結構工程師

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結構分析

波形鋼腹板簡支組合梁橋梁端混凝土附加應力

張愉, 張云, 羅婷倚, 劉玉擎

2022, 38(5): 1-7.

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波形鋼腹板簡支組合梁橋腹板剪切剛度小,梁端區段腹板剪切變形受到端橫梁的約束,混凝土頂底板容易產生附加彎曲應力,基于平截面假定的應力計算方法不再適用。為此,考慮波形鋼腹板的剪切變形,基于彈性力學理論推導了在集中荷載和均布荷載作用下梁端區段混凝土頂底板正應力的解析解。結果表明：簡支組合梁橋混凝土橋面板附加應力在梁端為峰值,且隨著梁端距離的增大應力值逐漸減小至0,長度約為梁高的0.6倍,此范圍內平截面假定不再適用;附加應力豎向分布呈現混凝土頂底板上緣受拉、下緣受壓,中性軸為0的規律;梁端附加拉應力最大值發生在梁端混凝土頂、底板的上表面,設計中應對梁端混凝土頂底板上表面采取相應的抗裂措施。

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結構分析

基于彈性力學理論的鋼筋混凝土結構保護層銹脹開裂時間預測模型研究

李永平, 劉慧源, 趙哲, 邵偉, 李相利, 丁民濤

2022, 38(5): 8-14.

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基于彈性力學理論與鋼筋銹脹機理,推導了鋼筋混凝土保護層銹脹開裂時的鋼筋臨界銹蝕量。基于Faraday定律,建立了鋼筋混凝土保護層銹脹開裂時間預測模型。通過將模型預測的保護層銹脹開裂時間與試驗結果進行對比,對所建立預測模型進行了驗證。在此基礎上,對影響混凝土保護層銹脹開裂時間的相關因素進行了分析。分析結果表明：隨著保護層厚度與混凝土彈性模量的增大,混凝土保護層銹脹開裂時間逐漸增大;而隨著銹蝕產物體積膨脹率、鋼筋銹蝕速率和混凝土抗拉強度的增大,混凝土保護層銹脹開裂時間逐漸減小。

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結構分析

高溫后套筒灌漿連接受拉力學性能分析與仿真

王珍吾, 王玉梅, 歐陽鷺霞, 歐陽希, 劉良林

2022, 38(5): 15-21.

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通過分析套筒灌漿連接受拉的傳力機理,發現套筒灌漿料強度是影響接頭力學性能的關鍵。運用Abaqus軟件,開展套筒灌漿連接仿真分析。首先實施常溫下接頭受拉分析,建立界面損傷變量值識別模擬對象的失效模式,通過實測結果驗證分析后建立套筒灌漿連接仿真分析方法;然后引入高溫作用為研究變量,發現采用抗壓強度為85.1 MPa的套筒灌漿料、鋼筋黏結長度為7.7倍鋼筋直徑的套筒灌漿連接受拉時,400 ℃高溫作用是連接失效模式轉變的臨界溫度。此外,通過仿真分析,成功捕捉到連接的套筒外鋼筋斷裂現象以及荷載-位移曲線的下降段,有利于失效模式識別,為提升連接的可靠性提供了重要依據。

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結構分析

組合折腹梁橋外包型結合部受力機理分析

王思豪, 張云, 張坤球, 劉玉擎

2022, 38(5): 22-28.

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為探究組合折腹梁橋折形鋼腹板與底板外包型結合部受力,通過實體板殼混合有限元模型,分析了連接件剪力和拉拔力分布規律,得到單位長度連接件剪力合力和各子板剪力分擔比,提出結合部單位長度連接件剪力計算方法。研究結果表明,由于折形形狀的影響,一個標準波段內各子板連接件剪力差異很大,且部分子板連接件出現一定拉拔力;腹板連接件剪力和拉拔力自上而下呈逐漸減小趨勢,下翼緣板連接件剪力較小且不存在拉拔力;波形內凹和外凸直板各分擔25%的波段剪力,兩斜板的剪力分擔比存在較大差異,且與該波形所處的梁段位置有關;考慮剪切變形對結合部連接件剪力的增大效應,得到組合折腹梁外包型結合部單位長度連接件剪力計算方法,為外包型結合部連接件抗剪設計提供參考。

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結構分析

板柱節點配置型鋼剪力架對受彎和直剪承載力的影響分析及設計改進

杜旭

2022, 38(5): 29-35.

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鋼筋混凝土板柱節點配置型鋼剪力架可提高沖切抗力,同時也增強柱上板帶支座負彎矩區的抗彎承載力。如不恰當處理,該增強效果將與“強柱弱梁”抗震設計原則矛盾。本文提出改變型鋼的截面形式且盡量靠近板底布置,實現不影響型鋼剪力架抗沖切性能且減小其對彎曲承載力貢獻的目的。為定量分析,考慮柱距和覆土厚度兩個參數,設計10種典型工況的地下車庫板柱節點。計算表明,在滿足抗沖切性能前提下,改進設計的型鋼剪力架對抗彎承載力的貢獻百分比平均為17%,而傳統設計中該值為40%,改進后該貢獻百分比顯著降低。建議通過適當增配柱縱筋增大柱抗彎承載力,實現“強柱弱梁”。此外,還提出型鋼剪力架可提高“板-柱界面”處板的直剪抗力的新認識,針對10種工況計算了型鋼剪力架對直剪承載力的貢獻。

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結構分析

既有建筑的目標可靠水平研究

吳樂樂, 唐曹明, 羅開海, 黃世敏, 呂大剛, 喬雨蒙

2022, 38(5): 36-43.

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為探究適用于既有建筑評估的目標可靠水平,基于《結構可靠度總原則》（ISO2394）中可接受風險準則和生活質量指數（LQI）準則確定了既有建筑評估的目標可靠指標;分別采用擬建建筑、既有建筑的抗力和作用概率模型,校準了《既有建筑物結構檢測與評定標準》（DG/TJ08-804—2005）中不同類型構件的可靠度;依據校準結果分析了基于LQI準則確定的目標可靠指標的可行性。結果表明：基于LQI準則提出的目標可靠指標是可行的;安全等級二級的既有建筑按照現行鑒定標準進行評估時,對于混凝土受剪構件建議仍按照目標可靠指標3.7考慮,其他脆性構件的目標可靠指標可取3.35,延性構件的目標可靠指標可取2.6。

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結構分析

基于Revit的預制板BIM智能創建與拆分軟件開發

畢天平, 趙小偉

2022, 38(5): 44-50.

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為了提高裝配式建筑工程設計的速度與效率,解決裝配式建筑項目中預制板創建類型單一、拆分復雜、不能很好地滿足工業化生產需要等問題。基于BIM技術,在Revit API開發環境下結合C#編程語言,實現預制板的智能化應用,主要開發功能包括預制板智能創建、拆分兩部分。結果表明：相較于傳統的預制板創建與拆分,本程序能夠使設計人員對預制板的創建、拆分進行參數化設置,快速高效地批量導出所需預制構件,大幅提高設計效率。為其他預制構件在智能方向的發展提供借鑒,具有廣闊的應用場景。

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抗震與抗風

帶黏彈性阻尼器可更換連梁的剪力墻結構抗震性能分析

汪盟, 吳浩, 劉曉芳

2022, 38(5): 51-58.

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地震作用后,傳統剪力墻結構在連梁和墻角等位置常常發生難以修復的損傷,造成經濟損失。針對這一問題,對一種在連梁中設置黏彈性阻尼器的可更換連梁剪力墻結構的抗震性能進行研究。以一個10層聯肢剪力墻體為例,通過有限元軟件OpenSees分別建立傳統方案模型和可更換連梁方案模型,并對二者進行四水準下的彈塑性時程分析,對比分析層間位移角、樓層剪力、墻腳塑性轉角和連梁塑性轉角等抗震性能指標。結果表明,相較于傳統剪力墻結構,在連梁中設置黏彈性阻尼器可以減小剪力墻結構的地震響應,降低塑性損傷,提高抗震性能。

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抗震與抗風

框架-支撐芯筒結構體系的耗能機制研究

傅大寶

2022, 38(5): 59-64.

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為研究框架-支撐芯筒結構在罕遇地震下的耗能機制,對框架-支撐芯筒結構進行彈塑性時程分析,觀察結構的耗能分布,并與框架-核心筒結構進行對比,分析設置屈曲約束支撐（BRB）后框架-支撐芯筒結構體系耗能的變化。結果表明：（1）兩種結構體系耗能的不同之處在于框架-核心筒結構塑性耗能主要集中在連梁上,而框架-核心筒結構塑性耗能分散在各類構件上,由于鋼支撐在罕遇地震下不易屈服,耗能能力未充分發揮。（2）采用BRB等截面替換支撐芯筒的鋼支撐,框架-支撐芯筒結構的耗能機制基本保持不變。（3）適當縮小BRB的芯材截面,降低BRB的屈服力,不僅能夠降低總體能量輸入,而且能夠將提高BRB的耗能占比,降低其他構件的塑性耗能,有效地保護了其他構件。可見,理想的框架-支撐芯筒結構宜設置部分或全部采用BRB替代鋼支撐。

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試驗研究

H型鋼-再生混凝土板組合梁抗剪性能試驗

劉亦斌, 曹萬林, 葉濤萍, 劉策, 郭瑞潔, 王如偉

2022, 38(5): 65-72.

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目前H型鋼-再生混凝土板組合梁抗剪性能的試驗研究較少。進行了5個H型鋼-再生混凝土板組合梁足尺試件抗剪性能試驗,各試件尺寸一致：梁凈跨3 000 mm,H型鋼型號采用HN200×200×6×6,再生混凝土板寬300 mm、厚100 mm;H型鋼與再生混凝土板通過栓釘連接。試件的再生粗骨料取代率分為0%、50%、100%,混凝土強度等級分為C30、C60。對比分析了不同設計參數試件的抗剪性能,以及設計參數對試件抗剪性能的影響,結果表明：H型鋼-再生混凝土板組合梁,采用栓釘連接構造受力可靠,H型鋼與再生混凝土板共同工作性能良好;不同再生粗骨料取代率下H型鋼-再生混凝土板組合梁受剪性能和破壞形態接近;提高再生混凝土強度可以顯著提高試件的抗剪承載力、剛度和變形能力。

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試驗研究

UHPC短焊釘推出試驗與抗剪機理參數分析

張樂朋, 徐晨, 侯哲豪, 馬骉, 徐藝

2022, 38(5): 73-83.

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針對超高性能混凝土（UHPC）組合橋面板中短焊釘高度及焊釘間距對焊釘抗剪性能影響規律以及超薄UHPC板推出試件受力特征等問題,以寧波西洪大橋接線工程為背景,進行了薄板UHPC短焊釘推出試驗、有限元模擬和參數化分析工作。試驗表明：UHPC短焊釘破壞模式主要表現為短焊釘根部剪斷,UHPC出現局部碎裂;沿推出方向的上、下排焊釘釘身所承擔的拉彎應力比存在顯著差異。參數分析表明：直徑13 mm的焊釘釘高在15~50 mm變化時,釘高降低,焊釘抗剪剛度有增大趨勢,極限狀態中逐漸出現焊釘拉拔變形,周邊UHPC的損傷區域變大,但并未顯著影響焊釘的極限承載力;另一方面,焊釘間距在150~300 mm變化時未對焊釘抗剪性能產生顯著影響。

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試驗研究

配筋PVA-鋼混雜纖維增強水泥基復合材料梁彎剪性能試驗研究及數值模擬

韓建平, 李佳佳

2022, 38(5): 84-92.

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為改善普通混凝土梁的破壞形態,防止脆性破壞,提高承載力,采用特定摻量的PVA-鋼混雜纖維增強水泥基復合材料（HyFRCC）替代普通混凝土。共設計8根試驗梁,包括6根配筋PVA-鋼HyFRCC梁和2根普通鋼筋混凝土梁,進行彎剪性能試驗。受剪性能試驗結果表明,與普通鋼筋混凝土試驗梁出現的剪壓破壞不同,配筋PVA-鋼HyFRCC試驗梁均表現為彎曲破壞,這表明在同樣條件下,PVA-鋼HyFRCC可以改變梁的破壞模式,有效抑制剪切裂縫的形成和發展,使試驗梁呈現多縫開裂的延性破壞。剪跨比對PVA-鋼HyFRCC梁的承載能力和破壞模式有較大影響。箍筋間距減小到一定程度,試驗梁的開裂荷載和極限荷載均有一定的提高。受彎性能試驗結果表明,試驗梁均發生彎曲破壞,配筋PVA-鋼HyFRCC梁的承載能力和變形能力均較普通鋼筋混凝土梁有明顯的提高。采用有限元分析軟件ABAQUS,將PVA-鋼HyFRCC的應力-應變關系與混凝土損傷塑性模型結合,對配筋PVA-鋼HyFRCC梁的性能進行數值模擬,數值模擬結果與試驗結果吻合較好。

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試驗研究

纖維納米再生骨料混凝土力學性能試驗研究

王娣, 陳自豪, 戚國峰, 元成方

2022, 38(5): 93-98.

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將廢棄混凝土、燒結磚進行資源化利用是解決城市建筑垃圾堆放及污染的重要途徑。通過試驗研究分析了不同纖維及纖維摻量對納米再生混凝土力學性能的影響。研究表明：納米再生混凝土的抗壓強度隨著聚乙烯醇（PVA）纖維或聚丙烯（PP）纖維的摻入而下降,且PP纖維對其抗壓強度具有更大的削弱作用;抗折強度與劈裂抗拉強度隨PVA纖維摻量的增加先增大后減小,摻量為0.9 kg/m³時的增強效果最為顯著;纖維摻量（1.2 kg/m³）相同的情況下,PVA纖維較之PP纖維具有更為優異的增強效果;對PVA纖維納米再生混凝土的強度指標進行擬合分析,其劈裂抗拉強度、抗折強度均與抗壓強度具有良好的冪函數相關性。

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試驗研究

基于載荷試驗的振沉鋼管樁承載力研究

蔣益平, 張爾海, 沙麗新, 李衛超, 章蘇亞, 李崧, 龐玉麟, 金易

2022, 38(5): 99-106.

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液壓免共振錘沉鋼管樁施工工藝在城市橋梁工程建設中逐步得到了較廣泛的應用,其施工設備輕便、施工速度快,很好地滿足了橋梁預制拼裝施工的要求。針對液壓免共振錘沉鋼管樁豎向抗壓極限承載力的預測問題,對比了現行各規范計算方法的差異。針對兩根長度為50 m、外徑700 mm的振沉鋼管樁開展了靜載荷試驗,從試樁結果可以看出,振沉樁休止期42 d對應的實測極限承載力并未達到所有規范計算的極限承載力;休止期72 d對應的實測極限承載力相較42 d時增長了至少16%,達到了公路規范和上海巖土規范計算值。通過不同休止期試樁結果的對比分析,說明振沉樁的休止期不應小于42 d,該值高于目前規范對靜壓樁和打入樁的推薦休止期;同時也說明現有振沉鋼管樁極限承載力計算方法有值得改進之處;上海地區,當樁端持力層為密實砂土時,采用公路規范和上海巖土規范的計算方法是較合理的。

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試驗研究

雙格室型GFRP橋面板疲勞性能試驗研究

孫耘, 劉玉擎, 辛灝輝

2022, 38(5): 107-112.

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為探究拉擠格室型GFRP橋面板受往復荷載作用的疲勞性能,開展了集中荷載下的常幅疲勞試驗,試驗測試了四種荷載幅下GFRP橋面板位移和應變響應。研究結果表明：拉擠格室型GFRP橋面板在橫向負彎矩作用下,加載點處頂板近結合部位置先萌生縱向裂紋,頂板裂紋經歷了前期快速擴展、速率放緩的穩定擴展、破壞前失穩擴展三個階段;腹板裂紋較晚出現,左腹板（內榫側）距頂面40 mm內的6 mm板厚段較晚萌生數條縱向裂紋;頂板裂紋對整體剛度影響不大,腹板裂紋會引起腹板中性軸下移,導致GFRP橋面板結構整體剛度退化。

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試驗研究

超高層雙塔中部聯通異型建筑結構風洞試驗研究

廖凱, 岳峰, 劉博文, 王飛, 齊廣通, 李成勇, 許學剛

2022, 38(5): 113-125.

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介紹了某超高層雙塔中部聯通異型建筑風洞試驗方法與數據分析,對該超高層復雜結構的風壓分布、風壓系數及體型系數進行了研究,得到了可供設計使用的等效靜風荷載與樓頂峰值加速度。結果表明,風壓在建筑物的中上部及立面拐角區域較大,風吸力（負壓）要大于風壓力（正壓）,整體上南塔（高度較低）風壓小于北塔（高度較高）風壓,總的等效靜力風荷載主要由平均風荷載控制。研究成果可為該類結構抗風設計及相關研究提供參考依據。

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地基基礎

自進式中空注漿錨桿在地下抗浮設計中的應用分析

周永明, 徐偉斌, 華貝, 吳能文

2022, 38(5): 126-132.

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自進式中空注漿錨桿是一種集鉆進、注漿、錨固功能于一體的新型錨桿,在地下抗浮設計中采用自進式中空注漿錨桿,可有效解決軟弱、破碎、松散巖層中全粘型錨桿常遇到的塌孔、縮徑、注漿不飽滿等問題。結合工程實際,對巖層破碎帶區和非破碎帶區分別采用自進式中空注漿錨桿和全粘型錨桿進行抗浮治理。在破碎帶區從抗拔承載力、變形特征、注漿壓力和注漿量進行對比分析2種錨桿的抗浮效果。試驗結果表明,自進式中空注漿錨桿最大拉拔力均達到400 kN,遠大于全粘型錨桿的310~328 kN,最大變形量3.6 mm,殘余變形量2.5 mm,遠小于全粘型錨桿最大變形量7.6 mm和殘余變形量5.7 mm;中空錨桿和全粘錨桿的注漿壓力分別為1.3 MPa和1.0 MPa,中空錨桿注漿量較全粘錨桿提高約20%,中空錨桿錨固性能、注漿效果和耐久性能均優于全粘型錨桿。自進式中空注漿錨桿可通過施加預應力,形成拉力型預應力中空注漿錨桿。

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地基基礎

深厚回填土地基強夯加固效果影響因素研究

李怡文, 陳穎輝, 鄒夢超

2022, 38(5): 133-139.

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影響深厚回填土地基強夯施工效果的因素有很多,基于云南某深厚回填土地基強夯處理項目,采用單一變量原則,運用ABAQUS有限元模型,結合以往經驗,逐個分析影響強夯作用的參數,分別研究在同一夯擊能下不同夯擊次數、不同夯擊組合、不同夯錘直徑對強夯加固作用的影響,以及在不同夯擊能沖下地基土體的豎向位移、豎向應力、水平位移的變化情況。研究成果可為強夯施工提供參考。

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地基基礎

新型裝配式基坑搶險斜撐穩定性研究

周業, 王勝, 劉曉明, 譚鑫, 黃華

2022, 38(5): 140-147.

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提出了一種新型基坑裝配式斜撐支護結構,該斜撐可快速裝配后處理基坑突發險情,及時遏制基坑圍護結構變形,并可在基坑搶險結束后回收和重復利用。針對該新型基坑斜撐結構進行了室內物理模型試驗和數值分析,獲得了不同工況下斜撐荷載位移曲線和地基土變形特征,揭示了新型裝配式斜撐的承載模式和失穩機理。斜撐所受荷載將由斜撐和底板兩部分共同承擔,斜撐+底板組合承載時的承載力明顯大于底板單獨承載時的承載力,且組合承載力隨著斜撐的埋置長度增加不斷增大,斜撐與底板共同承載具有良好的穩定性。

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結構加固與改建

預應力橋梁波紋管堵塞加固處理技術應用探討

張玉明, 秦元昊, 譚天樂

2022, 38(5): 148-154.

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大跨橋梁預應力施工過程中波紋管堵塞后的開槽處理,會對橋面板截面造成較大削弱,影響結構的承載力及使用性能。對大跨橋梁橫橋向波紋管堵塞后的加固處理進行了研究,提出了在原橋面板頂面補增預應力筋、新澆配筋混凝土疊合層代替原頂板上墊層做法的加固方案。計算結果表明,此種加固方案,橋面板的總厚度和橋面荷載沒有增加,開槽后張拉的原預應力筋和補加的預應力筋共同保證了結構的抗裂性能;橋面板結構層厚度增大,保證并提高了結構的承載能力。可為同類型工程的加固處理提供借鑒與參考。

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設計方法與研究

青島世茂國際中心3號樓超限高層結構分析與設計

于孟偉, 高赫, 蔡興彬, 徐志勇

2022, 38(5): 155-163.

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青島國際世茂中心項目3號樓地下3層、地上48層,塔樓屋面結構高度175.8 m,為框架-核心筒結構體系。塔樓平面呈橢圓形,立面呈梭形,平立面變化復雜,結構超限。采用SATWE和MIDAS Building兩種軟件進行了小震彈性計算,結果表明,結構的周期比、層間位移角、抗剪承載力比等均滿足規范要求。同時對結構采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算,結果表明所取地震波平均譜滿足規范要求并符合地震動三要素,結構在風荷載及多遇地震作用下,能保持良好的抗側性能和抗扭轉能力。采用SAUSAGE對結構進行動力彈塑性分析,計算所得結構在罕遇地震下的層間位移角滿足規范限值要求。

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設計方法與研究

千島湖某商場鋼結構分析與設計

譚金濤

2022, 38(5): 164-171.

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千島湖某商業項目建筑面積約16萬m²,平面尺寸為171.4 m×207 m,建筑高度為22.95 m,結構采用了鋼框架-支撐形式。本文主要闡述了本商業項目的商場鋼結構設計的關鍵問題及解決方式,包括結構防震縫方案、多個獨立小屋面地震作用、鋼連廊抗震性能化設計、超長鋼結構溫度效應、懸挑及大跨鋼樓蓋不同邊梁布置方案舒適度對比。

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設計方法與研究

某圓環形教育建筑結構分析與設計

赫明月, 阮林旺, 丁祝紅

2022, 38(5): 172-176.

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西交利物浦大學太倉校區教學區項目建筑平面整體以大圓環串聯7棟U形建筑,圓環直徑達322 m,周長約1 000 m。建筑地下1層,地上5層,結構最大高度23.51 m。圓環上方有一通長屋頂構架,構架頂標高30.66 m。地上結構設置7道結構縫,將整體建筑劃分為9個獨立的結構單元,包含3個雙U形建筑、1個單U形建筑、3個跨河道連接體及2個環內點狀建筑。本文對各結構單元的結構體系進行了方案比選,同時圍繞項目設計過程中的要點及難點進行了論述,設計思路及相關結論可供類似工程參考。

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文獻綜述

疲勞荷載作用下CFRP-鋼粘結性能綜述

呂兆華, 徐海斌, 余倩倩

2022, 38(5): 177-181.

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鋼結構基礎設施在服役過程中,受到荷載和環境介質的共同作用,往往產生裂紋、銹蝕等損傷。碳纖維增強復合材料（CFRP）輕質高強、耐疲勞和腐蝕性能好,在鋼結構補強領域具有廣泛的應用前景。在粘結加固體系中,CFRP-鋼界面粘結性能是保證補強效果的關鍵。本文對疲勞荷載作用下CFRP-鋼界面粘結性能的已有研究進展進行綜述,包括試驗工況、疲勞荷載下粘結節點的破壞模式、粘結強度、荷載—位移曲線和粘結—滑移曲線等,并總結了相關損傷模型。

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文獻綜述

Fe-SMA材料補強鋼結構疲勞性能綜述

吳水根, 余倩倩

2022, 38(5): 182-190.

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鋼結構基礎設施在服役過程中,受到荷載和環境介質的共同作用,往往產生裂紋、銹蝕等損傷。鐵基形狀記憶合金（Fe-SMA）材料性能優良,價格相對低廉,可基于形狀記憶效應,便捷地施加預應力,對疲勞損傷鋼結構進行加固補強。本文對Fe-SMA材料補強鋼結構疲勞性能已有相關研究工作進行綜述,包括Fe-SMA材料恢復應力、Fe-SMA加固鋼結構疲勞性能、環境溫度和疲勞荷載對鋼結構補強體系的影響,并和NiTinol-FRP復合材料補強鋼結構疲勞性能進行了對比。

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