林, 刘秉峰

2024, 40(3): 8-15.

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大跨度悬索桥经过长期服役后,部分吊杆索力与成桥索力易存在偏差,然而局部吊杆索力变化对整个主梁弯矩的影响不明确。以武汉阳逻大桥为研究对象,对大跨度悬索桥开展了数值分析,通过数值计算结果与实桥测试数据的对比验证了有限元模型的有效性。基于验证后的数值模型开展了参数化分析,研究了局部单根和三根吊杆索力10%、15%和20%的负偏差（小于成桥索力）对钢箱梁各梁段最大弯矩值的影响。结果表明：单根或三根吊杆索力负偏差与钢箱梁弯矩变化量线性相关;当单根吊杆索力较成桥状态存在20%的负偏差时,钢箱梁弯矩增大40%到97%;当三根吊杆索力较成桥状态同时存在20%的负偏差时,钢箱梁弯矩增大195%到445%。

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结构分析

“站桥合一”工程中地铁车站的墙-柱荷载分配计算

崔晗, 高彦斌, 徐骏, 刘朝明

2024, 40(3): 16-21.

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在轨道交通“站桥合一”的工程建设中,桥梁荷载在地铁车站结构的侧墙和框架柱上的分配分析是设计计算的一个关键内容。对软土地区“站桥合一”工程中典型的两层双柱三跨矩形框架地铁车站的墙-柱荷载分配分析方法进行了研究,提出了一个适用于软土地区的地铁车站墙-柱荷载分配分析的简化力学模型,给出了墙-柱荷载分配系数B（柱荷载与桥梁荷载的比值）的解析解。采用该解析解,可以确定不同的桥台刚度、地铁车站刚度和桥墩间距下,地铁车站的侧墙与框架柱的荷载分配。并通过有限元方法验证了该简化分析法的可靠性。

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结构分析

基于纤维梁柱单元的墩柱弹塑性性能数值分析模型

王孟欣, 王靖程, 叶爱君

2024, 40(3): 22-28.

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基于OpenSees开源平台,采用基于位移的纤维梁柱单元和零长度单元,建立了考虑钢筋混凝土墩柱塑性弯曲变形和粘结滑移效应的滞回推覆（Pushover）分析有限元模型,分析了塑性铰区单元长度对墩柱弹塑性性能数值模拟结果的影响,探讨了单元长度的合理取值,最后,基于美国PEER结构试验数据库中3个弯曲破坏的钢筋混凝土悬臂墩的拟静力试验结果,验证了数值模型的正确性。结果表明：采用基于位移的梁柱单元模拟钢筋混凝土墩柱弹塑性性能时,塑性铰区单元长度对其最大水平抗力和位移延性都有显著的影响;合理单元长度为等效塑性铰长度,而等效塑性铰长度可以采用Priestley等提出的经验公式计算。

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结构分析

桥面连续结构分离长度对组合梁整体受力特性的影响

万先军, 林昱, 陶宣斌, 刘安, 吴鹏辉, 苏庆田

2024, 40(3): 29-38.

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为了明确组合梁中支点处钢梁与混凝土桥面板分离对大跨度恒载组合梁桥受力性能的影响,结合一实际工程,采用板壳-实体有限元方法,分析了中支点处桥面板与钢梁分离及完全结合情况下组合梁受力性能的区别,以及分离段长度变化对整体结构和中支点附近板件受力的影响。研究结果表明：在中支点附近一定范围设立分离段对组合梁整体刚度影响较小,但能减弱该处钢-混间连接刚度,有效减小中支点处混凝土上表面拉应力,进而减缓该处混凝土的开裂问题。对于60 m跨的组合梁,支点处钢-混分离段长度宜设为单跨跨径的11%左右。

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结构分析

不等高双薄壁墩结构参数对连续刚构桥力学行为影响分析

李杰, 李梦闯, 元成方, 吴伟军, 王红光, 庞栋元

2024, 40(3): 39-48.

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对于因地形和地貌原因而使双薄壁墩连续刚构桥相邻桥墩高度相差较大的情况,设计常采用不等高双薄壁墩。相比常规双薄壁墩,不等高双薄壁墩结构设计及优化可供借鉴和参考的成果不多。以某不等高、不等厚双薄壁墩预应力混凝土连续刚构桥为工程依托,基于有限元数值分析方法,改变低墩壁厚和墩间距,针对结构恒载作用、最大悬臂状态稳定及结构自振,采用单因素分析方法研究薄壁墩结构参数对连续刚构桥结构力学行为影响。结果表明：恒载作用下,低墩壁厚对主梁根部弯矩影响很小,对跨中弯矩影响相对较大;增大双肢间距可明显降低主跨跨中、根部弯矩。低墩稳定安全系数对壁厚更敏感;墩参数变化不改变失稳模态。随着低墩壁厚和间距增加,结构自振频率增大,壁厚、双肢间距影响结构一阶振动模态,且壁厚对一阶自振影响最显著。分析结论可供不等高双薄壁墩连续刚构桥结构设计和优化参考。

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结构分析

现场实测混凝土强度特征值推定的贝叶斯方法

蒋利学, 白雪, 郑士举, 王卓琳

2024, 40(3): 49-60.

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回弹法、钻芯法和回弹-钻芯修正法是混凝土强度现场检测常用的非破损检测方法,但工程实践中经常发现,用回弹法检测的混凝土强度方差偏小而钻芯法检测的方差偏大。推定现场实测的混凝土强度特征值时,如何取用合理的方差,直接影响推定结果的准确性和合理性。通过120个既有结构实例的混凝土强度回弹-钻芯修正法检测结果的统计分析,获得了钻芯法、回弹法检测混凝土强度的均值、方差等统计参数及其分布规律。建议在工程质量符合性评定和既有结构安全性评定中,现场混凝土强度特征值均采用90%的等效保证率,并采用贝叶斯全概率公式计算得到了对应于0.1分位值的评定系数。根据校核区回弹-钻芯混合方差,并结合先验方差计算得到后验方差,建立了回弹-钻芯修正法的强度特征值推定贝叶斯方法,经简化后提出了回弹法和钻芯法的强度特征值推定贝叶斯方法。通过新建工程和既有结构实测数据的验证分析表明,建议的强度特征值推定贝叶斯方法结果合理、准确,克服了现行标准中方差取值误差大、抽样数量不足的缺陷,可在工程质量符合性评定和既有结构安全性评定中采用。

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结构分析

桩土相互作用对桥轨系统近场脉冲地震响应的影响分析

邬歆

2024, 40(3): 61-67.

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为研究桩土相互作用（PSI）对高速铁路桥梁-无砟轨道系统近场脉冲型地震响应的影响,采用ANSYS软件建立了该桥轨系统有限元模型,从系统自振特性、系统各层结构及层间关键构件震后残余位移和震时包络位移三个方面,分析PSI对系统地震响应的影响规律。研究结果表明：考虑PSI会使高速铁路桥梁-无砟轨道系统的自振周期延长;考虑与不考虑PSI,主梁、底座板、轨道板及钢轨各层结构震后残余变形和震时峰值包络变形均存在差异,沿着里程方向,简支梁、连续梁桥上轨道各层结构震后残余变形和震时峰值包络变形交错变化;PSI对扣件、砂浆层、滑动层及侧向挡块等关键构件的影响较为明显,其中对刚度较小的关键构件的影响尤为显著。抗震验算时,应重点关注PSI对桥梁-无砟轨道系统层间关键构件的影响。

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抗震与抗风

底层自复位框架结构抗震性能分析

许势然, 李培振, 何胤龙

2024, 40(3): 68-75.

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采用有限元软件ABAQUS,以8度（0.2g）设防的地区为例,建立多层多跨的普通框架结构和底层自复位框架结构三维有限元模型。选取4条地震动,分别以0.07g、0.4g的峰值加速度输入结构,进行弹塑性时程分析,对比两个结构在地震作用下的动力响应及破坏模式。数值模拟结果表明：自复位框架结构的层间位移角与普通框架结构相近,均在规范限值内;罕遇地震作用下,损伤主要集中于底部两层的梁端。底层自复位结构的柱脚损伤小于普通框架结构,其残余位移角小于普通框架结构。

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抗震与抗风

宜宾乡镇级密集地震监测台网建设及地震信号分析

任晓崧, 王泽亚, 杨健, 任广震, 宗刚

2024, 40(3): 76-85.

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在宜宾建设地震监测台网,布置在地震多发区域的八个台站形成乡镇级密集地震监测台网。与传统强震台阵不同,各台站均包含地面测点和邻近多层学校建筑楼层测点。共获取136次地震诱发的地面及楼层信号共约2 000条,根据信号特点大致分为震中区、近区、远区和超远区四类信号。震中区和近区信号数据量最多,为强地面和楼层加速度数据,其中震中距小于10 km的震中区信号地面及建筑楼层信号共56条。选取了代表性的数据,分析了地面平均反应谱特征,给出了地面加速度峰值随震中距的衰减曲线。还对地面和/或楼层信号峰值相对较小的超远区信号、远区信号作了讨论。

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抗震与抗风

极值风环境下空间缆索体系悬索桥吊索耐久可靠度分析

兰义哲, 葛耀君, 杨詠昕

2024, 40(3): 86-94.

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空间缆索悬索桥是一种主缆、吊索等缆索系统向横桥向内侧倾斜或是外侧倾斜的悬索桥体系,其中吊索是重要的传力构件,但是其抗力会随着桥梁服役期的增加而下降,这会导致构件失效概率的增加和结构安全性问题。以主跨1 666 m的整体式钢箱梁悬索桥为工程背景,采用不同的主缆内倾角度,试设计了7个空间缆索体系悬索桥方案。通过建立吊索抗力时变概率模型、恒载内力时变概率模型以及风载内力时变概率模型,分析比较了在恒载和极值静风荷载作用下,空间缆索悬索桥吊索可靠度指标随服役期的变化规律。分析结果表明：受均匀腐蚀与点蚀影响的吊索抗力在钢丝体开始腐蚀后的10年内,吊索的抗力不拒绝伽马分布;在第10年到第30年间,吊索抗力不拒绝韦布尔分布。吊索风载内力在服役期40年内不拒绝对数正态分布。悬索桥吊索的时变可靠度与空间缆索体系的内倾角度不相关,且同一悬索桥不同位置处的吊索耐久可靠度变化形式一致。

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试验研究

装配式冷弯厚壁型钢半刚性梁-柱节点抗震性能试验研究

李占鸿, 李元齐, 白雪, 伍福炜, 马福栋

2024, 40(3): 95-106.

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冷弯型钢在装配式结构中应用具有天然的优势,为了扩展冷弯厚壁型钢结构的使用范围,克服冷弯厚壁钢的缺点,设计6个新型分层装配式“十字型”梁-柱节点,进行循环加载试验,对梁-柱节点的破坏模式、初始刚度、骨架曲线、等效黏滞阻尼系数、能量耗散系数、割线刚度、滞回曲线和关键部位应变分布进行研究,主要得到以下结论：通过螺栓和节点板的滑移,半刚性节点具有一定的耗能能力。增设高强螺栓可以提高梁柱节点的承载力,初始刚度和耗能能力也得到提高,避免梁端与连接板孔壁承压。增加可更换节点翼缘板,对梁-柱节点的破坏模式没有明显影响,承载能力、耗能能力、初始刚度分别得到较大提高。

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试验研究

先简支后桥面板连续体系桥面板抗裂性能研究

刘安, 彭天波, 闫博洋, 习明星, 胡成志, 林昱, 林道锦

2024, 40(3): 107-117.

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先简支后桥面板连续体系是一种新型钢混组合结构,在该体系的中支点处设置一定长度的钢梁-混凝土桥面板分离段,可以改善桥面板负弯矩区的受力状态。目前对于该体系桥面板负弯矩区这一薄弱环节的试验研究尚属空白。本研究首先根据实际一座先简支后桥面板连续的钢混组合梁桥,设计制作了两跨1/4比例的缩尺模型,并通过安装、拆除带套筒剪力钉对中支点处的分离段长度进行调节。然后通过在两跨桥面上模拟单轮重轴荷载进行逐点加载试验,研究了分离段长度对桥面板受力状态和抗裂性能的影响。最后对原桥的抗裂性能进行了分析。结果表明,中支点处设置分离段的先简支后桥面板连续体系可显著改善结构的抗裂性能。本研究有助于推广先简支后桥面板连续体系在钢混组合结构中的应用、推动桥梁结构预制装配技术的发展。

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试验研究

再生微粉活性粉末混凝土单轴受压应力-应变曲线研究

朱鹏, 李卓宣, 贾奇浩, 张盛东, 屈文俊

2024, 40(3): 118-124.

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为了进一步了解再生微粉活性粉末混凝土（RPC）的受压性能,通过试验分析并结合有限元模拟,研究了不同配比再生微粉RPC的单轴受压应力-应变曲线。利用有限元软件Ansys在细观层次上建立了随机分布钢纤维模型,建立的随机钢纤维模型能较好地反映实际情况。进而采用数值模拟的方法分析了钢纤维体积掺量对RPC受压应力-应变曲线的影响。研究结果表明,随着再生微粉对水泥替代率的增加,峰值应力减小,峰值应变和弹性模量略有降低但变化不显著。钢纤维的加入提高了再生微粉RPC的峰值应力、峰值应变和弹性模量,且随着钢纤维掺量增加,峰值应力增长,弹性模量有一定增长,峰值应变变化不明显。

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试验研究

填埋场复合衬垫界面动力剪切特性研究

冯世进, 史嘉梁, 郑奇腾

2024, 40(3): 125-134.

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填埋是我国生活垃圾的主要处置方式。复合衬垫系统作为污染物与外部环境之间的屏障,是现代生活垃圾填埋场的重要组成部分。复合衬垫界面的动力剪切强度较低,在地震作用下填埋场极易沿衬垫界面发生滑移,并进一步造成填埋场整体结构的失稳破坏。针对国内外现有填埋场中常见的糙面HDPE土工膜-压实黏土复合衬垫界面,利用大型界面动力直剪仪,开展了考虑剪切位移振幅因素影响的动力剪切试验,得到了糙面土工膜-压实黏土衬垫界面的应力-位移曲线及动剪切强度演化过程,并进一步分析了动剪切模量和动阻尼比的振幅相关性。通过与已有涉及其他类型衬垫界面的对比,分析了糙面土工膜-压实黏土作为填埋场复合衬垫的抗震有利因素。

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试验研究

快装式折叠箱房转动节点试验研究

陈韬, 常明媛, 雷杰

2024, 40(3): 135-144.

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文中提出了一种以转动节点为核心的新型快装式折叠箱房结构体系,采用不同的加载方式对3个转动节点开展了单调静力加载试验,研究了其承载力、破坏模式、刚度及变形能力。研究发现：转动节点的主要破坏模式为销轴的剪切破坏、螺栓的拉断和节点区钢板的屈曲。通过对转动节点试件进行刚度分析,可以发现节点绕Y轴的刚度较小,偏向于铰接,绕X轴的刚度则相对较大。

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试验研究

基于电磁弹式索力传感器的悬索桥短吊索索力检测

沈伟, 张伟山, 魏巍, 段元锋, 段元昌

2024, 40(3): 145-152.

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采用传统索力测试方法进行短吊索索力测试的精度难以满足工程需求。本文以棋盘洲长江公路大桥悬索桥荷载试验为工程依托,提出基于磁弹原理及磁电效应的电磁弹式索力传感器检测吊索索力的方法,并与有限元分析结果以及频率法、应变法测试结果进行对比。结果表明,试验标定误差小于±2%,在荷载试验中,传统索力测试方法对吊索的测量误差偏大,采用电磁弹式索力传感器更为准确地测量了短吊索索力,解决了短吊索索力的测量难题。荷载试验的吊索索力测试结果表明,索力增量的测试值与分析值偏差小于±5%,实际索力的测试值与分析值偏差小于±4%。

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试验研究

气肋式充气膜结构风荷载作用下结构特性分析及模型试验

张福, 刘坚, 朱利伟, 吴明儿

2024, 40(3): 153-164.

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气肋式充气膜结构具有轻质、可移动、施工方便等优点,在临时会馆、机库等方面得到了广泛的应用。首先对气肋式充气膜结构的结构形式进行综述分析;随后以索笼绑带型气肋式充气膜结构为研究对象,建立共节点模型分析气肋直径、箍带数、内压对结构风荷载效应的影响,同时,通过在模型中删除索段的方法明确了各类索段的作用;最后进行了气肋加载试验,将试验结果和有限元计算结果进行了对比分析。

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地基基础

长江漫滩区深基坑开挖诱发地层变形及围护结构响应特性分析

秦会来, 田潇屹, 王蓉, 王龙, 吕玺琳

2024, 40(3): 165-171.

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针对长江漫滩区典型二元沉积结构地层,以南京某20.6 m深的基坑工程为背景,通过现场实测数据分析及三维有限元数值模拟,探讨了深基坑开挖导致的地层变形和围护结构响应特性。结果表明：地下连续墙水平变形呈“弓”形分布,最大变形位于坑底略上方的位置。在0~0.35倍边长和0.65~1倍边长范围,围护结构水平变形随深度大致呈线性变化趋势,距离边角越近围护结构变形越小。地表沉降随时间总体上呈慢-快-慢的变化趋势,立柱桩隆起变形中心位置总体上大于边部及角部位置。

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工程施工

多方向阈值下的装配式建筑构件吊装施工场景三维重建方法

林国潮, 凌礼贤, 柴吉元, 林荣顺

2024, 40(3): 172-178.

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为了提高构件吊装施工的安全性,探索了一种多方向阈值下的装配式建筑构件吊装施工场景三维重建方法。该方法利用三维激光扫描仪获取场景点云数据,采用最小曲率区域增长法进行场景分割,采用随机采样一致性算法进行图像精分割,得到数个不相交的平面点云区域集合。利用移动最小二乘法进行曲面拟合,建立施工场景三维参数优化模型;通过改进麻雀搜索算法求解模型,得到三维模型参数优化结果,实现装配式建筑构件吊装施工场景三维重建。实验结果表明,该方法能够有效地采集构件吊装施工场景点云数据,实现高精度的施工场景三维重建。

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工程施工

上海软土单层地下室大面积换撑基坑变形特性实测分析

姚国圣, 吴晓俊, 苏鹏

2024, 40(3): 179-186.

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上海某医院项目东大型地下室单层层高达8.5 m,其不规则基坑共设置两道混凝土支撑,在拆除第一道混凝土支撑,对地下室顶板进行施工之前,需要实施大面积换撑施工作业,避免出现基坑围护结构悬臂过长的情况,为此需在施工期内开展全面监测。监测项目包括基坑围护结构侧移、围护结构外侧土体侧移、围护结构顶部位移、立柱回弹、支撑轴力以及坑外承压水水位等内容,重点分析了基坑开挖换撑过程中的围护结构变形、内力发展趋势。结果表明：高大单层地下室基坑的换撑作业有助于基坑围护在失去第一道支撑后的变形收敛,但过程中基坑围护变形较大,仍需密切监测;基坑坑外弃土可能引起土体固结,围护桩行为由回弹转换至沉降,在坑中立柱持续回弹过程中,混凝土支撑不均匀变形加剧,次应力增加,进而影响基坑稳定性。

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设计方法与研究

四塔支承超大直径圆环复杂结构设计

闫锋, 花炳灿, 刘富平

2024, 40(3): 187-195.

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上海临港新片区新建一幢地标建筑,该建筑为四幢46.8 m高的塔楼支承一个直径150 m、高度8.6 m的超大直径圆环,结构复杂。结构主要特点是超大直径圆环内侧采用倒三角形空间桁架、楼面梁采用变截面悬挑钢梁,四幢塔楼采用钢框架-屈曲约束支撑-屈曲约束钢板墙结构体系,超大直径圆环和四幢支承塔楼之间采用一个对角铰接、另一个对角滑动支座加黏滞阻尼器的连接方式。由于建筑师的要求,超大直径圆环横截面为外侧开口的C形截面,如何克服圆环外侧开口带来的扭转作用是设计难点。主要进行了支承塔楼的结构设计和计算分析,超大直径圆环的结构选型和抗扭性能研究,圆环和支承塔楼连接设计,支承塔楼和圆环组成的整体结构计算分析,整体结构大震下弹塑性时程分析。设计和研究成果可为圆环结构、多个塔楼共同支承一个上部结构等类似工程设计提供借鉴。

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设计方法与研究

吴江卷曲式人行开启桥设计

李金国, 吴冲

2024, 40(3): 196-202.

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吴江卷曲式人行开启桥项目位于吴江区东部两省一市交界区域,是规划水乡市集节点水上活动中心游艇进出元荡湖的主要出口,对景观要求高,要求修建一座标志性建筑的景观人行桥,该桥同时有开启要求,综合考虑多种因素,最终采用卷曲式人行开启桥方案。介绍了该卷曲式开启桥的特殊地理位置、方案构思、通航条件、总体设计、结构设计、液压设计、开启顺序等。通过研究,该工程达到了预期的景观和开启性能目标,具体分析方法和结论可供同类工程参考。

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文献综述

土木工程智能结构健康监测应用综述

龙武剑, 舒雨清, 梅柳, 寇世聪, 罗启灵

2024, 40(3): 203-216.

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在土木工程行业转型的背景下,智能技术为土木工程结构健康监测（SHM）领域的创新和发展带来了新的技术手段和工具,进而拓宽了土木工程SHM系统各个方面的研究领域。系统地梳理了当前土木工程SHM领域智能技术应用的研究现状,涵盖了计算机视觉、机器学习、智能机器人及无人机等方面。在综述现有研究成果的基础上,对未来智能技术在土木工程SHM领域的发展趋势和前景进行了展望,并深入探讨了土木工程SHM与智能学科融合所带来的创新与挑战。

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