結構工程師

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結構分析

基于隨機子空間方法的向量式有限元索網模型模態識別

黃嘉思, 徐文城, 段元鋒, 章紅梅

2022, 38(6): 1-6.

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向量式有限元（VFIFE）可以有效分析模擬柔性結構大變形、非線性或不連續力學行為,無須組集整體剛度矩陣,因而無法直接利用特征值求解得到模態參數。本文基于隨機子空間識別方法（SSI）,在VFIFE求解程序中嵌套基于協方差的隨機子空間識別程序（VFIFE-SSI）,分別對孿生索-索網體系和異索-索網體系的VFIFE模型進行模態識別,得到索網結構的模態頻率、阻尼比和振型,通過對比解析解和傳統有限元求解結果,驗證了VFIFE-SSI方法的準確性。分析結果表明,輔助索的剛度和阻尼系數會影響索網結構的模態參數,工程中可以通過調節輔助索參數來調整索網整體性能。

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結構分析

預制橋墩承插式連接軸壓性能分析

呂新建, 李濤, 劉朵, 程釗, 張建東

2022, 38(6): 7-14.

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為研究預制橋墩承插式連接在軸壓作用下的力學性能,通過非線性三維數值模擬,確定了測試承插式連接軸壓性能的合理模型設計方案,研究了墩柱承插深度、墩柱界面構造以及灌漿料強度對軸壓性能的影響規律。研究結果表明：基于表面接觸算法的ABAQUS有限元數值模型能較好地模擬承插式連接在軸壓荷載下的力學行為;采用圓形底座與外包約束鋼管的試件設計方案可避免因應力集中產生的底座開裂現象,有利于充分測試承插式連接的軸壓性能;增加墩柱承插深度將提升承插式連接的軸壓承載力,且承載力提升與承插深度增加呈線性關系,但承插深度對連接側剪力強度的影響較小;采用波紋、鍵齒、糙化三類墩柱界面構造的承插式連接軸壓性能相似;灌漿料抗壓強度由40 MPa提升至80 MPa,承插式連接軸壓承載力僅提升11.4%。

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結構分析

翼緣約束對波形鋼腹板彈性剪切屈曲的嵌固效應

張博珊, 蔚江江, 陳惟珍

2022, 38(6): 15-22.

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現有波形鋼腹板剪切性能設計和評估公式,是基于四邊簡支波形板或具有某種特定翼緣的波形鋼腹板工字梁分析結果提出的,不能合理反映翼緣約束對波形鋼腹板剪切屈曲的嵌固效應。彈性剪切屈曲是波形鋼腹板剪切性能研究的重要基礎。本文采用通用有限元分析軟件ANSYS,通過特征值屈曲分析,對9組四邊簡支波形板模型和63組波形鋼腹板工字梁模型的彈性剪切屈曲行為進行模擬。分析模型按腹板波形和腹板長寬比劃分為9個系列。通過對各系列模型翼緣尺寸的參數化分析,探索翼緣約束作用及其對波形鋼腹板彈性剪切屈曲應力的影響規律。提出了翼緣約束程度的定量化評價參量及其對波腹板彈性剪切屈曲嵌固效應的定量化評價系數。研究結果表明,翼緣約束對波形鋼腹板的彈性剪切屈曲具有嵌固效應,波腹板的彈性剪切屈曲應力高于相應的四邊簡支波形板。

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結構分析

大型鋼桁架渡槽注水過程及其結構響應數值研究

常皓程, 吳志剛, 陳艾榮, 殷亮, 馬如進

2022, 38(6): 23-29.

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淠河總干渠渡槽工程是國內第一座大型鋼桁架渡槽,目前國內外尚缺乏針對這一橋型的注水過程的動力響應的研究。基于VOF和有限元方法對渡槽注水過程及在這一過程中結構的動力響應進行數值模擬。首先使用VOF方法,對不同開閘高度下的渡槽充水過程進行了多相流模擬,然后將得到的結果以靜力荷載和動力荷載的形式加載到結構之上,得到相應的結構響應并對比了兩種方法得到的結果。

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結構分析

熱軋變厚U肋鋼橋面板疲勞機理分析

盛榮榮, 劉玉擎, 董小強, 陳艾榮

2022, 38(6): 30-37.

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為改善正交異性鋼橋面板疲勞性能,熱軋變厚U肋首次大規模應用于廈門第二東通道跨海鋼箱梁橋。為揭示熱軋變厚U肋與頂板雙面焊接鋼橋面板的疲勞機理,利用ANSYS建立鋼橋面板局部模型,基于熱點應力法開展疲勞性能評估,分析疲勞細節在輪載作用下的應力歷程、應力幅和應力分布,并與常規的8 mm等厚U肋進行比較研究。結果表明：相比于8 mm等厚U肋,采用熱軋變厚U肋不改變疲勞細節熱點應力變化趨勢;熱軋變厚U肋能夠顯著降低橫隔板處頂板焊趾、U肋與橫隔板焊縫端部U肋焊趾的熱點應力幅,降幅分別為19%和20%,并緩解橫隔板處頂板焊趾附近應力集中程度。

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抗震與抗風

氯鹽侵蝕鋼筋混凝土梁抗震性能研究

蔣歡軍, 陳尚, 劉邦禹

2022, 38(6): 38-43.

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為了解氯鹽侵蝕鋼筋混凝土梁的抗震性能,采用經驗證的氯鹽侵蝕損傷鋼筋混凝土梁精細化建模方法,建立了120個氯鹽侵蝕鋼筋混凝土梁的精細有限元模型。分析了鋼筋銹蝕率、剪跨比、縱筋配筋特征值、配箍率、混凝土強度等級5個參數對氯鹽侵蝕鋼筋混凝土梁構件抗震性能的影響。結果表明：銹蝕率是影響氯鹽侵蝕鋼筋混凝土梁破壞模式的重要參數;縱筋配筋特征值和剪跨比對氯鹽侵蝕鋼筋混凝土梁的變形性能有較明顯影響。研究成果可為氯鹽侵蝕鋼筋混凝土結構全壽命設計與抗震性能評估提供參考。

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抗震與抗風

基于剛度比設計的屈曲約束支撐-混凝土框架抗震性能研究

胡大柱, 陶林杰, 楊振橋

2022, 38(6): 44-54.

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為研究剛度比對屈曲約束支撐—混凝土框架結構體系的影響及其合理的取值范圍,分別設計了初始層間位移角不同的三種混凝土框架結構,通過多遇與罕遇地震作用下的動力時程分析,研究了不同剛度比對框架結構層間位移角、層間剪力、支撐滯回耗能率、塑性損傷分布等抗震性能的影響。根據分析結果,給出了屈曲約束支撐與框架部分剛度比合理的取值范圍。

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抗震與抗風

12·22常州4.2級地震的上海實測信號分析

任曉崧, 宗剛, 周球尚

2022, 38(6): 55-62.

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2021年12月22日江蘇省常州市發生了里氏4.2級地震,上海全域均有震感。同濟大學校內近期安裝的場地—建筑物地震反應融合監測臺網,捕捉到本次地震的有效加速度響應信號,5個測站的場地、建筑頂層加速度峰值分別在1~5 cm/s²和1~6 cm/s²。本文對監測數據的時、頻規律進行分析,研究了地震動加速度峰值、反應譜以及建筑物樓層響應動力特征（結構基頻、頻響函數等）等參量,結果表明,本次地震對短周期結構的影響較大。此外,基于實測加速度數據討論了地震烈度快速評估,各測站的烈度評定結果在1~3度。

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抗震與抗風

基于向量式有限元的非結構構件突加荷載響應及影響因素模擬分析

吳澤含, 章紅梅

2022, 38(6): 63-74.

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向量式有限元方法自提出以來在大變形、不連續問題的求解中顯示出了優異的預測效果。本文針對建筑結構中一種主要非結構構件——大型懸掛吊燈在近斷層地震作用下的響應還未得到重視的問題,應用向量式有限元對具有多重質量的大型吊燈在突加荷載的作用下的模擬方法以及響應的影響因素進行了分析。主要探究了不同的突加荷載模式、不同的阻尼比對于大型吊燈振動的影響。分析結果表明,加載模式影響結構的運動軌跡,阻尼比的變化會影響結構振動到達平衡位置的速度。上述研究可為結構中大型非結構構件的設計與分析提供參考。

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抗震與抗風

深水圓形高墩結構振動特性和動力響應分析方法對比研究

楊坤, 葛書勛

2022, 38(6): 75-83.

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墩身動水附加質量對深水高墩結構的振動特性與地震動力響應影響較大,為研究動水附加質量計算方法的適用范圍,利用有限元分析軟件ADINA,分別基于勢流體單元的流固耦合完全數值法以及基于Morison方程的動水附加質量法建立了深水圓形高墩結構的動力分析模型,通過對比分析兩類模型的振動特性和地震響應,探討動水附加質量模型的準確性及其適用范圍。研究結果表明,水深寬度比對動水附加質量模型計算的深水高墩結構振動特性和地震響應的精度有明顯影響,合理控制水深寬度比可以保證動水附加質量模型的精度。

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抗震與抗風

樁基施工對建筑結構環境振動影響分析

晁艷, 宋曉東, 黃江濤

2022, 38(6): 84-91.

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為研究樁基施工引起的結構振動特性,開展了現場振動測試并分析了土體的動力響應頻譜特性,基于三維土體有限元模型和瞬態響應分析對土體的振動進行了仿真分析,并結合實測結果驗證了有限元模型的有效性。建立了房屋建筑和高鐵橋梁有限元模型,并對打樁作業對結構的振動影響進行了評估。研究結果表明：（1）打樁引起的土體振動主要在3~30 Hz范圍內,峰值頻率在10 Hz左右;（2）振源位置土體響應呈明顯的脈沖衰減特征,隨著測點距離的增加,土體振動加速度快速衰減,在離振源60 m處并無明顯的脈沖衰減特征;（3）樁基施工現場附近的房屋結構底層和頂層的質點峰值速度為2.7 mm/s和6.6 mm/s,高鐵橋梁跨中橫向振幅和豎向加速度最大值為0.023 mm和0.144 m/s²,均未超過規范限值。

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抗震與抗風

基于最小二乘法的磁流變阻尼器模型參數識別GUI程序開發

李歆, 張穎

2022, 38(6): 92-100.

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設計合理有效的磁流變阻尼器半主動控制方法,對于整體結構的減震效果尤其重要,而磁流變阻尼器的精確建模是磁流變阻尼器控制方法設計及仿真的首要前提。介紹了常用的四種參數模型,包括Bingham模型、修正的Bingham模型、Bouc-Wen模型及現象Bouc-Wen模型,并對模型的優缺點進行了討論。基于磁流變阻尼器的力學特性試驗,選取三種磁流變阻尼器模型進行Simulink建模仿真分析,指出現象Bouc-Wen模型可以較好擬合磁流變阻尼器的各項性能。最后,采用一種基于最小二乘法原理的參數識別方法,基于Matlab中的Simulink GUI 圖形用戶界面設計開發了參數識別程序,對現象Bouc-wen模型進行參數識別以及線性擬合,將仿真結果和試驗數據進行對比,結果表明：程序擬合結果和試驗數據吻合很好,相應參數滿足要求,具有較好的實際應用價值。

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試驗研究

螺紋錨固單邊螺栓端板連接節點彎剪作用性能研究

姜曉明, 王光偉, 張曼, 唐麗茹, 王培軍

2022, 38(6): 101-110.

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現有研究中針對螺紋錨固單邊螺栓連接節點的加載工況較為簡單,一般為純彎、純拉或者純剪。實際結構節點的抗彎和抗剪承載力之間存在明顯相互作用關系,因此需要對節點在彎矩、剪力共同作用下的受力性能與計算方法進行研究。通過試驗研究了彎矩和剪力共同作用對于螺紋錨固單邊螺栓端板連接節點受力性能的影響,并將單邊螺栓連接節點與帶螺母高強螺栓連接節點的受力性能進行了對比。借助經過驗證的有限元模型補充分析了不同彎矩與剪力大小組合下節點的受力性能,總結出剪力對節點抗彎承載力的影響規律,并得到了節點彎矩-剪力相關承載力。結果表明,剪力造成的鋼管螺栓孔變形會進一步削弱螺紋錨固狀態,進而降低節點抗拉強度;相較于拉力,剪力對于螺紋錨固單邊螺栓連接節點承載力的影響更大。

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試驗研究

拱形與直線形雙排樁支護結構變形特性離心模型試驗對比

廖志堅, 呂琦, 吳越

2022, 38(6): 111-118.

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拱形雙排樁支護結構利用了拱形的受力特性,將其受到的外部荷載轉化為自身軸力,充分發揮了混凝土材料的抗壓性能,在工程實踐中得到了應用。但其受力變形規律較為復雜,國內外的相關研究滯后于工程實踐的需求。以某實際基坑工程為背景,采用離心模型試驗對比研究了直線和拱形雙排樁支護結構的受力變形特性。試驗結果表明：兩者在樁身彎矩規律、水平變形規律和樁后土體沉降規律上基本一致,但拱形雙排樁支護結構更有利于基坑的變形控制,在基坑中心處雙排樁的最大彎矩值和水平變形均大于拱腳處的雙排樁。研究成果可為類似工程設計及理論研究提供試驗參考。

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試驗研究

角度風作用下角鋼輸電塔頭風荷載風洞試驗研究

李超, 胡曉依, 宋雪祺, 鄧洪洲

2022, 38(6): 119-125.

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對±1 000 kV準東-華東特高壓直流輸電線路角鋼塔的塔頭模型進行了風洞試驗,利用高頻測力天平技術研究了塔頭模型在角度風作用下的氣動力特性。通過逐個拆除橫擔的方法（間接測量法）,分別獲得了塔頭左右兩個橫擔的氣動力系數、角度風系數和荷載分配系數。結果表明：角度風作用下橫擔阻力系數的最不利風向角為10°,升力系數最不利風向角為30°;塔頭左右兩個橫擔的角度風系數在0°~75°風向角范圍內比較接近,但在75°~90°風向角下處于下游橫擔的角度風系數明顯小于處于上游橫擔的角度風系數;荷載分配系數不宜直接通過將角度風系數按風向角分解得到,橫向升力的影響不可忽略;根據試驗結果給出了角度風系數的擬合公式,可為實際工程設計提供依據。

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地基基礎

上海某地鐵上蓋項目大桁架下樁基礎設計的探討

孫抒宇, 王經雨

2022, 38(6): 126-133.

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地鐵上蓋項目一般具有場地受限、基礎沉降控制嚴格的特點,上海某地鐵上蓋項目因采用大桁架的方式橫跨地鐵,上部荷載的集中使得大桁架下樁基礎設計更為困難。為解決因場地受限樁間距不滿足規范要求的問題,本項目采用一種折算方法考慮這一不利因素,計算表明,樁基側阻承載力經折減后,仍可滿足樁基承載力設計要求。分析本項目沉降產生的主要原因,并依據類似工程的資料和試樁數據,對沉降數據進行了分析和預估。研究表明,本工程鉆孔灌注樁沉降的主要原因是樁身壓縮引起的沉降;大桁架下柱下樁基的沉降較小,能滿足地鐵對沉降控制的要求;因場地狹小,大桁架下基礎樁數受限致使樁基水平抗力不足時,可在承臺設置水平傳力板的方式解決過大的水平力。

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地基基礎

橋梁水下樁基病害分級區間確定方法研究

張培旭

2022, 38(6): 134-143.

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針對我國現有橋梁水下樁基病害損傷程度評定的相關分級標準存在評估指標難以定量化、分級標度不統一、劃分過程主觀性較強等不足,提出一種病害程度區間定量劃分的方法,該方法將橋梁水下樁基常見病害分級標度統一為5級,并將有限元計算數據作為確定各標度區間范圍的分析依據,以增強病害分級評定的客觀性。首先,采用有限元軟件ABAQUS研究了水下樁基6種常見病害對橋梁樁基水平承載力的影響程度;其次,根據有限元計算結果,基于類相關離散化思想將不同病害的損傷程度統一劃分為5個連續區間;最后,對照現有規程給出的病害分級評定標準,驗證了所提出的病害分級評定標準確定方法的正確性和科學性,為橋梁水下樁基安全評估奠定了基礎。

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工程施工

廈門后溪長途汽車站移位監測系統的設計與實現

謝麗宇, 管帥, 盧文勝, 藍戊己, 束學智

2022, 38(6): 144-151.

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在廈門后溪長途汽車站進行整體旋轉移位過程中,為保證房屋整體在移位過程中的安全,使用了移位監測系統對結構進行監測。首先介紹了廈門后溪長途汽車站移位施工的方案和主要技術流程;說明了廈門后溪長途汽車站移位監測系統的設計原則和方案,布置各傳感器的測點位置,介紹了各傳感器的參數及現場安裝狀態;最后,對移位全過程的傳感器數據進行分析總結。結果表明,廈門后溪長途汽車站移位過程平穩,傳感器無異常數據,在移位過程中結構處于安全狀態。此次監測為移位工程的監測設計起到示范和推動作用,具有一定的借鑒意義。

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工程施工

高層建筑新型大跨鋼-混凝土轉換桁架施工力學性能分析

李子云, 郭孟濤, 李運富, 李勝利

2022, 38(6): 152-160.

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大跨型鋼-混凝土轉換層桁架是一種新型高層建筑結構轉換形式,監測并分析其施工期力學性能對高層建筑安全至關重要。結合實時監測和數值模擬兩種方法對高層建筑新型大跨型鋼-混凝土轉換層桁架的力學特性進行了分析。以位移和應力為指標,對比并驗證了實時監測和數值模擬結果的一致性,總結出該新型大跨型鋼-混凝土轉換層桁架的力學性能。結果表明：整個施工過程中,實時監測和數值模擬所得轉換層桁架各桿件的應力和位移結果均滿足規范要求,且有較大的安全裕度;施工樓層越高,該樓層荷載對桁架應力和位移影響越小;腳手架拆除階段,桁架位移會出現大幅上升。本文采用的有限元計算方法可用于新型大跨型鋼-混凝土轉換層桁架的力學性能分析。

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工程施工

車站主體與附屬同步施工及連接處漏水處理研究

王鵬, 阮永芬, 朱強

2022, 38(6): 161-167.

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常規地鐵站點施工都是主體結構基坑先開挖,待主體結構完工封頂后才進行附屬基坑的開挖,這會使施工周期大大變長,而且還會造成主體基坑的部分結構二次開挖及二次支護的成本增加。滇池湖相沉積的地層較為特殊,由工程性質較差及靈敏度較高的軟土組成,為避免二次開挖對周圍土體帶來過度擾動和節約工期,探索采用主體與附屬結構基坑同步施工的施工工藝。以昆明地鐵巫家壩站項目為依托,在湖相沉積的軟土場地采用主體和附屬結構基坑同時開挖的施工工藝。對此施工方法、步驟、工藝措施、實施后連接處的變形縫出現錯位及滲漏水等問題進行了研究,結合監測數據對出現問題的原因進行了分析,并采取了有針對性的處理措施確保工程安全,可為地鐵站點主體與附屬施工提供一種新的施工措施,也為類似工程分析及問題處理提供參考。

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工程施工

鄭州南站承軌層鋼骨混凝土復雜節點施工模擬與云監測技術研究

陳文韜, 王靜峰, 余其俊, 蘇杭

2022, 38(6): 168-175.

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鄭州南站是“中國鐵路心臟”——鄭州的四大綜合交通樞紐之一,其承軌層勁性混凝土結構具有鋼骨及節點形式復雜和類型多樣的特點,本項目車場總規模達16臺32線且施工現場環境復雜。本文針對鄭州南站承軌層工程中的鋼骨混凝土復雜節點建立了精細化數值計算模型,并對其施工過程進行了仿真模擬。研發了一種云平臺數據處理和實時監測系統,合理確定了監測點位置,并將監測數據與模擬值進行了對比。研究結果表明：本文所建立的BIM模型可對關鍵復雜節點的施工技術進行虛擬動態化展示;云平臺數據處理和實時監測系統在本工程中的監測結果符合預期,為施工安全提供了有力的保障。

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設計方法與研究

城市高架簡支預制槽形鋼混組合梁設計及經濟性參數分析

王清泉, 趙煒, 蘇慶田

2022, 38(6): 176-184.

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為對城市高架簡支預制槽形鋼混組合梁進行合理設計,選取了跨間中橫梁布置、橫斷面布置（主梁根數）、梁高、橋面寬度等結構設計因素,進行各參數設定下的組合梁橋面板及鋼梁配板計算分析,得到以下結論：①在均滿足結構受力需求的前提下,設置跨間中橫梁使造價略有增加、影響施工速度和景觀性能,僅設置端橫梁即可;②一般情況下大開口少梁的布置方式比小開口多梁的布置方式更節約造價;③ 30 m跨徑的組合梁經濟梁高為1.6~1.8 m,35 m跨徑經濟梁高為1.8~2.2 m,40 m跨徑經濟梁高為2.0~2.4 m。

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設計方法與研究

折線配筋先張法工字梁荷載橫向分布系數計算方法及橫隔梁設計

張哲元, 林英, 王建輝, 鄧青兒, 張科乾

2022, 38(6): 185-191.

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折現配筋先張梁避免了后張法預應力混凝土梁在孔道施工工藝和耐久性能等方面的缺點,提高了預應力混凝土結構的力學適應性,因而在橋梁工程中有著廣闊應用前景。在實際工程中常采用荷載橫向分布系數的概念將空間多梁體系簡化為單梁體系進行分析計算,但這種簡化計算方法隨著跨度、橋寬的增加和橫隔梁間距的調整將對實際結構的空間受力狀態產生不可忽視的影響。因此,本文建立折線配筋先張法工字梁空間三維有限元模型,著重研究折線配筋先張法工字梁的空間受力行為,通過比較各種荷載橫向分布系數計算方法與實際空間受力的誤差,提出合理適用的方法并通過研究橫隔梁間距對主梁空間受力的影響,提出合理的設計參考值。

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設計方法與研究

湛江吳川機場航站樓結構設計

陳進于, 區彤, 丘友威

2022, 38(6): 192-201.

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湛江吳川機場航站樓結構設計過程中重點解決以下問題：通過對大跨度、大懸臂屋蓋的結構體系選型及內力分析,以滿足建筑使用和結構受力,力求結構形式經濟合理;采用預應力管樁基礎和沖孔灌注樁基礎結合形式,在滿足不同荷載條件和受力要求的情況下提高經濟指標。采取設計、材料及施工等層面有效措施,解決各單體結構超長、溫度應力及混凝土收縮應力較大的問題,滿足結構耐久性設計要求。對航站樓屋蓋進行了基于大空間升溫曲線的整體防火分析,得出大空間屋蓋網架的防火規律。對布置不同位置的黏滯阻尼支座在風振分析下的效果進行評估,并對相關受力性能進行重點分析,保證節點受力性能,保障航站樓在強臺風高發區的風振可靠性。

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文獻綜述

高強鋼結構抗火性能研究現狀

歐陽輝, 鄭曉芬, 程浩

2022, 38(6): 202-213.

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隨著近年來冶金技術的不斷精進,越來越高強度的結構鋼不斷出現,其優異的物理、力學性能使其迅速應用到相關工程中。而與普通鋼材類似,高強度鋼結構抗火性能問題仍然十分突出。近20年來,高強鋼抗火性能研究也開始起步。本文通過對高強度鋼結構的鋼材火災高溫與火災后力學性能、高強鋼構件和節點抗火性能、高強鋼結構抗火性能方面進行了系統的考察和總結,最后對研究不足的問題進行討論與展望。目前高強鋼結構抗火性能研究還處于初步階段,研究表明,高強鋼的高溫力學性能與抗火性能與已有的國內外相關規范均有不同程度的偏差,不能直接套用。

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