结构工程师

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结构分析

基于逆作法的超高层建筑临界高度分析研究

潘晓莹, 李培振, 王远航, 徐辉, 刘金洋, 何陵波

2024, 40(4): 1-11.

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以某工程为对象,考虑不同开挖阶段和施工条件下各结构构件内力和位移的变化,对施工阶段进行全过程计算分析。通过不同开挖状态的工况对比,总结了主要结构构件的内力和变形随施工进展的变化规律。提出了在结构竖向承载力的基础上考虑了周围土体沉降、桩柱差异沉降和水平支撑体系等综合因素影响的临界高度自适应分析方法。研究了本项目中制约上部建设临界高度的主要因素,并结合实际工程案例计算出临界高度的范围,从而提出了安全性建议。

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结构分析

悬挑转换结构舒适度分析

王超, 张华丽

2024, 40(4): 12-22.

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通过对楼盖结构竖向振动舒适度的基本理论阐释,明确了舒适度验算的基本方法和提高舒适度的主要措施。结合15 m长悬挑结构的高层建筑工程,采用YJK和MIDAS Gen对不同悬挑部位分别进行竖向自振频率和峰值加速度的多阶多频多工况验算。针对行走激励和有节奏运动的时程荷载分布,分别对楼盖竖向振动响应进行分析比较。对于峰值加速度显著超限的楼盖结构,分别采取提高刚度和增加阻尼的办法,满足振动舒适度的相关要求。在此基础上,对两种解决方案进行了技术判别。通过完整的计算分析,摸清了悬挑转换桁架结构舒适度的内在规律和可靠措施。同时,对《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》（JGJ/T 441—2019）相关章节的设计参数和设计方法进行了探讨,补充了优化建议,以作参考。

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结构分析

长飞光纤产业大楼局部多层长悬挑结构舒适度分析

程骄阳, 张浩, 陈松

2024, 40(4): 23-29.

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长飞光纤产业大楼的五大体量通过中庭连为整体,结构平面立面复杂,存在较多处大悬挑、大跨度、大开洞等不规则项。针对局部多层悬挑结构在人行荷载下的舒适度问题,采用SAP2000软件进行有限元建模,分析动力荷载下悬挑结构的振动响应。对于多层悬挑结构,分析考虑了楼层间相互作用,得到了悬挑楼盖的振动加速度峰值,并通过响应频谱验证了最不利人行频率的准确性。同时,针对最不利工况进行了减振设计,通过设置特定参数的调谐质量阻尼器（TMD）大幅减小了楼盖的振动响应。

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结构分析

索穹顶比值逆迭代法形态分析

何契, 张莉

2024, 40(4): 30-38.

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索穹顶结构的几何形状与预应力分布密切相关,在结构几何形状不变的情况下,各拉索、撑杆之间的预应力比例关系是唯一的。基于此,提出了一种新的形态分析方法——比值逆迭代法,它可以同时得到结构初始态下索杆内力分布以及平衡初始态几何,并能在迭代过程中改变结构几何使得索杆内力分布更加均匀。首先,对Gieger型索穹顶进行了形态分析,以验证比值逆迭代法的正确性,结果表明：比值逆迭代法求解效率高,得到的索杆内力分布合理,平衡初始态几何与设计初始态几何的位形偏差小。其次,在算例验证的基础上,通过在比值逆迭代法迭代过程中,根据节点位移调节撑杆下部节点的坐标,改变原算例模型的结构几何,使改进模型的内力分布更加均匀。结果表明：与原模型相比,改进模型的索杆内力分布更加均匀,且得到的平衡初始态几何满足精度要求。该算法适用于索穹顶结构的形态分析,并对结构的索杆内力分布进行了优化,为索穹顶结构的分析与设计提供了新的思路。

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结构分析

供水管网故障预测的机器学习方法

刘威, 谢志印

2024, 40(4): 39-47.

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近年来我国各地供水管网运行安全问题频发,造成了巨大的经济损失与严重的社会影响。因此,准确地预测管道故障,精准地维护管道,经济高效地保障供水管网的运行安全具有十分重要的意义。然而,目前关于前沿算法在管道故障预测方面的应用有待探索,并且关于系统性比较机器学习算法的研究尚不多见。为此,首先明确了供水管网故障预测问题,介绍了逻辑回归、随机森林、人工神经网络和一维卷积神经网络四种机器学习算法的基本原理。以我国南方某市工业园区供水管网为例,检验比较了四种模型的故障预测性能,结果显示一维卷积神经网络准确性最好但随机森林效率最高。同时分析了管道特征对故障概率的影响,管径、管长、道路等级与施工企业资质是最重要的四个特征,故障概率与管径、道路等级呈负相关,而与管长、施工企业资质呈正相关。

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结构分析

地下室上浮破坏力学特征分析

刘玉涛, 王理军, 黄杰卿

2024, 40(4): 48-55.

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地下室上浮事故屡见不鲜,但对于其破坏机理及力学特征的研究较少。本文用有限元软件建立三类典型的空间模型,对比上浮工况与设计工况下结构内力的变化。结果表明：地下室上浮后梁柱内力发生较大变化,导致梁柱产生众多水平裂缝和斜裂缝;裂缝在靠近主楼部位的地下室结构出现较多,在地下室上浮中心区域出现较少;梁柱斜裂缝底端指向上浮中心区域;基础所受冲切力增加,冲切破坏可能性增大。地下室上浮后,可根据破坏特征推断上浮中心区域,也可据此采取针对性的处理措施。

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抗震与抗风

活动支座摩擦效应对墩底地震反应的影响

江信焱, 陈旭, 李建中, 梁博

2024, 40(4): 56-65.

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活动支座被广泛应用于大跨度连续梁桥的活动墩以及斜拉桥、悬索桥的边墩和辅助墩处。本文以布置活动支座的大跨度桥梁桥墩为研究对象,首先探讨了支座摩擦效应对活动墩墩底地震反应的影响,结果表明：对于墩身质量相对较小的活动墩,墩底地震反应随摩擦系数的增加而增加;但对于墩身质量相对较大的活动墩,墩底地震反应随摩擦系数的增加呈现先减小、后增加的变化规律。进一步,本文对墩底地震反应随摩擦系数的变化规律的机理进行了研究,研究发现：地震作用下,当摩擦系数较小时,由于支座摩擦力和墩身地震惯性力持续反向作用,可能导致活动墩墩底反应随摩擦系数的增加而减小。由于影响实际桥梁活动支座摩擦系数的因素多且复杂,按规范给定的摩擦系数计算得到的墩底地震反应可能小于实际的墩底地震反应,导致下部结构的震后修复时间和成本增加或安全性降低。

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抗震与抗风

铁路旅客站房圆柱面壳结构的地震响应分析

李植

2024, 40(4): 66-75.

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随着高速铁路的快速发展,中、小型旅客站房逐渐增多,圆柱面壳结构具有兼顾车站服务功能和造型美观的优点,在站房工程中应用较多,需对西部高烈度区圆柱面壳结构的抗震性能进行研究。本文结合西部某车站工程,建立主站房结构的三维有限元数值模型,通过计算结构在遭遇罕遇地震下的动力时程响应,对结构关键部位的位移、加速度、应力响应以及结构薄弱区的破坏形式进行了分析。结果表明：结构中间区域对结构整体的地震响应影响较大,结构的薄弱部位位于中间壳体的柱脚和梁柱节点处;在遭遇罕遇地震时,壳体结构最大层间位移角为1/88,满足规范要求,结构抗震设计能够实现预期的设防目标。

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抗震与抗风

《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构设计规程》抗震性能化设计规定的分析对比

陈嵘

2024, 40(4): 76-82.

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《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010,2016版）和《高层建筑混凝土结构设计规程》（JGJ 3—2010）均有抗震性能化设计的规定且略有不同,工程师在执行中可不避免地产生困惑。本文分析两本规范抗震性能化设计的规定,从荷载-位移曲线的角度阐述性能目标、性能水准的含义,并对比两本规范的设计参数。列举29个采用性能化设计方法的工程实例,分析位移指标的取值依据。根据上述两方面分析,总结两本规范性能化设计规定的不同点,并给出设计建议。

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试验研究

地铁车辆段上盖框架-核心筒结构车致振动试验研究

温玉君, 张君秋, 周颖, 张增德, 郭启航, 徐骁航

2024, 40(4): 83-91.

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随着城市土地资源日益紧张,地铁车辆段上盖物业开发受到了许多开发商的青睐。然而,由于地铁上盖建筑的位置特殊,盖下地铁运行产生的振动可能造成上盖建筑的舒适度较差,给居民的生活和工作带来一定影响。因此,有必要对地铁车辆段上盖建筑的地铁致振动进行研究分析。本文选取上海徐泾车辆段上盖框架-核心筒结构办公楼进行振动响应测试,分析了结构内不同楼层的振动加速度变化和频谱规律,并利用Z振级、三分之一倍频程对不同楼层的竖向振动进行了评价。分析表明,随着楼层高度的增加,三向加速度整体呈衰减趋势,4~8 Hz的低频振动分量不断增加。竖向加速度放大较水平向加速度放大更明显,高楼层Z振级也出现放大效应,且多数工况18层Z振级大于1层Z振级。在三分之一倍频程评价中,13层和18层在4 Hz附近超限或接近限值,其他盖上测试楼层未出现超限现象。在设计中应关注盖上结构高楼层的振动情况,提高其舒适度。本研究结果可为地铁车辆段上盖框架-核心筒结构的设计提供数据支撑。

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试验研究

高延性纤维增强水泥基材料自愈合行为的试验研究

董华忠, 郭丹雯, 姚超, 陈思宏, 肖云英, 吴玉斌, 王菲

2024, 40(4): 92-99.

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本文介绍了不同因素对高延性纤维增强水泥基材料（Engineered Cementitious Composites,ECC）的自愈合效果的影响。基于不同的增强纤维制备ECC材料,通过拉伸试验对试件施加不同的损伤水平（初应变）,然后采用不同的养护方式进行养护,最后通过拉伸试验比较愈合前后材料开裂荷载、拉伸模量和极限抗拉强度的变化。试验结果表明,养护后的预损伤试件的抗拉强度和拉伸应变能力恢复较明显,拉伸模量得到部分恢复;预损程度、纤维品种、养护条件对试件的裂后恢复有显著影响。

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试验研究

加劲钢板与混凝土黏结面抗剪性能研究

于晓杰, 叶赛炜, 张小慧, 孔令杰, 李程远, 刘荣

2024, 40(4): 100-106.

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为研究预应力混凝土梁加固所用的外贴加劲钢板与混凝土黏结面的抗剪性能,开展了钢混黏结面推出试验及有限元分析。通过推出试验测得黏结面的剪力-位移曲线、抗剪强度和破坏形态。对比有、无加劲肋试件的抗剪强度,得出加劲肋对黏结面剪切受力性能的影响。通过参数化分析,得出影响黏结面抗剪性能的关键设计参数。研究结果表明,加劲钢板与混凝土通过A级胶相连的抗剪黏结强度约为2 MPa,极限滑移变形约为0.2 mm,胶黏层与钢板剪切粘结失效为其破坏模式。将黏结强度由2 MPa提高至4 MPa,黏结面抗剪强度提高约38%,提高黏结强度可改善黏结面抗剪性能。加劲肋会增大黏结面的局部剪应力,降低黏结面抗剪强度,加固设计中宜考虑加劲肋对黏结面抗剪强度的削弱作用。

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试验研究

竖向荷载作用下碳纤维增强复材-混凝土密拼双向叠合楼板传力机制分析

王月昊, 彭亚萍

2024, 40(4): 107-115.

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为解决装配式混凝土叠合板预制底板有外伸钢筋带来的制造、运输及施工复杂等问题,在普通密拼叠合板的研究基础上提出了板底拼缝粘贴碳纤维增强复材条带的密拼接缝方式。通过6块四边简支的矩形单缝密拼双向叠合楼板静载对比试验和有限元模拟分析,对叠合板拼缝处的传力机制进行了分析研究,结果表明：与普通密拼叠合板相比,在拼缝位置粘贴碳纤维复材可协助拼缝两侧混凝土有效传递应力。碳纤维增强复材-混凝土密拼叠合楼板拼缝处传力机制随荷载的增加而发生变化,持载初期主要通过碳纤维复材对拼缝两侧混凝土进行应力传递;随着荷载增加,叠合面的附加钢筋向两侧传荷的能力增强,但碳纤维复材仍承担主要拉应力;加载后期碳纤维复材发生剥离后,拼缝处附加钢筋和桁架钢筋、底部纵筋构成了新的空间传力体系。

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试验研究

新型CFRP索股锚固体系设计及试验研究

贾丽君, 张文超, 徐利平, 裴辉腾

2024, 40(4): 116-124.

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为改善CFRP索股锚固体系的锚固性能及CFRP索股受力不均问题,研制了锚具内壁面带凹槽的CFRP索股锚固体系,对其进行了试验测试,分析了锚固体系破坏模式、荷载-位移、锚固效率、CFRP索股应变变化规律,通过应力变异系数评估了锚具内壁面凹槽设置和预张拉对CFRP索股应力不均匀改善的效果。研究结果表明,锚具内壁面设置凹槽和对CFRP索股进行预张拉能够提高锚固体系的锚固效率,锚固效率可达99%以上;试验观察到CFRP索股存在受力不均现象,引起CFRP索股受力不均的原因主要与CFRP索股长度不一致和粘结介质的剪切变形相关;通过在锚具内壁面设置凹槽和对CFRP索股进行预张拉能够改善锚固体系CFRP索股的应力不均程度,锚具内壁面凹槽深度为2 mm、间距为5 mm,预紧力为10%名义极限荷载时,锚固体系在自由段中点和加载端处的平均应力变异系数分别降低了7.16%、3.86%。

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试验研究

斜交板梁桥同步顶升施工铰缝受力性能试验研究

章柏林, 李方元

2024, 40(4): 125-132.

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空心板梁作为常见桥梁之一,在顶升施工过程受到顶升差异影响,导致铰缝受力差异明显,也会影响到后期桥梁使用性能。借助一座实桥的顶升施工开展试验测试。通过设置不同顶升偏差,研究顶升施工对铰缝受力性能影响。详细介绍了顶升方案、试验方案,结合梁体转角、纵向和横向位移,以及铰缝应变,分析了顶升过程中结构变形情况、铰缝的受力性能。对于相同尺寸的空心板梁桥,同步顶升误差在±2 mm时,可以保证铰缝受力安全。成果可为桥梁顶升施工质量控制和铰缝的设计提供依据。

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地基基础

大型钢结构空冷塔桩基设计研究

张强, 李甲伟, 吴有兵, 王申桂, 左文武, 张红, 余喆, 程春阳

2024, 40(4): 133-140.

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近年来,钢结构空冷塔在国内快速发展。与传统混凝土冷却塔相比,钢结构空冷塔整体重量轻,因此基础的受力与设计也有一定的区别和特点。有必要针对钢结构空冷塔的特点,对基础进行专门的设计研究,剖析其受力特点、简化基础构造、提高基础设计的经济性。以某高度为189.5 m的大型直筒锥段型钢结构空冷塔为例,采用上部结构与基础协同的分析模型,对其桩基设计进行介绍,较为详细地阐述了上部结构传力特点、基础设计的详细构造及关键点,对各控制荷载工况下的基桩、环基受力特点进行了分析总结,可为今后同类型项目的设计提供参考。

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工程施工

基于多尺度有限元的网架结构施工过程分析

张龙海, 王世玉, 李伟, 董业廷, 孙宇, 张营营, 徐俊豪

2024, 40(4): 141-152.

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网架结构的施工过程模拟多采用杆系模型,不能反映网架节点以及顶升处的复杂应力情况,容易导致网架结构施工过程出现安全隐患,为此提出了基于多尺度有限元的网架结构施工过程分析方法。首先对比了位移协调、做功协调以及二者组合的多尺度有限元界面连接模型。随后以济宁北站网架结构施工过程为例,通过多尺度有限元分析了三种典型施工方案下的结构力学响应。结果表明：采用基于位移协调的多尺度界面连接方法用于网架结构施工过程分析可兼顾实施效率和计算精度,精细单元长度取0.9~1.1倍圆管截面外径时能够避免圆管截面出现应力集中,符合平截面假定。采用“现场地面分块拼装、整体顶升、高空散装”的施工方案,结构最大应力为292.3 MPa,最大位移为59.6 mm,最为安全。

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工程施工

树形支撑双向倾斜钢屋盖施工全过程仿真分析与监测

欧华, 肖吉勇, 陈建锋, 许立

2024, 40(4): 153-161.

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陕西某下沉式广场屋盖采用树形支撑双向倾斜钢屋盖结构体系,整体由斜交H型钢网格板、树形撑杆以及钢筋混凝土柱组成。为了保证钢屋盖在整个施工过程中的安装精度和安全性,依据拟定的施工方法和施工顺序建立数值仿真模型,对钢屋盖的吊装、卸载的全过程进行施工仿真分析。并且对比分步加载成型和一次加载成型结构的力学性能,揭示施工过程对结构受力及变形的影响,进一步验证了施工过程的安全性以及结构成型的合理性。在现场对关键节点的竖向位移进行了监测,并且将数值模拟值与实测值进行对比,总结了施工全过程位移变化规律。现场监测与数值模拟结果有效验证了施工方案的合理性和可靠性,可为同类工程提供借鉴。

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结构加固与改建

基于位移标准的地连墙加固槽壁稳定性分析

连天, 李振兵, 何荣宇, 彭红岩, 潘冬城

2024, 40(4): 162-167.

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随着周围环境对地下工程施工要求的提高,构建以沉降为标准的地连墙加固槽壁稳定性评价方法、实现地连墙成槽期间的地表沉降控制已经成为工程中亟待解决的关键问题。以台州市域铁路S1线一期工程车站地连墙施工为背景,通过有限元方法分析了槽壁加固对地表沉降的影响,基于参数折减法研究了不同沉降标准的地连墙槽壁稳定的安全系数,分析了不同加固条件对槽壁变形稳定的影响,构建了以沉降为标准的地连墙加固槽壁稳定性评价方法。研究结果表明,槽壁加固能有效实现地表的沉降控制,以沉降为标准对槽壁稳定安全系数进行新的表征,可以实现槽壁加固的量化分析,沉降标准越严格,相同安全系数条件下所需的槽壁加固深度越深。合理选择槽宽和加固深度是有效控制槽壁稳定和变形的关键,槽宽越大,槽壁加固深度对槽壁的变形和安全系数的提升作用越大。此外,还给出了不同槽宽条件下安全提高系数与槽壁加固深度的量化关系。

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设计方法与研究

斜拉桥曲面钢塔内部合理构造设计与受力分析

孙旭霞, 唐宇峰, 武星

2024, 40(4): 168-174.

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为了给斜拉桥曲面钢桥塔内部构造设计提供思路和方法,以石家庄滹沱河大桥为依托工程,在综合考虑施工可行性的前提下,提出了三种桥塔截面内部构造布置形式,并通过有限元分析,结合桥塔受力特性,得出桥塔的经济性对比结果。进一步应用有限元数值分析、理论推导和规范相结合的方式得到整体稳定折减系数计算流程,并针对三种截面进行整体稳定性分析对比。为保证曲面钢板的加劲的合理布置和板厚的选择,引入曲面局部稳定折减系数计算方法,总结计算流程,并对依托工程的曲塔壁厚和加劲布置进行多参数对比计算,得出推荐的壁厚与加劲间距的对应关系。桥塔的锚固形式多样,需要根据索力大小、内部操作空间及传力路径等多方面进行比选,最终选择与桥塔相适应的锚固构造。

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设计方法与研究

佛山国际体育文化演艺馆结构设计

余楚江, 王伟江, 熊伟

2024, 40(4): 175-186.

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佛山国际体育文化演艺馆为NBA级别的大型综合性甲级体育文化场馆。体育馆主体采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,大跨度屋盖采用带转换桁架的钢桁架结构。对地基基础、主体结构、预制混凝土看台、大跨度转换梁以及钢结构屋盖和转换桁架、结构超长等设计重点和难点进行了全面的论述。利用YJK、ETABS和SAP2000对整体结构以及钢结构屋盖进行了计算分析和包络设计,分析结果表明：整体结构和构件在各种工况下的指标均能满足规范要求,结构选型合理,受力体系明确,且有一定的安全冗余度。

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文献综述

钢管混凝土柱抗爆性能试验研究综述

刘中辉, 匡志平

2024, 40(4): 187-194.

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当今世界恐怖爆炸袭击事件频发,很多爆炸袭击是针对建筑物和桥梁的,柱作为建筑物和桥梁的重要构件常成为袭击的目标。钢管混凝土柱在常规荷载作用下具有很多优良的结构工作性能,在工程实践中得到了越来越广泛的应用,为了探究其抗爆性能,很多学者开展了大量的试验研究工作。对这些试验研究工作进行了归纳总结,发现炸药距离柱表面的比例距离和炸药质量是决定钢管混凝土柱破坏形态的主要因素,根据比例距离和炸药质量的不同,钢管混凝土柱将会出现三种不同的破坏形态：局部凹陷破坏、局部凹陷和整体弯曲破坏、整体弯曲破坏。钢管截面形式、钢管外径与壁厚之比、混凝土强度、轴压比等因素对特定破坏形式下的破坏程度均有一定的影响。此外,受到近距离爆炸荷载作用后,钢管混凝土柱的轴向和抗震残余承载力均有所下降,下降幅度与爆炸损伤程度成正比。在归纳总结已有文献的基础上,给出了钢管混凝土柱抗爆性能试验进一步的研究方向。

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