結構工程師

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結構分析

基于廣義混合元的加筋圓柱殼振動特性分析

童瑤, 陳秀濤

2022, 38(4): 1-8.

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采用有限元位移法分析加筋圓柱殼的自由振動特性問題是主流的方法,但大量試驗和數值實例表明：位移元模型會導致模擬剛度偏硬,從而使得結構固有頻率結果不夠精確。針對這一現象提出了柱坐標系下的廣義混合變分原理,并建立了相應的非協調廣義混合元的無阻尼自由振動方程。通過合理地調節參數,使得非協調廣義混合元的剛度矩陣比非協調位移元的剛度矩陣柔和。實例分析表明,在有限元網格模型一致的情況下,結構的固有頻率結果更加準確。

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結構分析

鋼筋UHPC梁抗彎承載能力理論分析

楊丙文, 張建東

2022, 38(4): 9-15.

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根據受彎構件正截面承載力計算的原理,假定鋼筋UHPC梁受彎時滿足平截面假定、材料的本構關系為雙折線、梁受拉區考慮部分抗拉強度,將受壓區UHPC截面簡化成矩形受力面和三角形受力面之和,將受拉區UHPC截面簡化成矩形受力面,推導出鋼筋UHPC梁在受彎時受壓區的合力公式及合力的作用點公式,進而得出鋼筋UHPC梁抗彎承載能力理論計算方法,利用該計算方法對已有的鋼筋UHPC抗彎試驗梁進行分析,并與試驗得到的抗彎極限結果對比,結果表明,利用所推導的理論計算方法對鋼筋UHPC抗彎承載能力的計算具有較高的精度,并利用推導公式對UHPC梁的配筋率和含纖維量對抗彎承載力進行分析,得出它們對抗彎承載力的影響。

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結構分析

爆炸荷載作用下鋼筋混凝土構件縮尺效應的數值模擬研究

劉子超, 吳俊, 喻君, 馮曉偉

2022, 38(4): 16-28.

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基于一組用于爆炸荷載下鋼筋混凝土構件動力響應的無量綱相似準則,結合已有鋼筋混凝土板縮尺抗爆試驗數據,采用顯式動力有限元軟件LS-DYNA及彈塑性混凝土損傷本構模型,建立爆炸荷載作用下原型和縮尺鋼筋混凝土板有限元模型,研究縮尺效應中縮尺系數、材料斷裂能和材料應變率對鋼筋混凝土板動力響應相似性的影響。結果表明：①采用彈塑性損傷本構模型能有效反映鋼筋混凝土構件動力響應的縮尺效應,且縮尺模型的破壞形式及位移滿足相似率;②當縮尺系數為0.2時,縮尺數值模型無法有效表征原型構件的損傷分布及位移響應,使其不滿足鋼筋混凝土板動力響應的相似率;③混凝土材料斷裂能對構件動力響應的相似率影響不大,而混凝土應變率對縮尺模型的動力響應具有較大影響。研究結果可為鋼筋混凝土構件抗爆試驗中縮尺系數和模型材料選擇、有限元模型中相關材料斷裂能和應變率選取提供有效建議。

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結構分析

超載下板柱節點破壞形式發生次序與直剪設計計算方法

杜旭

2022, 38(4): 29-35.

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近期發生的部分板柱結構地下車庫頂板坍塌事故中,柱頂呈現“禿頭”形狀而非沖切引起的錐體破壞形式,引發業內討論。研究首先認為該破壞形式為彎曲參與的板直剪破壞。考慮沖切和直剪兩種破壞形式,選擇文獻中相應的極限承載力計算表達式。設計典型的板柱結構地下車庫頂板算例,包括5種覆土厚度（1 m、1.5 m、2 m、2.5 m和3 m）和2種板柱節點形式（設置托板和“托板+柱帽”）,共計10種工況,比較超載下沖切和直剪破壞的極限承載力大小和破壞順序。結果顯示,直剪破壞時的超載為沖切破壞時的46%~68%,板的直剪破壞均先于沖切破壞發生,從而解釋了破壞柱頂呈現“禿頭”形狀的原因。經驗算,《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ 1—2014）第7.2.2條中的方法具有合適的安全儲備,建議用于板柱結構中板的直剪設計計算。

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結構分析

鉆芯法檢測混凝土強度及其標準差研究

任雨龍, 高向玲, 鄭士舉

2022, 38(4): 36-44.

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為探求鉆芯法檢測混凝土強度及其標準差的影響因素,對比分析了中國、美國、歐洲相關規程在取芯方式、齡期、規格、樣本數量、是否含有鋼筋、是否進行無損檢測、試驗環境、強度推算公式等方面的異同。通過收集整理22篇文獻中鉆芯法的試驗數據,經過綜合分析發現：芯樣直徑相近時,抗壓強度隨高徑比的增加而減小。芯樣高徑比相近的情況下,高徑比小于1時,芯樣直徑相對于最大骨料粒徑越大,芯樣強度越高;高徑比大于1小于1.5時則相反。在板與寬梁中,平行于澆筑方向鉆取的芯樣抗壓強度大于垂直于澆筑方向鉆取的芯樣抗壓強度;在窄梁中則相反。芯樣高徑比與直徑相近時,加載速率越快,芯樣抗壓強度越高。高徑比對芯樣抗壓強度標準差沒有影響。大部分情況下,對相同芯樣計算出的推定強度,從大到小依次為中國規程、美國規程、歐洲規程。

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結構分析

鋼桁架內支撐體系柔性交叉支撐門檻剛度設計分析

李永華, 揭一鳴, 孫果果, 章偉豪

2022, 38(4): 45-52.

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近年來,一種鋼桁架內支撐體系在深基坑支護中逐步得到推廣。本文分別對剪切變形情況下,橫系桿完全剛性時柔性交叉支撐的門檻剛度及交叉支撐完全剛性時橫系桿的門檻剛度解析解進行了推導,得出了兩種情況下的橫系桿、交叉支撐的門檻剛度。通過有限元算例進行對比分析,發現隨著節間數增大,只考慮剪切變形的交叉支撐門檻剛度誤差越來越大,無法滿足工程應用需要。對鋼桁架內支撐進行考慮彎剪變形共同作用下的整體穩定分析,提出了當橫系桿完全剛性時、可同時考慮彎剪變形的交叉支撐門檻剛度實用修正公式,該修正公式具有較高的精度,可滿足工程設計實踐需求。

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結構分析

空腹桁架在懸臂結構中的應用

沈淳

2022, 38(4): 53-59.

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在羅漢松項目科研樓設計中,為了實現建筑空間效果,塔樓東南角形成上部八層,平面為8.4 m×16.8 m懸臂區域。經過方案比較,選用空腹桁架方案最符合建筑效果。為了保證結構的安全可靠,懸臂空腹桁架采用了抗震性能化設計,控制在豎向荷載下的豎向位移,對空腹桁架范圍內的樓板進行舒適度分析,并在施工過程中進行了健康監測對計算分析進行驗證。結果表明：空腹桁架空間受力效應明顯,設計中加強空腹桁架及周邊一跨框架的抗震延性,結構能實現預定的性能設計目標。

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結構分析

帶剪力架外包柱腳節點有限元分析

吳祖咸, 方瑜, 程鵬, 胡宇鵬, 陳貝

2022, 38(4): 60-66.

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采用ABAQUS有限元軟件對帶剪力架的外包式柱腳節點進行研究,對柱腳的軸向承載力和水平剪力承載力進行模擬計算,明確影響其承載力的主要因素。并對這種柱腳進行參數分析,包括剪力架交叉梁長度、柱軸壓比、外包混凝土箍筋截面、外包混凝土縱筋截面、柱與外包混凝土接觸面屬性等參數的影響,得到了一些有益于工程實踐的結論,希望對這種節點形式的工程應用提供一些幫助。

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結構分析

考慮環境因素并基于實測頻率的輸電桿塔損傷識別

高磊, 陳揚哲, 初金良, 黃镠

2022, 38(4): 67-74.

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環境溫度和濕度對結構頻率有明顯影響,但是目前關于環境因素對輸電桿塔結構頻率的影響規律研究較少,導致傳統的結構損傷識別方法精度偏低。對一個實際輸電塔進行長期健康監測,獲取不同溫度和濕度下的結構動力信號,并進行頻譜分析。根據實測結構頻率,采用響應面法對輸電桿塔進行模型修正及損傷分析。基于實際監測數據分別建立了輸電桿塔的“溫度-頻率”和“濕度-頻率”關系模型,研究環境因素對輸電塔一階頻率的影響,并為基于頻率的結構損傷識別提供修正方法。結果表明,輸電塔一階頻率與環境溫度呈正相關,而與環境濕度呈負相關。根據關系模型剔除環境因素影響之后的結構損傷程度與真實情況更加吻合,在實際結構健康監測和損傷識別中應重視環境因素的影響。

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結構分析

基于CS-SVR優化算法的結構健康監測數據修復研究

滿建浩, 劉才瑋, 劉峰, 苗吉軍, 李翔, 王甫來

2022, 38(4): 75-81.

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健康監測對大跨度空間結構的安全運行具有重要意義,而對監測結果進行評估與預警時,數據的部分缺失將會直接影響到結果的可靠性。為了解決準確重建缺失數據的問題,本文建立了基于布谷鳥搜索算法優化支持向量機的數據插補模型。首先對監測數據進行預處理,獲取監測數據的時間序列;然后利用支持向量機對監測數據進行建模,并用布谷鳥搜索算法優化支持向量機參數;最后,以深圳大運會主場館的監測數據對模型進行工程驗證且通過與不同插補方法的比較證明CS-SVR模型在健康監測數據修復方面的優越性。

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抗震與抗風

拱形鋼結構的自振特性及地震響應研究

竇寶峰, 楊瀟, 竇超

2022, 38(4): 82-89.

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作為一種典型的推力結構,拱形鋼結構的動力特性和地震響應的影響因素眾多,包括矢跨比、軸線形式、拱腳條件、結構形式（單拱、上承式拱、組拼拱）等自身參數,以及地震輸入方向等地震動參數。為了揭示各因素的影響規律,本文基于數值計算分析,對拱形鋼結構的自振特性和地震作用下的動力響應進行了參數化研究,總結了主要參數的影響規律。首先,對于鋼拱的平面內振動和空間振動的自振特性,討論了矢跨比、軸線形式、縱梁與拱肋剛度比、橫撐剛度的影響。接著,針對地震作用下的鋼拱結構,考察了地震輸入方向、彈性拱腳對其位移和內力的影響規律。研究表明,矢跨比對鋼拱平面內振動影響顯著,矢跨比較大時水平振動明顯;對于鋼拱的抗震計算,一般應考慮水平縱向地震的影響,矢跨比較小時也應考慮豎向地震的影響;拱肋向內傾斜形成提籃拱可顯著提高空間穩定性;拱腳彈性水平支承的鋼拱由于推力結構受力特點削弱,在豎向地震作用下其受力更為不利。

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抗震與抗風

X形鋼擋塊橫向約束程度對公路橋梁抗震性能的影響

王秋懿, 譚文明, 馬明娟

2022, 38(4): 90-95.

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為了探究X形鋼擋塊橫向約束程度對公路橋梁抗震性能的影響,對某實際大跨連續公路橋梁分別在無擋塊約束、擋塊彈塑性約束以及完全固接約束工況下的結構地震響應進行了彈塑性時程分析。分析結果表明：隨著橫向擋塊約束程度的增加,結構各關鍵截面內力增加,支座位移減小;合理考慮X形鋼墊塊的彈塑性約束作用能夠使結構橫向地震響應分布更加均勻,提升結構整體耗能能力。

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抗震與抗風

基礎隔震建筑實際地震響應實時監測及分析

丁志斌, 王良, 戴靠山, 張世明, 朱正言

2022, 38(4): 96-104.

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隔震建筑在實際地震中的響應是研究其抗震性能的重要參考,通過分析隔震建筑體系（含隔震支座、阻尼器等）在地震作用下的響應數據,有助于提高隔震建筑分析和設計水平。在四川某學校建筑實施了基礎隔震加固,同時建立了基礎隔震建筑遠程實時監測系統,對隔震建筑體系的位移、加速度,以及阻尼器的出力和行程等主要響應參數進行實時監測。自2019年6月以來,監測系統獲得了多次地震作用下的結構響應數據,包括2019年宜賓系列地震、2020年成都青白江地震等。首先介紹了該隔震建筑體系及其遠程實時監測系統,并基于近期主要地震下的實時監測數據,與數值模擬結果進行對比,分析與討論實際地震下的隔震建筑體系響應。結果表明,監測系統運行良好,所測數據有效可靠。

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抗震與抗風

非平穩風場模擬及閉口箱梁非平穩風壓特性

趙詩宇, 陳旭, 葛耀君

2022, 38(4): 105-112.

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非平穩極端風由強對流導致,因此與良態風相比具有強加速度、高相關性的特征。傳統邊界層風洞采用尖劈、粗糙元或格柵產生湍流風場,難以有效模擬極端風的大尺度突變風特征。對加拿大西安大略大學直流式風洞進行改造,通過開閉擋板快速改變流動方向,在試驗段產生較大加速度的突增/突減風以及一維正弦脈動風。經測試,改造后風洞可有效地模擬高相關性極端風的突增、突降特性,并可產生頻譜能量集中的一維正弦脈動風。突增風下的閉口箱梁斷面表面風壓將產生由風場時變靜壓導致的極值,斷面極值風壓分布為均勻流下繞流風壓分布及梯度壓強的疊加。

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試驗研究

帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架結構抗震性能試驗研究

穆弘, 陳安英, 胡晨, 余繼坡

2022, 38(4): 113-120.

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為研究帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架的抗震性能,考慮有無墻板、墻板類型、點支撐連接螺栓類型等因素,對無墻板鋼框架和帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架進行低周反復荷載下的對比試驗。結合試件破壞特征,分析了結構的滯回曲線、延性系數、耗能能力等抗震性能評價指標。結果表明：帶外掛夾心保溫混凝土墻板鋼框架的破壞模式為“先墻板后框架”的形式;加載過程中墻板與框架連接螺栓在掛件節點預留槽口中產生滑移變形,當螺栓滑移至長槽口邊緣后出現局部混凝土嚴重壓碎開裂或螺栓剪切破壞,同時墻板破壞后鋼梁屈曲變形而框架柱未有明顯破壞。在彈性加載階段墻板的存在能夠提高框架體系的側向承載性能,而在破壞階段連接節點保證了結構整體的延性變形能力,使墻板與框架可以協同變形,但墻板開洞會削弱結構的整體性;墻板掛架節點采用不同類型的螺栓在彈性加載階段對結構的抗震性能沒有影響。

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試驗研究

振動錘擊對鋼管樁抗壓承載特性影響的現場試驗研究

曾英俊, 包晨茜, 李衛超

2022, 38(4): 121-127.

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基于上海地區某工程中現場足尺試樁試驗結果,針對常規液壓振動錘和免共振液壓振動錘沉貫的開口鋼管樁,開展了抗壓極限承載特性及對應的承載力預測方法研究。通過對靜載試驗實測數據和部分規范提出的樁基抗壓極限承載力預測結果進行比較發現：樁基實測承載力小于按照上海規范推薦的預制樁承載力計算方法預測得到的振沉鋼管樁抗壓極限承載力。其中對于上海地區典型的黏性土中的休止期為40天左右的鋼管樁,振沉施工導致的承載力折減約為30%,而振沉施工對以砂性土為持力層的休止期為59天的鋼管樁承載特性影響相對較小,故應在振沉鋼管設計中考慮振動沉樁對樁基抗壓承載特性的影響。此外,沉樁結束休止40天后,實測免共振錘沉樁承載力較常規液壓振動錘施工的鋼管樁承載力低約11%,這很可能是不同振動錘沉貫鋼管樁過程中對樁周土體的擾動差異所致,因此應進一步研究不同振動錘沉貫鋼管樁過程對樁周土體擾動及土阻力的影響。

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試驗研究

承插式預制實體矩形截面橋墩抗震性能研究

張智然, 盧永成, 齊新, 趙晨, 林國才

2022, 38(4): 128-133.

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承插式連接具有施工便捷、容錯性大的優點,在預制拼裝橋墩施工中得到了越來越多的關注。市政橋梁通常采用矩形截面的預制橋墩,通過將其直接置于承臺預留的孔洞中并澆筑填縫料后形成整體。設計制作了1個大比例尺1∶2的承插式橋墩試件和1個現澆試件,通過擬靜力試驗,比較承插式裝配橋墩和現澆橋墩在破壞模式、滯回曲線、骨架曲線、耗能水平、殘余位移等方面的不同。試驗結果表明,通過具體的抗震設計可以使承插深度為1.0D的預制橋墩具有與現澆橋墩等同或接近的抗震性能。

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試驗研究

風積沙振動荷載地基加固性能分析方法

李琦, 李瑞

2022, 38(4): 134-140.

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風積沙穩定性差、黏聚力低,嚴重影響基礎建筑在風區域建設的安全性與穩定性,因此分析風積沙振動荷載地基加固性能。從塔克拉瑪干大沙漠采集天然風積沙樣本,調配含水率分別為3.5%與5.5%的A組（A0~A3）和B組（B0~B3）兩種風積沙,且兩組風積沙的水泥含量分別為0%、2.5%、5.5%、9.5%,最終得到兩組不同的水泥固化風積沙地基試件實驗樣本。利用加載裝置對各試件加載振動荷載,統計時間抗振荷載能力以及其他相關性能。結果顯示,含水率是3.5%的試件剪切應力更強、黏結性能更高,經水泥固化后孔隙量效果更好;振動荷載實驗中,含水率為3.5%、水泥含量5.5%的試件荷載承受能力更優,相同水泥用量的情況下,含水率越高的時間抗振承載力水平越高。

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地基基礎

考慮樁土局部分離的飽和土體中樁基水平動力響應分析

時昆鵬, 丁肇偉, 宋春雨, 陳龍珠

2022, 38(4): 141-150.

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采用有效應力的方法,根據不排水過程中的土體應力應變關系,計算孔壓變化,并利用UMAT子程序模塊進行二次開發,實現考慮孔壓生成的修正Mohr-Coulomb本構模型在數值模擬上的運用。結合樁土接觸面條件,研究考慮樁土局部分離的飽和土單樁及群樁的水平動力響應。將本文結果與已有文獻進行對比,驗證了本文方法的有效性和正確性。通過參數分析,研究樁土局部分離、樁間距、加載頻率對樁基動阻抗及孔壓分布的影響。研究結果表明：水平動力荷載作用下,樁土分離顯著地降低了樁基水平動阻抗,土體塑性和超孔壓對樁基動阻抗也有相應影響,高頻荷載作用時,其影響更大;循環加載后,樁周上部土體產生超孔壓,削弱了土體有效應力和樁基水平承載力。

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地基基礎

基坑開挖卸荷工程樁受力及變形特性分析

鄭笠, 陳琳, 朱云, 李鏡培

2022, 38(4): 151-162.

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基坑開挖將引起坑底土體大面積回彈,帶動坑內工程樁向上位移,改變樁土間受力狀態。立柱樁上抬還將影響基坑的支撐體系,對基坑整體穩定性產生不利影響。本文基于樁彈性理論方法,充分考慮大面積基坑分步開挖卸荷、土體回彈對工程樁受力及變形的影響,采用殘余應力法對土層回彈量進行計算,結合回彈量計算結果建立大面積基坑開挖工程樁位移和受力計算理論模型,分析樁頂荷載、基坑開挖深度以及樁長、樁徑對樁側摩阻力及樁土位移的影響,最后通過與工程監測數據對比驗證結果的可靠性與合理性。計算分析結果表明,樁頂荷載、基坑開挖深度、樁長及樁徑對樁側摩阻力及樁土位移產生明顯影響,隨著基坑開挖深度增加樁側將出現負摩阻力,可能引起樁身產生拉應力導致破壞。

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地基基礎

大直徑熱力隧道下穿工程中超前注漿的效果研究

沈立偉

2022, 38(4): 163-168.

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大直徑熱力隧道下穿工程中可以采用超前深孔注漿的方法強化地層,這在卵石等松散的地層中較為常見。針對大直徑熱力隧道下穿工程中超前深孔注漿的作用效果,以北京市阜石路大直徑熱力隧道穿越東水西調管道工程為背景,通過有限元法數值仿真模擬等手段,對工程中采用超前注漿加固等手段控制既有管道隆起的作用效果進行研究。結果表明：①由開挖導致的地表沉降最大值發生在隧道中心正上方,地表沉降實測結果表明實際控制效果良好;②采用超前深孔注漿方法,隧道暗挖造成的主要擾動區域寬約為3倍跨度;③數值計算的管網沉降變形符合控制要求,超前注漿可以保證輸水管網安全;④通過采用注漿加固地層的方式,可以明顯減小地表沉降和管線沉降。說明了在卵石地層中,采用注漿加固的控制變形作用效果良好。

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工程施工

高空超限型鋼混凝土梁本體懸掛平臺支模技術研究

李文盛, 張繼承, 何磊, 徐光

2022, 38(4): 169-175.

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高空大跨鋼筋混凝土結構的現澆施工難度較大,其模板支撐腳手架的懸空布設及荷載傳遞是技術難點。以造粒塔百米高空澆筑大跨型鋼混凝土梁為研究案例,借助結構層中尚未澆筑混凝土的型鋼梁自身較高承載能力,采取懸掛施工平臺支模及分層澆筑技術,解決高空現澆作業的施工難題。其安全、經濟、易操作、高質量等優勢在實際施工中得到驗證。

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工程施工

超大面積軟土基坑施工風險評價指標與綜合評價方法

覃子玲, 李鏡培, 姚建平, 李林

2022, 38(4): 176-185.

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近年來軟土地區超大面積基坑工程不斷涌現,相較于普通基坑工程,軟土地區超大面積基坑工程施工的風險性和風險控制難度都顯著增加,軟土地區超大面積基坑工程的風險評價已經成為一個急需解決的課題。基于超大面積軟土基坑的施工工序,對施工期的潛在風險進行識別,構建了超大面積軟土基坑施工風險評價指標體系,通過專家評價建立基坑風險判斷矩陣,得到各風險評價指標的相對權重。采用三角隸屬函數和嶺形隸屬函數得到定性評價指標和定量評價指標的隸屬度,提出了超大面積軟土基坑施工風險的模糊層次綜合評價方法。在此基礎上,依托上海國際醫學園區生物醫藥加速器（一期）項目基坑工程,對超大面積軟土基坑施工的風險進行了實例分析。研究結果表明,超大面積軟土基坑施工的主要風險來源于土方工程和支護工程。本文方法為軟土地區超大面積基坑施工風險評價和控制提供了有效評價途徑與理論依據,具有重要的理論價值與工程實際意義。

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設計方法與研究

某高烈度區內筒超大高寬比的超高層結構設計

梁立, 李邈, 劉璇

2022, 38(4): 186-192.

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昆明璀璨棲悅商務中心1#樓房屋高度148.550 m,屬超B級高度的超限結構。由于其內筒高寬比達21,采用盈建科和ETABS兩種軟件進行了彈性計算,對結構選型進行了比較分析,最終選用抗震性能更好的框架-剪力墻結構。按照設定的性能目標,對結構進行彈性計算、中震驗算,并采用Sausage軟件進行了罕遇地震作用下的彈塑性動力時程分析,根據分析結果,采取了有針對性的加強措施。

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設計方法與研究

某體育館上蓋張弦梁設計

金漢

2022, 38(4): 193-198.

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某體育館平面尺寸為69.2 m×21.0 m,為滿足建筑效果,在21.0 m跨度方向布置15榀單向張弦梁,本文主要運用兩種軟件進行分析,其中整體分析采用MIDAS GEN,節點分析采用ABAQUS,主要從如下4個方面對張弦梁進行計算論證保證安全：①根據平衡態尋找初拉力;②由于建筑功能原因,張弦梁上弦較平,會產生較大的水平推力,本文通過調整施工順序分析解決造型產生的推力及水平變形;③通過線性及非線性屈曲分析計算上弦穩定性;④支座處復雜節點材料非線性分析。通過以上4個方面計算保證項目安全可靠,可為類似張弦梁結構的設計提供參考。

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