结构工程师

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结构分析

基于钢筋应变的钢筋混凝土梁挠度控制

蒋利学, 白雪, 张永群, 王卓琳

2024, 40(6): 1-11.

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现行结构设计标准中的梁挠度控制是为了保证建筑的正常使用功能,而既有结构可靠性评定中的挠度限值和结构健康监测中的挠度预警值尚有控制结构构件安全性的目的。以结构构件安全性控制为目标,建立了梁挠跨比与钢筋最大拉应变的理论关系式,并研究了梁的受力特征系数、截面中和轴高度系数和长期挠度增长系数的计算方法与取值建议。采用试验数据对梁挠度-钢筋最大拉应变关系进行了验证,结果表明,提出的短期荷载作用下的挠跨比综合系数的精度符合工程计算要求。建立了钢筋最大拉应变的分级控制方法,并据此提出了梁挠跨比的分级限值。与现行标准中的挠度限值进行比较,结果表明,建议的挠度限值根据梁的具体特征不同而有明显不同,比现行标准的限值范围更宽,较多情况下更加严格。研究成果可为既有结构可靠性评定和结构健康监测提供参考。

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结构分析

变截面斜交预应力混凝土箱梁桥剪力滞效应分析

田霖博, 曹雪云, 张玉彬, 于西尧, 徐晨

2024, 40(6): 12-21.

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为考察变截面形式、温度效应及斜交角度对变截面斜交预应力混凝土箱梁剪力滞效应的影响,依托某四跨现浇预应力混凝土斜交箱梁建立非线性实体有限元模型及梁格模型,分析中跨跨中及中支点典型截面混凝土顶底板剪力滞系数分布特征。基于桥梁原始设计,考虑不同斜交角度、整体温度效应、桥面梯度温度效应及变截面抛物线幂次建立全桥参数化有限元模型展开分析。计算结果表明,恒载作用下单箱多室变截面剪力滞现象显著且存在正负剪力滞突变现象;截面顶板剪力滞系数相较底板分布更不均匀,顶板剪力滞系数最大值与最小值差值为底板差值2~3倍。梁高及底板厚度抛物线幂次、结构整体升温、整体降温、桥面板局部升温对恒载作用下顶底板剪力滞系数分布特征无显著影响。斜交角是影响剪力滞效应的关键敏感参数,斜交角度由45°减小至15°,跨中截面顶板剪力滞系数最大值增幅达53%,最小值降幅约13%。

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结构分析

侧向荷载下双面叠合混凝土剪力墙受力性能有限元参数分析

王毅, 刘博研

2024, 40(6): 22-31.

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双面叠合混凝土剪力墙由两侧预制板和中间现浇混凝土层组成,是一种整体性好、生产效率高、节省模板和人工成本的装配-整体式混凝土构件。为研究其在侧向荷载下的受力性能,基于ABAQUS软件建立了双面叠合剪力墙的有限元模型进行模拟分析,并根据现有试验数据验证了计算模型的可靠性。在此基础上,以竖向连接形式、设计轴压比、现浇层混凝土强度为研究参数,开展了21片双面叠合剪力墙模型在侧向荷载下受力性能的有限元参数分析。结果表明：单排插筋连接、双排插筋连接、分布区不连的叠合剪力墙的荷载-位移曲线相似,耗能能力接近;单排插筋连接墙体的承载力高于传统的双排插筋连接墙体1.5%~7.5%,受力性能优于双排插筋连接模型,建议推广;分布区不连的模型墙体的承载力低于双排插筋连接墙体5.7%~12.3%;随着轴压比的增加,模型的初始刚度和抗侧承载力增加,但下降段承载力与刚度退化更快;现浇层混凝土因振捣不实造成的强度降低会导致叠合墙承载力下降,应采取施工措施予以避免。

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结构分析

空间扭索面曲塔斜拉桥辅助墩设置及索塔节段承载力研究

聂斌, 吴用贤, 王定全, 姜旭, 王妍, 罗程巍

2024, 40(6): 32-39.

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异形桥塔斜拉桥在近些年来得到快速的发展,但是其桥塔的造型造成了其受力形式复杂的空间特性,难以形成统一的计算结论。辅助墩的计算同样也是难以通过理论计算得到普遍性的结果,一般要通过试算找到其最佳位置。针对一座空间扭索面曲塔斜拉桥进行了整体和节段的有限元计算分析,对其辅助墩的设置以及索塔节段的承载力进行了研究。结果表明,辅助墩对前跨应力、前跨变形、后跨变形和主塔变形影响较大;辅助墩的位置选取符合拟合函数计算结果;在设计尺寸范围内,弯曲对抗弯承载力降低的影响大于扭转;弯扭耦合效应带来的抗弯承载力降低可近似看作两个因素的线性叠加,拟合得到的回归公式与模拟值之间的相关性较好。

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结构分析

基于时空关系推理算法的椭圆形建筑结构变形多层次度量方法

温欣, 田江云, 薛胜利, 屈靖轶, 刘旭东

2024, 40(6): 40-46.

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受到椭圆建筑结构的非规则特征影响,椭圆建筑变形结构截面的不同对象之间存在较大差异性与相似度,致使传统度量方法所度量的结果与实际变形值之间存在较大误差,严重影响椭圆建筑变形分析精准度。为了解决此类问题,结合椭圆建筑形态特征,提出一种基于时空关系推理算法的椭圆形建筑结构变形多层次度量方法,具体实现分为四个步骤,第一步：搭建基于时空关系推理算法的椭圆形建筑结构空间模型;第二步：建立时空关系下空间模型的椭圆建筑结构受力有限元模型;第三步：变形边缘轮廓空间检测;第四步：变形结构受力多层次度量;通过对提出方法五步优化效果的对比测试,证明提出的度量方法具备提升度量精准度、减小椭圆变形截面度量偏差的效果。各项性能指标满足设计要求,符合实际度量应用标准。

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结构分析

复杂大跨转换结构钢-混凝土组合楼盖在有节奏运动激励下的舒适度分析

沈德阳, 姚根圣, 梁若彦

2024, 40(6): 47-55.

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以某180 m超高层建筑结构为研究对象,针对其大跨转换钢-混凝土组合楼盖结构的舒适度问题,采用SAP2000及MIDAS/GEN软件对其进行模态分析及动力时程分析,研究结构在有节奏运动激励下的动力响应特性,分析局部模型计算方法与整体模型计算方法对结构动力响应结果的影响;并进一步探究吊柱刚度、悬挑端变截面及结构阻尼比等参数对结构动力响应的影响。结果表明：①结构整体计算方法可以分析出下层振动对上层结构的影响,此种振动的层间传递现象在柱刚度较弱、悬挂、大跨转换结构中的表现较为明显;②悬挑端采用非变截面构件、吊柱（立柱）刚度对结构振动响应影响不大,但结构阻尼比越大,结构的振动响应越小。

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结构分析

车撞半刚性护栏的耦合动力学行为分析

张琳金, 梁立农, 邓芊芊, 唐清东

2024, 40(6): 56-65.

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为定量研究车撞半刚性护栏的耦合动力学行为,基于有限元方法综合考虑了车体和护栏的结构的非线性动力学行为,建立了车撞半刚性护栏的耦合数值模型。通过将数值计算结果与试验及理论经验公式对比,验证了耦合数值模型的准确性。利用该数值模型定量研究了车体速度、立柱壁厚、碰撞角度对耦合动力学行为的影响,并对实际护栏工程进行优化设计。结果表明：在大货车速度为60 km/h、立柱壁厚为4.5 mm、碰撞角度为19°时的基准模型下,碰撞速度、立柱壁厚、碰撞角度的敏感度值分别为1.0、1.0、0.741,因此,碰撞速度与立柱壁厚是需要重点考虑的设计参数。该耦合数值模型可用于优化设计实际工程的半刚性护栏。

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结构分析

混凝土底板早期开裂计算模型的边界约束敏感性研究

李志义

2024, 40(6): 66-73.

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在现代建筑工程中,大体积混凝土结构对裂缝控制提出了极高的要求,研究大体积混凝土结构在早期阶段所受到的复杂约束至关重要。以弹簧基座模拟复杂约束,通过对比固定约束和弹簧基座的模拟计算结果,了解弹簧基座系数的取值敏感性,旨在探究大尺寸混凝土底板早龄期复杂约束条件的模拟方法及其参数取值敏感性。研究发现,结构混凝土早龄期受力不仅对横向变形敏感,对竖向变形也敏感,特别是水化热变形,计算时不宜忽略。弹簧基座系数取值偏大可能导致底板顶部中心应力值偏小,特别是在热应力导致的膨胀情况下,底板中部产生拱起效应,在研究底板受力时需充分考虑竖向约束对计算的影响,根据实际情况合理设定参数。研究结果可为进一步优化底板设计和施工提供参考。

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抗震与抗风

基于Park-Ang模型的弯曲型双钢板混凝土组合剪力墙构件地震损伤评估研究

侯皓文, 王伟

2024, 40(6): 74-84.

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建筑震后损伤和性能水平评估是基于性能的抗震设计的关键流程之一。针对双钢板混凝土组合剪力墙（DSCW）缺乏地震损伤评价指标的问题,建立了包含37组弯曲型DSCW滞回试验的数据库,并基于现有的修正双参数Park-Ang损伤评估模型,确定了组合系数β关于DSCW设计参数（轴压比、剪跨比、截面长宽比、含钢率等）的经验表达式。基于我国“三水准,两阶段”的抗震设计理念,根据DSCW构件骨架曲线上的等效屈服点、峰值点和极限点,将DSCW构件损伤状态划分为基本完好（D₁）、轻中度损伤（D₂）、严重损伤（D₃）和构件失效（D₄）,对应的损伤指标限值分别为0.086、0.517和1.020。本文研究结果可为DSCW结构基于构件的震损评估、抗震设计和震后加固提供依据。

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抗震与抗风

无支座连续刚构桥的墩梁节点抗震性能研究

陈亮, 徐之文, 郭敏, 陈旭, 李建中

2024, 40(6): 85-94.

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无支座连续刚构桥作为一种新颖的结构体系,具有整体性好和无须更换维护支座等优点。但该类桥梁墩梁连接节点受力复杂,在地震作用下容易发生损伤和破坏,且梁体截面尺寸远大于桥梁盖梁。目前国内外对这种节点的抗震性能研究基本处于空白。以某城际铁路标准段4×40 m无支座连续刚构桥边墩-主梁节点为研究背景,按照1∶3的缩尺比设计模型,采用拟静力试验方法研究了无支座连续刚构桥节点的损伤破坏模式、滞回耗能特性和延性能力,探讨了边墩-主梁节点在闭合弯矩和张开弯矩下的破坏机理。实验现象表明：在试验加载初期,水平裂缝主要产生于墩身加载面,之后逐渐延伸贯通,节点和梁体斜边裂缝开展较少;随着加载位移增大,斜边也逐渐出现裂缝,但是裂缝宽度较小;试件桥墩纵筋伸入节点部分仅设置了横向拉筋,没有横向箍筋,在闭合弯矩作用下,节点顶部混凝土出现大面积拱起的破坏模式;节点的力-位移滞回曲线的滞回环面积较小,呈捏拢状。研究发现,虽然在节点破坏时桥墩顶部纵筋已屈服,但节点的延性能力较小;分析骨架曲线发现节点在闭合弯矩作用下并无明显的屈服平台,水平力在峰值后发生骤降,即节点发生了破坏。最后基于节点的破坏模式和破坏机理,结合AASHTO规范给出了边墩-主梁节点的配筋构造建议。

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抗震与抗风

新型装配式梁柱节点抗震性能试验研究

孙立建, 宋扬, 刘铁军, 张奔驰, 李有志

2024, 40(6): 95-105.

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装配式混凝土建筑是一种提高生产效率、节约能源的绿色环保建筑,为了研究装配式混凝土栓焊、Z字形节点抗震性能,通过对中节点进行低周往复荷载试验,观察试件破坏情况;对中节点的荷载-位移滞回特性、延性、刚度及耗能能力等指标进行分析。试验结果表明：试件的滞回曲线形状较为饱满,具有显著的滑移和捏缩现象;各节点的延性系数满足规范对构件位移延性的要求,具有良好的抗震性能。节点连接方式对节点的刚度退化影响较大,全装配式混凝土框架节点在地震作用下具有良好的变形性能和抗倒塌能力。

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抗震与抗风

考虑贮料-仓壁相互作用的钢板筒仓地震响应分析

杨金平, 徐凯, 李培振, 李非凡, 李远宏

2024, 40(6): 106-115.

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为探究在考虑贮料-仓壁相互作用时不同因素对钢板筒仓地震响应的影响,建立了三个不同高径比的钢板筒仓,分析了钢板筒仓在满仓状态下和半仓状态下结构的加速度响应、位移响应、结构耗能以及应变响应。同时,建立了相同尺寸的钢板筒仓和钢筋混凝土筒仓的计算模型,输入相同的地震动激励,对比半仓状态和满仓状态下两种不同类型的筒仓结构加速度响应、位移响应和结构耗能的差异。结果表明：高径比不同时,筒仓仓壁的绝对加速度峰值和相对位移峰值均随着高径比的增大而增大,并且在仓顶达到最大值,而筒仓的累积滞回耗能和应变则随着高径比的增大而减小;钢筋混凝土筒仓的响应小于钢板筒仓的响应。

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抗震与抗风

基于敏感模态驱动的推覆分析方法研究

刘骥, 缪小春, 汤静, 王杰

2024, 40(6): 116-126.

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推覆分析具有操作简单、计算成本低且可以较好地描述结构整体非线性行为的优点,是一种值得推广并适用于一般多高层建筑结构抗震性能化设计的工程实用分析方法。但该方法具有难以考虑结构高阶振型的影响、不同推覆力分布模式下结构响应差异显著以及单自由度等效带来的误差等缺点,限制了推覆分析方法在复杂不规则高层建筑结构中的应用。本文考虑结构中基本振型和高阶振型对地震响应贡献程度的影响,将各敏感振型对应的模态进行组合作为最终推覆力分布模式。采用该方法分析了一个大底盘偏置单塔超限高层建筑结构的非线性地震响应,并与动力非线性分析结果进行比较。结果表明,本文所建议的方法在预测结构整体响应和局部构件的屈服损伤规律均具有较好的精度,且具有计算效率高、适用性强等特点。

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试验研究

贝壳珍珠母仿生砌体结构的受压性能研究

蒋芳明, 陈嘉馨, 刘海平, 余江滔

2024, 40(6): 127-135.

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本研究基于自然界中贝壳珍珠母的增韧机理,提出仿生砌筑概念,以提升砌体结构的延性与韧性。采用高延性纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites,ECC）作为砌筑砂浆,选取四种不同强度等级砌块,砌筑了5组15个传统与仿生砌体短柱,并进行了轴压试验,对比分析了各试件的破坏模式、应力-应变行为、延性、耗能能力等指标。试验结果表明：仿生砌体可发生类似于珍珠母的层间滑移与裂缝偏转,相比于同强度的传统砌体,ECC砌筑的仿生砌体的受压延性最大提升10倍,耗能能力最大提升77倍。随着砌块强度的增加,当ECC层无法提供足够的约束,砌体仍发生脆性劈裂破坏。基于数字图像相关技术（Digital Image Correlation,DIC）,研究了砌块与ECC层协同工作特点,对仿生砌体的增韧机理进行了讨论。

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试验研究

矩形钢管内置方木组合长柱的抗震性能研究

张建玉, 王钢, 陈桥生, 赵才其, 王雅婷, 张坤

2024, 40(6): 136-143.

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以矩形钢管内置方木组合长柱为研究对象,开展单向拟静力试验及数值模拟,初步探明该类组合柱的抗震性能。然后,进行钢木组合柱数值模拟参数分析,探究轴压比、长细比及面积比（钢管与木芯的截面积之比）对该类柱抗震性能的影响规律。最后,基于大量数值模型计算结果拟合出该类钢木组合柱的抗震构造措施,即给出轴压比、长细比及面积比的建议值。

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试验研究

钢-混凝土-UHPC组合板抗冲切性能试验

刘超, 郭松松, 马晓刚, 张大伟

2024, 40(6): 144-151.

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钢-混凝土（NC）-UHPC组合板将钢-混组合板中部分混凝土替换为UHPC,可提升其抗弯性能和耐久性。UHPC层的使用降低了普通钢-混组合板厚度,其在重载作用下可能出现冲切破坏。因此,需要开展钢-NC-UHPC组合板抗冲切性能研究。本文进行了5块组合板冲切试验,对UHPC层厚度、加载区面积和加载区长宽比等变量的抗冲切效应进行了分析。基于塑性理论,分析了新型组合板的冲切破坏机理,并提出了考虑UHPC抗冲切贡献的承载力计算方法。研究结果表明,UHPC层能显著提升钢-混凝土组合板的承载力和延性,且承载力随UHPC层厚度、加载区面积的增加而增大;新型组合板冲切承载力理论计算结果与试验结果吻合较好。

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试验研究

泡沫铝填充钢管构件静态压缩性能试验与数值模拟研究

李冬梅, 邵建华, 张继业, 王展光, 王振田, 徐鸿轩

2024, 40(6): 152-161.

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为研究泡沫铝填充钢管构件在准静态轴压作用下的承载力、变形与破坏形态,对不同长度和厚度的构件进行试验,得到最终破坏形态和轴力-位移关系曲线。在有限元数值模型可靠性的前提下,分析泡沫铝填充钢管构件受截面高度的影响程度。研究结果表明：泡沫铝填充钢管构件的峰值荷载和平均荷载随构件长度的增长而降低,随构件壁厚的增加而增大;褶皱波瓣数量随构件长度的增长和壁厚的增加而减少;相比于纯钢管,截面高度为40 mm、50 mm、60 mm和70 mm的泡沫铝填充钢管构件的总能量增长幅度在一定范围值内波动,截面高宽比较大的泡沫铝填充钢管构件更能有效地抵抗变形;泡沫铝填充钢管构件长度为150~250 mm,矩形截面高宽比为1.5时,其在屈曲后的力学性能最佳。

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地基基础

基于计算机视觉的基坑工程关键目标识别研究

董伟明, 张兴宇

2024, 40(6): 162-172.

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针对复杂工程现场人员、材料、机械设备等多种目标精准识别难的问题,本文采用基于YOLOv7框架的目标检测模型,通过航拍图片、场地实拍、视频流切片等方式制作并增强数据集,结合迁移学习、冻结训练等方式进行模型训练,并通过剔除小目标数据的方式增强了工程目标的检测精度,使得mAP（全类平均准确率）提高到79.47%,大大提高了对工程目标的识别精度和速度。

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地基基础

冻融循环条件下盐渍土路基水盐迁移及结晶规律研究

邢俊杰, 张致龙, 伊帕丽亚·阿布都维力, 刘柱, 刘广, 付庭

2024, 40(6): 173-180.

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盐渍化冻土广泛分布于南疆地区,剧烈的温差以及冻融交替,使土体极易发生盐冻胀变形,尤其是焉耆盆地绿洲及边缘带地下水位较高,使盐渍土路基发生盐胀、冻胀、融沉、翻浆等病害。为模拟焉耆盆地地下水位较高且矿化度较高情况下的盐渍化冻土路基水盐迁移及盐结晶规律,结合相关焉耆盆地农二师21-24团公路工程地温及土层实测数据,建立了一个开放条件下的盐渍化冻土路基模型,通过路基温度实测数据验证了路基温度场的合理性。在此基础上,分析了开放条件下硫酸盐渍土水盐迁移聚集规律和盐分结晶情况以及氯盐渍土水盐迁移聚集规律,研究结果表明：盐分浓度升高仅延缓路基温度场的变化过程,对最终分布影响较小;氯化钠盐水盐聚集位置最大相差约0.4 m;地基初始含水率越高,水盐迁移越快。

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地基基础

考虑桩端土影响的桩土界面摩擦特性离散元模拟分析

吴彩虹, 茅嘉炜, 翁锴亮

2024, 40(6): 181-186.

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在实际工程中常常使用静压打入的方式对桩体进行施工,桩端土的受力变形往往会影响着桩体侧摩阻力的发挥。采用PFC3D离散元数值模拟软件建立了桩土界面剪切试验的等比例尺寸离散元数值模型,对不同桩端形式的桩体在不同围压下竖向加载过程进行计算分析,从桩体受力情况和土体位移场来分析桩端土对桩体侧摩阻力的影响。研究结果表明：平底桩在加载过程中受桩端土影响范围约为0.5~1倍桩径,远小于尖底桩,同时平底桩桩土界面因扰动使桩侧土体发生了软化导致剪切强度降低,而尖底桩无明显软化现象;管桩受桩端土影响范围较小,约为1倍桩径,同时作为开口桩对土体位移的影响范围在水平和竖直方向上均小于平底桩与尖底桩此类闭口桩,且外侧摩阻力几乎不受管桩壁厚影响。

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工程施工

桩基型式对海上风机支撑结构振动特性的影响

张永飞, 邓瑞琦, 陈涛, 王旭峰, 李卫超, 张平

2024, 40(6): 187-197.

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海上风机在使用过程中长期受到随机的风浪荷载作用,处于持续振动的状态,针对其动力特性的设计是十分重要的。基于某实际单桩支撑结构海上风机,在ABAQUS中建立了其在实际海床地基条件下的频率分析三维有限元计算模型。相较于常用的土弹簧模型,该模型可以直接考虑实际的三维土体条件,无须对土体做人为简化,避免了因简化造成的误差。对比计算值与实际值,验证了该方法的正确性。不同于传统的针对支撑结构截面的优化,从改变桩型的角度出发,在普通单桩的基础上设计了延长桩、加盖板桩和两种带翼板桩共四种异型桩,探究使用异型桩对海上风机支撑结构频率的影响以及不同桩型支撑结构在冲刷作用下的表现。结果表明,综合考虑频率提升效果和打桩难度,对于任何土质的海床,使用加盖板桩均是提升海上风机支撑结构频率的最优方式。冲刷作用会使支撑结构的频率降低,加盖板桩受到的影响最大,需要在设计阶段重点关注。

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设计方法与研究

内张钢圈加固盾构隧道截面承载力设计方法探讨

汪晓明, 柳献

2024, 40(6): 198-205.

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作为盾构隧道结构加固的主要方法之一,内张钢圈法近年来应用越来越多,但我国当前还没有该加固方法对应的结构设计标准。分析了盾构隧道内张钢圈加固设计的整体思路,介绍了锚固钢板加固法中钢板与锚栓的协同工作原理和传力特点,阐述了在采用内张钢圈加固盾构隧道设计时需考虑的两种工况,并提出了相应的正截面承载力计算方法和锚栓设计建议。

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文献综述

高层建筑风振舒适度标准及案例分析

周颖, 李杨阳, 周志光, 王梁坤, 黄鹏

2024, 40(6): 206-216.

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随着高层建筑技术的发展与人民生活水平的提高,在注重高层建筑抗震安全性的同时,人们对于其风荷载下的舒适度也提出了更高的要求。舒适度评价具有主观性与不确定性,为制定更加合适的评价标准,通常需要进行大量的调研与分析。基于已建高层建筑的规范和案例,系统梳理国内外舒适度标准与评价方法,并归纳整理其应用现状。基于对规范与案例的深入分析,指出我国现存舒适度评价规范中的问题,并提出相应的解决思路与未来的研究方向,以期为我国高层建筑结构风振舒适度标准的完善与发展提供参考。

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文献综述

我国超高层结构设计与建造技术标准在国际承包工程中的实践研究

姜琦, 亓立刚, 吕西林

2024, 40(6): 217-226.

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我国建筑业在技术进步和工程实践中取得的成绩令人瞩目,建筑企业综合实力和技术能力持续增强,在许多方面具有领先的技术优势和建造能力,也建立了相对完善的国家工程建设标准体系。研究了我国超高层领域相关现行工程建设标准,建立了超高层结构设计与建造技术标准霍尔三维模型,通过高烈度区结构抗震设计技术实践、沙漠地区超厚筏板基础建造技术实践典型案例研究,分析了我国超高层结构设计与建造技术标准在国际承包项目中应用的成功经验,探讨了技术标准的选用对工程质量、施工组织、工程进度及工程造价的重大影响。工程实践研究表明,我国在项目策划、建筑设计、项目管理、设计优化、建材开发、施工技术改良和创新等方面积累了丰富的超高层设计和建造经验,采用中国工程建设标准有助于提高我国企业境外工程的履约能力,促进我国对外承包业务高质量发展。

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