結構工程師

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結構分析

大跨越輸電塔四鋼管組合柱穩定承載力研究

甘懿德, 鄧洪洲, 李秉澤

2022, 38(3): 1-8.

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四鋼管組合柱是一種新型的大跨越輸電塔主材形式。結合輸電塔四管組合柱初始缺陷特點,在考慮初彎曲的單肢驗算法基礎上推導了考慮初彎曲和初偏心的四管組合柱單肢驗算法計算公式。應用有限元分析研究適用于輸電塔組合柱的換算長細比公式以及彈塑性穩定承載力計算方法,并結合蘇通大跨越鋼管塔案例對計算公式進行進一步驗證,為該類構件設計提供了參考。結果表明,采用考慮綴板剪切變形影響的換算長細比公式能得到更準確的彈性穩定承載力,而在計算名義長細比小于10的組合柱彈塑性穩定承載力時應考慮綴板剪切影響。

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結構分析

大跨度網狀吊桿拱橋索梁錨固區局部受力分析

蘇慶田, 盧志威, 張洪金, 沈翀, 王倩

2022, 38(3): 9-14.

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以主跨420 m的大跨度網狀吊桿拱橋濟南齊魯大道黃河大橋為背景,運用ANSYS有限元軟件對錨拉板式偏心索梁錨固結構進行有限元計算,研究其局部應力分布、傳力機理和極限承載力。分析結果表明,錨拉板的圓弧倒角處出現小范圍的應力集中,偏心對結構受力影響較小;錨拉板結構的傳力路徑為吊桿-錨管-錨拉板-鋼主梁,主要依靠錨管、錨拉板與主梁三者之間的焊縫進行力的傳遞;彈塑性計算分析表明,索梁錨固區極限承載力為運營狀態標準組合下的最大吊桿力的3.98倍,以錨管端部全截面塑性破壞作為結構失效標志。

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結構分析

基于三維實體元的預應力混凝土變截面橋梁長期性能分析

李金國, 厲勇輝, 牛偉迪

2022, 38(3): 15-23.

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預應力混凝土變截面梁橋空間效應較為突出,頂、底板和腹板理論厚度差異較大,桿系模型很難揭示結構成橋后收縮徐變作用下的時變效應。本文對比分析了ACI209、CEB-FIP（1990）和B4三種收縮徐變模型差異,采用Fortran語言編寫ACI209、CEB-FIP（1990）和B4收縮徐變子程序,采用三維實體單元對比分析并揭示了PC變截面梁橋在不同收縮徐變模型作用下中跨跨中撓度、中跨跨中底板壓應力和腹板主拉應力變化,B4模型下結構長期撓度呈不收斂的發展趨勢,中跨1/4至中跨1/2區域內主拉應力相對于其他區域對豎向預應力損失更為敏感。計算分析表明,橋梁截面應力處于合理成橋狀態,能有效抑制結構長期下撓。

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結構分析

基于BP神經網絡的預制柱套筒灌漿缺陷檢測研究

馬毅, 周德源, 張璇, 韓笑

2022, 38(3): 24-32.

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裝配式建筑節點的連接對其性能好壞起著決定性的作用,隨著國家大力推廣裝配式建筑,節點連接處的缺陷檢測變得越發重要,然而目前針對裝配式混凝土結構的套筒灌漿缺陷檢測相關研究較少。本文利用有限元軟件ABAQUS建立了4種不同約束條件下采用套筒灌漿方式連接的預制柱的數值計算模型,通過設置不同缺陷工況,獲得神經網絡訓練參數,從而訓練BP神經網絡,用于后續缺陷檢測;研究了訓練數據中是否含有噪聲對神經網絡的影響以及測試數據中含有噪聲時對缺陷檢測結果的影響。結果表明：相較于原始數據,由含噪數據訓練得到的神經網絡精度更高,性能更好,同時也能改善均方誤差及各數據集的回歸分析結果;對尚需檢測的數據,應注意在測試前是否對數據進行濾波處理,以減小缺陷檢測結果的誤差。

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結構分析

預彎鋼橫梁對組合橋面板受力的影響分析

閔玉, 蘇慶田, 胡一鳴, 張春雷, 王倩, 陳亮

2022, 38(3): 33-39.

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為了探明預彎鋼橫梁對組合橋面板受力的影響,并得到合理的鋼橫梁預彎的方法,采用數值模擬的方法建立了預制階段組合橋面板單節段的有限元模型,詳細模擬了組合橋面板節段的預制過程,計算得到了在不同鋼橫梁預彎的方法下組合橋面板的鋼結構、混凝土的應力分布規律。結果表明,鋼橫梁預彎的方法可以使組合橋面板的混凝土產生較大的預壓應力,但是在不同橫梁預彎的方法下混凝土預壓應力的大小有差異。綜合考慮具體的施工方法和組合橋面板的受力情況,得到了合適的預彎鋼橫梁方法。

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結構分析

電梯井道與既有建筑弱連接節點受力性能分析

張憲江, 李超, 謝恩普

2022, 38(3): 40-46.

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針對增設電梯技術上比較復雜、難以處理的井道與既有建筑之間的連接問題,基于典型的“弱連接”節點,對其受力性能進行了理論分析和ANSYS有限元仿真分析。分析結果顯示,“弱連接”對既有建筑的影響較小,但連梁長度對“弱連接”節點內力的影響較大。當連梁長度很小時,Z向目標位移對節點內力的影響不容忽視;特別地,Y向目標位移作用下節點中的應力可能超過鋼材的設計強度,應當引起足夠重視。建議采用“弱連接”構造時取適宜的連梁長度,且在整體分析的基礎上對連接節點合理設計,以確保節點安全有效。

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抗震與抗風

對于抗震設計規范設計反應譜的探討和建議

楊悅, 施衛星, 趙昕, 王梁坤, 李曉瑋

2022, 38(3): 47-57.

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隨著長周期的高層結構和大阻尼的消能減振結構應用的增多,提出適用于此類結構的抗震設計反應譜的重要性逐漸提升。本文對真偽反應譜進行了對比分析,指出偽絕對加速度譜能夠代表結構彈性內力,真絕對加速度譜不能代表結構彈性內力且存在反超現象,對真偽反應譜之間的關系做了定量分析。利用簡諧荷載雙規準譜分析了地震反應譜的一般規律。建議規范設計反應譜采用偽加速度譜或與之等效的三聯譜,指出了三聯譜間的等效關系以及反應譜轉折點周期與三聯譜峰值間的關系,并對該譜的相關特征受阻尼比和地震動特性的影響進行了研究和討論。

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抗震與抗風

基于彎剪型結構簡化計算模型和物理隨機地震動模型的地震易損性分析

蘇嘉頔, 彭勇波, 寧超列

2022, 38(3): 58-66.

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針對區域建筑的地震易損性分析,提出了能夠反映彎剪耦合效應的結構簡化計算模型。同時,考慮地震動隨機性的影響,建立了基于物理隨機地震動模型的地震易損性分析方法。研究結果表明：本文提出的結構簡化計算模型具有模型參數少、計算速度快、能夠準確反映彎剪耦合響應的特點。同時,基于物理隨機地震動模型,結合概率密度演化理論開展建筑結構的地震易損性分析,相比傳統方法更能精細和全面地反映地震動隨機性對建筑結構損傷特征的影響。這一工作為區域建筑的地震易損性分析提供了新思路。

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抗震與抗風

基于破壞概率的大跨度柱面網架不規則結構風災易損性分析

柴云霏, 范存新

2022, 38(3): 67-74.

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為更有效地評估結構抗風性能、對結構進行合理的風災預測,本文對大跨度不規則網架結構有限元模型進行風災易損性分析,以期對柱面網架結構抗風設計規范的編制提供依據。利用AR線性濾波法編制大跨空間結構內多點脈動風速的模擬程序,依托工程實例構建三維模型,結合ANSYS動力分析模塊與APDL參數化設計語言對結構進行風振響應時程分析。根據對計算結果的統計分析,通過定義損傷指數的方法得到結構不同破壞狀態的發生概率,繪制結構在0°和90°風向角下的易損性曲線。結果表明：該結構有著較強的抗倒塌能力,但是在強風作用下各類破壞的發生概率仍然不容小覷,在結構設計中應該引起足夠重視。

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試驗研究

UHPC連接預制拼裝橋墩擬靜力試驗

段昕智, 徐文靖, 李建中

2022, 38(3): 75-82.

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為了解超高性能混凝土（UHPC）連接預制拼裝橋墩在往復荷載作用下的受力性能,本文設計和制作了整體現澆橋墩和UHPC連接預制拼裝橋墩大比例尺縮尺模型,開展了水平方向擬靜力試驗,研究了試件破壞模式、滯回特性、骨架曲線、殘余位移和剛度退化等性能,并將UHPC連接的預制拼裝橋墩與整體現澆橋墩進行了比較分析。擬靜力試驗結果表明,UHPC連接的預制拼裝橋墩和整體現澆橋墩的破壞形態均為立柱墩底擴大段上方的等截面處彎曲破壞,墩底連接段無明顯損傷。在水平往復荷載作用下,UHPC連接預制拼裝橋墩的耗能能力、極限承載力和殘余變形等均接近整體現澆橋墩,各項指標相差均在15%以內,試件具有較好的抗震性能。本文研究結果可以為UHPC連接預制拼裝橋墩在實際橋梁工程中的設計和應用提供試驗基礎和參考價值。

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試驗研究

輕鋼桁架龍骨外墻掛板抗彎剛度分析及試驗研究

陳英杰, 董睿成, 陳國新, 楊桓

2022, 38(3): 83-91.

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在裝配式鋼結構住宅建筑發展過程中,對外圍護體系提出了新的要求。本文研究一種應用于鋼結構住宅的新型輕鋼結構外墻掛板,分析掛板的抗彎剛度并進行試驗研究。研究輕鋼桁架龍骨外墻掛板使用階段剛度,通過對墻板剛度的理論分析確定影響墻板剛度的因素。共選取了桁架龍骨個數、桁架龍骨高度、龍骨鋼筋直徑以及內外飾面板的厚度這四個因素,通過四組共12個3 600×2 400 mm的足尺模型進行試驗,探究了在單調荷載作用下各個因素對墻板的剛度影響,試驗發現改變龍骨的布置及設計能大幅改變墻板的剛度。根據試驗數據計算得到墻板實測剛度值,對比分析不同的剛度理論值與實測值,確定對桁架龍骨剛度進行分析的計算方法可有效的反映墻板整體的剛度,最大誤差為13.5%。本文的研究可以為這類輕鋼外墻掛板的剛度設計提供參考。

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試驗研究

配置CRB600H級箍筋混凝土柱抗震性能試驗研究

李國楨, 朱愛萍, 翟文, 趙勇

2022, 38(3): 92-100.

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對6個配置CRB600H級箍筋和HRB500E級縱筋的混凝土柱進行了擬靜力試驗,研究其破壞形態、滯回性能、骨架曲線、耗能、位移延性和極限承載力,分析配箍特征值對其抗震性能的影響。結果表明：各試件均呈現柱根部正截面受彎破壞;各試件的滯回曲線均較為飽滿;各試件的位移延性系數為3.85~4.51,極限位移角為1/34~1/29,具有較好的延性性能;配置CRB600H級高強箍筋能提高混凝土柱的承載力和抗震性能。另外,結合收集到的19組配置550 MPa級冷軋帶肋箍筋混凝土柱的抗震試驗數據,經分析得到了配置高強冷軋帶肋箍筋混凝土柱的位移延性系數、極限位移角與配箍特征值、軸壓比的關系,并進一步提出了基于位移的柱端箍筋加密區最小配箍特征值的取值建議。

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試驗研究

U形截面PSRC梁預制構件受力性能試驗和數值模擬

張益, 邵永健, 易樂平

2022, 38(3): 101-109.

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為研究型鋼混凝土疊合梁底部預制構件的受力性能,完成了6個U形截面PSRC梁底部預制構件在單調靜力荷載下的試驗,此類梁屬非框架梁。在此基礎上,使用ABAQUS對這6個試件進行了模擬分析。試驗結果表明,剪跨比為1.5的試件發生剪切斜壓破壞,剪跨比為3.0和4.5的試件發生受彎破壞;混凝土強度的提高對試件剛度和承載力影響不大;蜂窩式型鋼試件較實腹式型鋼試件延性差且承載力提高有限;配筋率越高試件承載力越大,但不宜超過3.38%。此外,試件的荷載-撓度曲線模擬結果與試驗結果吻合較好,說明用ABAQUS來模擬U形截面PSRC梁底部預制構件的受力性能是可行的。最后,用此方法研究了不同參數對U形截面PSRC梁底部預制構件受力性能的影響規律。

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試驗研究

石材面板背栓節點拉拔力學模型及試驗驗證

廖磊, 銀鵬, 樊圓, 盧文勝

2022, 38(3): 110-116.

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背栓節點拉拔性能是影響石材面板平面外承載能力的主要因素。本文在考慮不同材料性能參數和初始狀態下,提出了石材面板背栓節點拉拔作用下的三種力學模型及相應破壞模式;對三種模型的關鍵參數和力學行為進行探討;完成了石材面板背栓節點拉拔試驗,驗證了所提出的力學模型及破壞模式的合理性。

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地基基礎

含水率變化對膨脹土地基單樁承載特性影響數值模擬

呂璽琳, 范琪, 劉泳鋼, 江杰

2022, 38(3): 117-122.

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由于膨脹土存在脹縮特性,膨脹土地基含水率改變導致的樁基承載力變化值得關注。基于三軸固結剪切試驗,獲得不同含水率條件下膨脹土的強度變化規律。建立膨脹土地基中單樁承載力三維彈塑性有限元分析模型,研究了地基含水率變化對樁基承載特性的影響,獲得了極限承載力隨地基土含水率的變化特性,并得出了樁身軸力、樁側摩阻力分布規律。進一步分析表明,地基含水率升高導致樁的承載特性曲線由緩變型變為陡降型,在天然含水率附近極限承載力對地基含水率變化較敏感。對于不同含水率的地基,樁身軸力沿深度逐漸減小,樁側摩阻力沿深度近似線性增加,在接近樁端處達到峰值之后急劇減小。地基含水率升高將導致樁側阻力與樁端阻力之比明顯增大,樁的類型由摩擦端承型向端承摩擦型轉變。

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地基基礎

考慮不同固結階段條件下舊樁承載力的預測研究

蘇聰, 李鏡培, 謝峰

2022, 38(3): 123-130.

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舊樁再利用是實現綠色建造和促進樁基工程技術進步的有效途徑。為了在實際工程中應用舊樁設計理論,降低計算復雜度,定義了承載力時效系數來表示承載力的時效性并提出了時效系數的簡化計算方法。該方法將主固結與次固結階段相結合,建立了綜合考慮兩階段影響的承載力簡化計算方法。針對主固結階段超孔隙水壓力消散導致承載力增長,提出了半經驗半理論簡化計算公式;針對次固結階段孔隙比減少導致承載力增長,提出了相應簡化計算公式,并對簡化公式進行了實例驗證與參數分析。通過實例進行計算驗證,結果表明,本文的簡化計算方法與實測數據吻合較好,在一定程度上反映了承載力變化的內在機理。

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地基基礎

非均質和各向異性裂縫邊坡穩定性分析

梁承龍, 劉芳

2022, 38(3): 131-137.

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針對非均質及各向異性裂縫邊坡穩定性分析,在破壞機構中引入一條豎直張拉裂縫,采用極限分析上限定理并考慮孔隙水壓力作用,建立能量平衡方程求解裂縫邊坡穩定系數上限解。通過算例進行對比驗證,同時探究土體非均質性和各向異性對裂縫邊坡穩定性以及裂縫深度和位置的影響規律。結果表明,孔隙水壓力的存在會降低邊坡穩定性;邊坡穩定性隨非均質系數的增大呈線性增大,且隨各向異性系數增大而減小。裂縫中存在水會導致裂縫深度增加;裂縫深度隨著非均質系數和各向異性系數減小而增大,而各向異性系數對裂縫位置的影響可以忽略不計。

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地基基礎

模塊化變電站人字構架預應力裝配式基礎研究及有限元分析

張慧潔, 王燦, 李景哲, 王靜峰, 高奔浩

2022, 38(3): 138-147.

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為了推動模塊化綠色變電站的示范和應用,人字構架現澆混凝土基礎亟待向預制裝配化發展,然而目前國內外相關研究較少見。本文通過合理優化基礎結構、提出可靠連接方式,研發出了一種新型人字構架預應力裝配式基礎。使用ABAQUS有限元程序考慮了材料非線性和“預應力裝配式基礎-地基土體”復雜接觸等問題,分析其在設計荷載下的受力性能、基礎沉降和變形協調等。研究結果表明,該預應力裝配式基礎在設計荷載下的承載力和沉降值均滿足規范要求,基礎與土體在受荷時協同變形,持荷情況良好。研發的新型基礎具有良好的社會經濟效益。研究成果可為模塊化變電站人字構架裝配式基礎的推廣和應用提供參考依據。

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地基基礎

變電站GSU模塊裝配式基礎受力性能與數值分析

張慧潔, 劉超, 高奔浩, 王靜峰, 李景哲

2022, 38(3): 148-154.

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本文研發設計了一種適用于綠色模塊化變電站主變壓器（GSU）設備的、由若干個模塊組成的“梁柱一體化框架”新型裝配式混凝土基礎。采用ABAQUS有限元程序建立了“裝配式基礎-無限元土體”數值分析模型,在考慮材料非線性、基礎-土體界面接觸、邊界條件和基礎-土體相互作用的基礎上,研究分析了地基和基礎的受力、變形規律。研究結果表明,GSU模塊裝配式基礎具有規范要求的工作性能,并兼具降低工程造價、提高施工效率等優點;其數值分析結果與現行規范計算結果接近,可根據現行國家規范規定方法進行GSU模塊裝配式基礎的設計計算。

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工程施工

整體鋼平臺結構體系安全性能研究

朱毅敏, 徐磊, 陳逯浩, 王少純, 張星波, 陳俊博

2022, 38(3): 155-163.

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超高層建造整體爬升鋼平臺模架裝備須隨核心筒結構形狀的變化而相應變形調整,因此,復雜多變的平面形式和受力工況給鋼平臺的設計和施工帶來了極大困難。針對復雜體型超高結構整體鋼平臺結構分析與安全控制的難題,本文設計了滿足抵抗不同作用的整體鋼平臺結構,分析了在不同階段的豎向荷載與作用,并制定了相應的變形控制指標;采用整體模型進行了全過程仿真模擬,并根據受力特點布置了自動化監控裝置。采集的監測數據與計算結果吻合較好,有效控制了整體鋼平臺結構的安全性,為大型裝備結構的風險控制提供了支撐。

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結構加固與改建

隔震支座在房屋頂部加層改造中的應用

李曉瑋, 施衛星, 虞終軍

2022, 38(3): 164-171.

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對于頂部加層改造,如果將新加層當作質量塊,通過鉛芯橡膠支座或者摩擦擺支座提供調諧剛度和阻尼,便形成了控制水平向震動的調諧質量阻尼器（TMD）。傳統的剛性加層方式會增加下部結構的地震響應,采用隔震支座后的新加層反而對下部結構具有減震的效果。本文用實例工程對比了不加層、剛性加層和采用鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座加層后結構的地震響應,并從理論上分析了兩種隔震支座對結構震動衰減的影響因素。

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設計方法與研究

基于船舶規范的水秀平臺結構優化設計

楊飛, 湯婧

2022, 38(3): 172-178.

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對水秀平臺按照其功能要求進行結構設計,建立水秀平臺的結構有限元模型,結合iSIGHT多學科優化設計軟件,開展水秀平臺基于船舶規范的輕量化優化工作。優化后的水秀平臺結構總重量相比初始設計值減小了12.4%。對結構優化結果進行分析,表明大長寬比、大寬深比結構總體變形是在結構設計時需要重點考慮的問題。優化設計方法對于同類型結構的優化設計具有一定的參考意義。

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設計方法與研究

某偏置連體大底盤雙塔超限結構設計

阮林旺, 黃林, 劉浩晉

2022, 38(3): 179-189.

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上海某偏置連體高層建筑,采用鋼框架-中心支撐結構體系,存在扭轉不規則、樓板不連續、側向剛度不規則、大底盤雙塔及連體結構等多項超限內容。針對以上內容,運用YJK與ETABS兩款軟件進行了對比分析,采用YJK進行彈性時程分析,采用ETABS進行彈塑性動力時程分析與樓板應力分析,并對關鍵的大底盤雙塔部分進行了專項分析。結果表明,結構具有良好的承載能力與抗震性能。

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設計方法與研究

基于柱實體元及活荷載不利布置的無梁樓蓋設計

朱黎蓬, 張書鴛, 房晶輝

2022, 38(3): 190-197.

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由框架柱模擬方式對柱頂托板彎矩峰值影響與進行活荷載不利布置的必要性兩個方面展開,討論無梁樓蓋設計中的相關問題,并提出以下建議：①考慮框架柱實際截面尺寸影響,采用實體單元模擬框架柱,使其與托板相連接區域由一個點變成一個面,能夠減緩柱頂處應力集中程度,可以起到彎矩削峰的作用,有助于合理化配置柱頂托板處配筋,且此方法同樣適用于筏板基礎設計;②對地庫頂板等活荷載相對較大工程,活荷載不利布置對無梁樓蓋的設計影響較大,應當考慮,實際工程設計中,可以采用基于廣義單元并結合Sap2000中Range Add荷載組合方式加以實現,不受跨度、荷載類型等的影響。

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設計方法與研究

南京金融城二期C3塔樓結構分析與設計

付宗超

2022, 38(3): 198-205.

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南京金融城二期C3塔樓地上49層、地下5層,建筑高度為188.6 m,采用型鋼混凝土框架-混凝核心筒結構體系。塔樓平面為近似矩形,在41層樓面處平面收進為一半,為高位不對稱立面收進的建筑。針對結構的不規則情況,采取相應的加強措施,提出符合結構特點的抗震性能目標,對整體結構進行了小震、中震及大震的分析,并針對結構的高位立面不對稱收進的特點進行了詳細的分析。分析結果表明,該結構設計安全可靠,抗震性能良好。

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設計方法與研究

西安奧體中心體育館整體結構分析與設計

陽小泉, 趙雪崢

2022, 38(3): 206-214.

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西安奧體中心體育館是14屆全運會主體育館,體育館下部混凝土采用框架剪力墻結構,上部鋼屋蓋采用雙層肋環形網殼結構,屋蓋最大跨度136.6 m。采用YJK和Midas gen兩種軟件對體育館進行了整裝分析、彈性時程分析,并對支承鋼屋蓋的內圈框架進行了剛度退化分析。采用SAUSAGE軟件對整體結構進行了罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析。采用ABAQUS軟件對鋼結構屋蓋進行了整體穩定分析和關鍵節點的有限元分析。分析結果表明,結構各項指標均能滿足規范要求。

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