結構工程師

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結構分析

鋼管混凝土桁架系桿拱橋穩定性分析

金成棣, 葛耀君, 徐勝乙

2022, 38(1): 1-13.

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以鋼管混凝土桁架拱肋的系桿拱橋為研究對象,拱肋的組合剛度以組合柱為計算模型,考慮拱肋面內以三角形桁架為組合件,經過布置優化,得到相應的組合效應系數后,以拱梁共同作用確定面內臨界軸壓力。對面外穩定性,以k式桁架為縱向聯接系確定臨界軸壓力。對于四管組合的獨榀拱肋布置,考慮吊桿力偏移的非保向力效應,對拱提供抗失穩的扶正力作用。通過算例,以主跨lp=120 m的鋼管混凝土桁架拱肋的系桿拱橋的穩定性驗算的全過程,展示了所介紹方法的實用性。

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結構分析

基于狀態空間模型的大型風力機運行模態及不確定性分析

張驚朝, 戴靠山, 施袁鋒

2022, 38(1): 14-23.

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隨著葉片更長和塔架更高的發展趨勢,長期處于惡劣環境下運行的大型風力機因振動問題引起的故障甚至倒塔現象日益突出,這給風電行業的可持續發展帶來極大的風險。風輪運轉時風機振動帶有明顯的氣動阻尼和周期性成分,準確獲取風力機在運行中的動力特性非常重要。此外,由于測量誤差、建模誤差、信號時長等不確定性因素,模態參數估計的準確程度也是安全性能評估的關鍵因素。全文采用隨機狀態空間模型和極大似然估計的方法,研究帶有諧波影響的風力機運行模態和不確定性分析,通過最大期望（EM）算法求解極大似然估計和克拉美羅下界（CRB）近似模態參數的不確定性水平。以某一在役大型風力機為例,比較分析了風機塔架不同方向模態參數的差異性,以及不同工況下模態參數及不確定性的變化。

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結構分析

無梁樓蓋地下車庫頂板施工車輛等效荷載取值研究

張淑云, 馬曉菁, 馬利平, 趙文偉

2022, 38(1): 24-30.

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結合實際工程利用SAP2000有限元軟件建立5×5跨無梁樓蓋地下車庫結構模型,綜合考慮覆土厚度、施工車輛種類和并行情況等因素,根據影響線原理確定施工車輛不利布置,得到施工車輛等效均布荷載,與設計中常用施工荷載5 kN/m²進行對比。結果表明,施工車輛等效均布荷載大部分大于5 kN/m²,且施工車輛等效均布荷載值隨覆土厚度增大而減小,隨車輛載重增大而增大。綜合考慮四種施工車輛的等效均布荷載,提出了施工車輛等效均布荷載的建議取值,其結果可供工程設計參考。

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結構分析

中等跨度軌道交通橋梁有載頻率研究

向桂林, 吳定俊, 周建民

2022, 38(1): 31-38.

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基于實際工程案例分析中等跨度的跨座式單軌與公路、鐵路、地鐵橋梁的質量和橋上運營車輛的質量,確定了不同類型交通橋梁的車橋質量比。為計算研究車橋質量比對橋梁有載頻率變化的影響,根據橋梁固有頻率的定義求解橋梁振動微分方程,給出橋梁在列車移動荷載作用下橋梁有載頻率的變化。研究表明：跨座式單軌列車車橋質量比遠大于同等跨度其他交通類型橋梁,且列車質量大于橋梁質量;有載頻率隨時間變化,列車過橋中,橋梁有載頻率在最小值上下波動;橋梁有載頻率與車橋質量比有關,車橋質量比越大,橋梁有載頻率變化越明顯;頻率階數對橋梁有載頻率減小變化率影響較小,隨著頻率階數增大,橋梁有載頻率的變化過程越劇烈。

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結構分析

加載角度對弧形加載巴西劈裂試驗影響的數值研究

孫志偉, 包春燕, 蔡悅翔

2022, 38(1): 39-46.

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巴西劈裂試驗具有試件加工方便、試驗易于實現等優點,是測試巖石抗拉強度的主要方法,但是相關規范沒有對加載角度作出限定,導致試驗的結果較為離散。為研究加載角度對巴西劈裂試驗的影響,利用有限元軟件ANSYS建立加載角度為0°的集中加載模型,計算得到的應力數值解與理論解誤差較小,證明數值模擬的有效性;之后以集中加載模型為原型分別建立不同加載角度的弧形加載模型,分析加載角度對中軸線上應力分布和圓盤破壞模式的影響。結果表明：隨著加載角度的增大,圓盤中心處的水平拉應力減小,壓拉應力比增加速率加快,圓盤內的最大壓拉應力比減小。推薦弧形加載巴西劈裂試驗的加載角度范圍為18.4°~27.8°,對應的抗拉強度修正系數范圍為0.951~0.974。

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結構分析

考慮初始幾何缺陷的大跨管桁架屋蓋非線性穩定性研究

馬志海, 毛小勇, 黎明, 劉聰

2022, 38(1): 47-52.

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大跨鋼屋蓋在構件加工和安裝過程中會產生一定的幾何缺陷,對結構整體穩定承載力產生較大影響。區別于一般網架及網殼類結構,大型交錯管桁架對幾何缺陷的敏感性有待進一步研究。本文針對由交錯平面管桁架組成的大跨屋蓋結構,首先,開展結構的線性屈曲分析,獲取該結構的線性屈曲模態;其次,基于此,重點研究不同階屈曲模態作為缺陷模式,以及幾何缺陷幅值大小對大型交錯管桁架屋蓋整體穩定承載力的影響;最后,給出大型交錯管桁架屋蓋穩定性設計建議,為此類結構的設計與工程應用提供理論指導。

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結構分析

基于小波包分析的裝配式剪力墻套筒灌漿缺陷檢測

余毅斐, 周德源, 張晨昕, 張璇

2022, 38(1): 53-60.

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裝配式建筑節點連接性能的好壞對結構性能的影響至關重要,本文基于小波包能量譜對裝配式剪力墻開展了套筒灌漿的缺陷檢測研究,采用能量比偏差（E_RVD）作為缺陷識別參數,并尋求缺陷參數在剪力墻各板帶中的分布規律。采用有限元軟件ABAQUS進行數值模擬,對比有限元模型檢測結果與試驗檢測結果,驗證了有限元模型的正確性。研究結果表明：板帶的E_RVD值與試件板帶中的缺陷大小呈正相關關系,板帶中存在的缺陷套筒數量越多,則該板帶的E_RVD越大。

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抗震與抗風

大跨人行景觀橋的人致振動控制研究

王言澤, 施衛星

2022, 38(1): 61-66.

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人行天橋通常跨度較大,容易造成較大的振動響應,而振動有可能會造成人體感到不舒適,還可能影響結構安全和正常使用。TMD減振裝置可以有效提高人行天橋人致振動舒適度。本文以國內某在建的大跨人行景觀橋為背景,基于MIDAS有限元軟件建模分析了其自振特性和人致激勵下結構的動力時程響應,并對比分析了該人行天橋增加TMD減振系統后,在相同人致振動下的動力時程響應。結果表明,TMD減振系統很好地降低了人致振動下人行天橋的加速度峰值,使其滿足舒適度評價標準。針對類似工程振動問題,采用TMD減振系統是一種有效的減振方法。

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抗震與抗風

考慮薄弱層的基于MPA法計算滯回耗能分布

馬宏偉, 韋增挺, 潘長卿

2022, 38(1): 67-75.

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計算結構的滯回耗能分布時,通常采用時程分析法和多模態推覆分析（MPA）法。本文分別使用這兩種方法計算9層Benchmarh鋼框架的層間滯回耗能分布,發現MPA法在計算具有明顯薄弱層的結構時會產生誤差。因此,針對含有薄弱層的結構,提出了考慮薄弱層的基于MPA法計算滯回耗能分布。該方法通過對結構進行靜力彈塑性分析得到層間滯回耗能分布,并對結構的相對薄弱層進行調整,再通過振型參與系數組合得到最終的滯回耗能分布。將該方法應用于20層的Benchmarh鋼框架結構,結果表明,相較于時程分析,該方法對薄弱層（首層和第八層）的計算精度分別提升了10.4%和21.9%。

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抗震與抗風

板式電渦流TMD有限元模擬與參數優化

盧亮亮, 李金海, 楊德超

2022, 38(1): 76-84.

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針對一種板式電渦流調諧質量阻尼器（TMD）進行磁路及參數的優化分析。利用三維有限元電磁瞬態場分析永磁鐵分布方式及主要參數——氣隙、永磁鐵厚度、導體板厚度對電渦流TMD性能的影響,通過線性回歸方程及其導數觀察阻尼力做功的大小隨主要參數變化的規律。結果表明：當阻尼器采用永磁鐵磁極交替分布時,阻尼器的工作效率最高;在給定取值范圍內,阻尼力做功的大小隨氣隙呈負指數衰減,隨永磁鐵厚度呈對數增加,隨導體板厚度呈指數增加;各主要參數建議取值范圍：氣隙大小取7 mm以內,永磁鐵厚度在15 mm以內,導體板厚度在給定區間取最值。

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抗震與抗風

非對稱十字形配鋼SRC柱地震損傷特征分析

許曉梁, 吳琛

2022, 38(1): 85-92.

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為避免型鋼混凝土（SRC）結構在節點處的大量鋼筋焊接作業和鋼筋穿孔削弱柱型鋼截面強度,提出一種非對稱十字形配鋼SRC柱的構造形式。考慮鋼材對混凝土的約束作用,完成了九組SRC柱在低周往復加載下的有限元模擬。以混凝土受壓損傷云圖表征混凝土損傷演化特征,以累積損傷應變云圖反映型鋼的損傷分布。研究表明：相同含鋼率下,非對稱十字形配鋼SRC柱與傳統對稱十字形配鋼方式具有相近的承載力,且損傷分布呈現不對稱性。在型鋼內縮一側,混凝土的損傷程度和范圍均大于型鋼未內縮一側,而型鋼則是未內縮一側的損傷較為嚴重,并表現出彎曲型、彎剪型和剪切型三種損傷模式。

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抗震與抗風

復雜體型高層建筑風壓分布及干擾效應研究

劉行, 錢長照, 陳昌萍, 胡海濤, 陳秋華, 張祥敏

2022, 38(1): 93-101.

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本文以廈門市某復雜體型高層建筑為研究對象,通過風洞試驗并結合CFD數值模擬的方法,研究該單體建筑在有無周邊環境干擾下的風壓分布特征。結果表明：無周邊環境干擾時,迎風面平均風壓為正值,其余各面為負值,迎、背風面的脈動風壓系數值較側面小;有干擾時,干擾建筑對該高層建筑的平均風壓及脈動風壓影響較大。單體建筑容易受到周邊環境的遮擋作用,并且并列建筑之間容易產生“狹管效應”,對風速有一定的加速效應,出現較大負壓。來流風向對建筑表面局部風壓影響較大,導致局部體型系數產生較大變化,氣流在迎風面棱角處產生氣流分離以及渦旋脫落,容易導致該區域形成高負壓區。所得結論可為相應的工程圍護結構設計提供參考。

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試驗研究

新型筒式自復位SMA-摩擦阻尼器試驗研究

屈俊童, 李正鑫, 盧飛, 梁偉, 朱云強

2022, 38(1): 102-109.

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基于“多種耗能機制共同耗能”的思想,同時利用形狀記憶合金的自復位能力,研制出一種新型筒式自復位SMA-摩擦阻尼器,詳細闡述了該裝置的構造及工作原理。制作了試驗試件,并通過力學試驗研究了循環荷載作用下,位移幅值、加載速率對阻尼器力學性能的影響。建立了阻尼器的恢復力模型,利用非線性有限元軟件ANSYS Workbench對其進行了數值模擬。結果表明：新型阻尼器在循環荷載作用下呈現出位移相關性,利用形狀記憶合金與摩擦板協同工作耗能,阻尼器具有穩定的滯回性能和良好的耗能能力;殘余位移控制在26.25%以內,形狀記憶合金絲的設置能使阻尼器具有良好的自復位能力;數值模擬結果與試驗結果吻合較好,驗證了文中提出的恢復力模型的正確性。

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試驗研究

基于不同灌漿工藝的裝配式混凝土剪力墻抗震性能試驗研究

朱張峰, 郭正興

2022, 38(1): 110-117.

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鋼筋套筒灌漿工藝主要包括基于滿鋪座漿的單點灌漿和基于四周塞縫的連通灌漿,工藝不同將直接影響拼縫處的材料、質量乃至剪力墻整體性能。為探討不同灌漿工藝裝配式混凝土剪力墻抗震性能,分別采用兩種不同灌漿工藝制作1個裝配式混凝土剪力墻試件和1個現澆對比試件,并進行低周反復荷載加載試驗。在試驗結果的基礎上,開展有限元參數分析,研究座漿層厚度和塞縫深度對裝配式混凝土剪力墻抗震性能的影響規律。基于試驗及有限元分析結果,認為單點灌漿與連通灌漿工藝均能保證灌漿接頭性能,但單點灌漿質量控制不足,易發生座漿層不均勻壓碎而導致試件提前破壞;座漿層厚度為2 cm、塞縫深度1 cm時,可保證各自灌漿工藝下的裝配式混凝土剪力墻抗震性能達到最優。

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試驗研究

型鋼混凝土柱復合受扭極限性能試驗研究

盛煒仲, 邵永健, 施懷博

2022, 38(1): 118-126.

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為揭示設計參數對型鋼混凝土復合受扭柱極限扭矩和延性的影響規律,以軸壓比、扭彎比、配箍率和加載方式等為設計參數,完成了3組15個試件的試驗,并基于試驗得到的數據進行了設計參數的影響分析。結果表明,提升軸壓比對極限扭矩影響不大但會降低延性;提升扭彎比可提高極限扭矩和延性;提升配箍率可提升極限扭矩但降低延性;配置栓釘對極限扭矩影響不大但延性降低;配十字型鋼能小幅提升極限扭矩并大幅提升延性;低周反復加載試件的極限扭矩與延性均低于單調加載試件,且受設計參數的影響程度減小。

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試驗研究

側向撞擊后格構式鋼柱剩余力學性能試驗研究

張國平

2022, 38(1): 127-133.

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工業廠房中格構式鋼柱常遭受吊裝物與廠房車輛的撞擊,引起鋼柱損傷,導致其承載力下降。為研究格構式鋼柱受撞擊后的剩余力學性能,本文分別對6個具有不同撞擊損傷的試件和2個完整試件進行了承載力試驗,并提出了剩余承載力系數計算公式。試驗結果表明：加載過程中,受壓肢件先出現局部屈曲,隨后發生整體失穩破壞,破壞時材料未達到屈服強度。隨著撞擊損傷程度的增大,試件彈塑性階段縮短,承載力最大降低了43%;達到極限荷載后,位移會迅速增大,荷載急劇降低。撞擊后產生的局部變形與整體變形均對剩余承載力有影響。

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試驗研究

鋼管-鋼管混凝土復合橋塔抗風性能試驗研究

黃瑋

2022, 38(1): 134-139.

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采用鋼管-鋼管混凝土復合橋塔可減輕橋塔自重,設計出更輕盈多樣的結構造型,為分析橋塔抗風自立狀態的抗風性能,采用MIDAS軟件對該橋塔進行了抗風性能數值分析,并制作1∶100的縮尺氣彈模型進行風洞試驗,研究橋塔的渦振、馳振和抖振響應。結果表明：在該橋塔自立狀態風洞試驗中未發現明顯的渦振和馳振現象,紊流場中橋塔抖振響應也很小,無須設置永久性減振措施。

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試驗研究

組合梁預應力混凝土橋面板承載力試驗研究

曾明輝, 張協力

2022, 38(1): 140-149.

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為研究雙主梁鋼板組合梁橋預應力混凝土橋面板的靜力承載能力與破壞形態,設計制作了足尺的預應力混凝土橋面板試件,進行跨中單點加載試驗,測試了混凝土和鋼筋的應變、結構的變形及裂縫的發展。試驗結果表明,試件的破壞形態為延性破壞,達到極限強度時受拉鋼筋屈服,受壓區混凝土壓潰,試件產生明顯的撓曲變形。試件的極限彎矩試驗值與規范計算值的比值為1.8,當橋面板裂縫寬度達到0.2 mm時的彎矩試驗值與計算值的比值為1.9。計算恒載與車輛荷載作用效應并與抗彎承載力設計值進行對比,得到了按兩類極限狀態設計的預應力混凝土橋面板的安全系數;試驗與分析結果表明,預應力混凝土橋面板具有較高的靜力承載能力與安全富余度。

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試驗研究

圓鋼管約束再生混凝土軸壓力學性能試驗研究

李雪鵬, 胡忠君, 金麗娜, 曾會淋

2022, 38(1): 150-155.

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依據《再生混凝土結構技術標準》（JGJ/T 443—2018）,按照再生粗骨料（RCA）摻入量0%、50%和100%制作18個試件并進行軸壓力學性能試驗,研究RCA取代率對圓鋼管約束再生混凝土（RACCST）試件承載力和應力-應變關系的影響。結果表明：RACCST試件軸壓極限荷載隨RCA取代率增加而略有下降,基于Mander模型和試驗數據,給出建議的RACCST應力-應變關系表達式。

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地基基礎

基于Hoek-Brown強度準則的淺埋隧道掌子面穩定性分析

張世民, 付開, 黃睿, 楊樺, 郭帥

2022, 38(1): 156-163.

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為了研究淺埋掌子面被動模式下的穩定性,構建淺埋隧道的二維被動破壞模式,被動破壞模式由有限個剛性平動多塊體組成。將孔隙水壓力視為外力進行做功,基于極限分析理論利用Hoek-Brown強度準則研究淺埋隧道掌子面被動破壞模式下的穩定性。通過虛功率原理推導得到淺埋隧道被動破壞模式下的極限支護力的目標函數,采用非線性規劃求解函數得到其上限解。將本文方法和既有文獻中的方法得到的結果進行比較,極限支護力的上限解隨參數的變化趨勢一致,誤差范圍最大僅為4.03%。研究分析了不同參數條件下淺埋隧道掌子面極限支護力的變化規律,結果表明：隨著孔隙水壓力系數r_u和擾動因子D的增大,淺埋隧道掌子面的被動破壞機制下的極限支護力和被動破壞范圍呈現逐漸增大的趨勢,而隨著GSI和參數m_i的增大而減小;孔隙水壓力對隧道的穩定性有著顯著的不利影響。該方法可為淺埋隧道掌子面的被動破壞機制下支護力的設計優化提供參考。

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工程施工

半成巖超深基坑圍護結構變形與受力特性研究

謝雄耀, 林威, 周彪, 鄒成路

2022, 38(1): 164-172.

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以南寧半成巖地區軌道交通基坑建設為背景,以開挖深度為58.7 m青秀山車站基坑為具體對象,通過理論分析、實測數據及數值模擬對比研究,系統分析了超深基坑變形受力特性及影響因素,揭示了半成巖地層超深基坑圍護結構雙峰甚至多峰變形模式的形成機制和主要影響因素,提出了半成巖地層側壓力計算方法,給出了合理的超深基坑的土壓力計算方法和結構計算模式,并驗證了在工程中的可用性。

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工程施工

基于實測撓度的PC梁橋長期預應力損失研究

卓為頂, 厲勇輝, 劉釗

2022, 38(1): 173-179.

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橋梁結構在長期使用過程中預應力損失估算偏低,是造成大跨徑預應力混凝土變截面箱梁橋或連續剛構橋（簡稱PC梁橋）普遍開裂和過度下撓的一個重要原因。長期預應力損失與施工工藝、環境溫度、荷載、混凝土收縮徐變、預應力筋松弛等因素有關。為了研究PC梁橋成橋后預應力損失發展規律,提出了一種基于橋梁實測撓度的預應力損失計算方法,考慮了混凝土裂縫導致截面剛度下降以及對撓度影響,給出了混凝土開裂后的梁體剛度折減公式,計算過程簡單,實用性強,并以虎門大橋輔航道橋多年實測撓度數據驗證所提出方法的可行性。研究成果可為同類橋梁的設計與施工提供參考。

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設計方法與研究

某教學樓基礎隔震結構分析與設計

李學平, 劉富君, 虞終軍

2022, 38(1): 180-185.

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采用結構設計軟件盈建科（YJK）對高烈度區某教學樓進行了多塔大底板基礎隔震結構分析與設計。結果表明,在上部多塔+整體底板時采用基礎隔震結構依然能顯著減小上部結構地震作用;通過各類支座合理設計并配以少量阻尼器,能較好地降低結構平面不規則而產生的扭轉問題,很適合高烈度地區使用。該工程主體結構已基本完工,本文可供同類工程設計參考。

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設計方法與研究

世茂深港國際中心商業MALL復雜結構分析與設計

劉永璨

2022, 38(1): 186-194.

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世茂深港國際中心商業MALL存在多項不規則項,屬于超限高層復雜商業建筑。該項目主體采用鋼筋混凝土框架結構;采用天然地基獨立基礎+精軋螺紋鋼抗浮錨桿作為主要基礎形式,輔以鉆孔灌注樁,以應對巖面起伏大、存在巖溶發育的巖溶地基等復雜地質情況;抗震設計中采用性能化設計方法,保證結構在小震下完全處于彈性階段,并提出主要構件在中震、大震下作用下的性能要求,采用不同分析軟件進行了彈性、彈塑性的計算,抗震性能目標達到C級;對超長樓蓋溫度應力、大跨度樓蓋舒適度、鋼結構天窗、超級碗結構單體進行結構專項分析與設計,確保結構的合理性和安全性,滿足建筑功能與效果。

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設計方法與研究

罕遇地震作用下某超限鋼結構建筑轉換桁架復雜節點有限元分析

周耀彬, 杜小藝, 付波, 柳盛霖, 趙曉偉

2022, 38(1): 195-202.

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為了研究某超限鋼結構建筑轉換桁架復雜節點在罕遇地震作用下的性能,采用ABAQUS軟件對轉換桁架關鍵節點進行擬動力作用下的應力分析和節點極限承載力分析。結果表明：除各構件局部接觸角部位置達到屈服強度,進入塑性外,節點其他區域Mises應力明顯低于材料屈服強度,節點整體基本保持彈性狀態,未出現明顯的塑性開展,滿足罕遇地震作用下的性能目標;極限破壞時,構件區域先于節點區域破壞,且各節點設計均滿足安全儲備要求。可見,本工程的節點設計將節點隔板和加勁鋼骨作為主要傳力構件,采用等效面積原則來保證節點承載力大于進入節點的各構件承載力之和,保證了“強節點、弱構件”的結構設計要求。

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設計方法與研究

大尺寸歐標球鉸支座的設計要點及工程應用

黃韜睿

2022, 38(1): 203-210.

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以L體育場工程為實例,介紹了球鉸支座應用歐標規范的設計要點。依據歐標對荷載組合進行分析,篩選出用于驗算球形支座不同部件的控制工況。以手算試算為基礎,驗算了支座頂板、底板、PTFE滑板、螺栓等關鍵部件的強度,考慮了可更換設計的操作空間,初步確定了支座的幾何參數。再通過有限元建模分析,驗證手算的計算結果,優化部件的設計,最終確定設計方案。為同類工程的支座設計提供了借鑒。

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