結構工程師

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結構分析

預制橋面板齒槽-U筋濕接縫受力機理分析

王賢林, 李懷峰, 劉玉擎

2023, 39(1): 1-7.

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為改善裝配式橋梁預制橋面系連接性能,提升施工效率,提出一種新型齒槽-U筋濕接縫構造。通過非線性有限元模型,從混凝土應變、結合面接觸應力、U筋應力等方面分析了其受力機理,并對抗彎性能影響因素開展了參數化研究。結果表明：新型濕接縫彎曲破壞過程中,依次發生預制板齒槽根部混凝土開裂、結合面漸進損傷脫黏、U筋受拉屈服,最終因頂部混凝土壓潰導致結構失效。模型存在明顯的彈性段、彈塑性段和屈服段。所提出的濕接縫構造U筋傳力可靠,極限荷載時已發生屈服。有齒槽模型開裂荷載較無齒槽模型提高30.1%。濕接縫模型抗彎承載力受U筋直徑、橋面板厚度影響較大。濕接縫長度對裂后剛度與延性存在影響。

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結構分析

螺栓連接預制裝配式混凝土剪力墻承載力計算方法

吳水根, 張海鵬, 潘鉆峰, 顧征宇

2023, 39(1): 8-14.

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近年來,隨著國家大力推動建筑工業化的發展,預制裝配式剪力墻結構得到了廣泛的應用。為了減少現場施工過程中的濕作業,在保證預制混凝土剪力墻接縫連接質量可控的基礎上,提出了一種新型螺栓連接預制裝配式混凝土剪力墻。在剪力墻構件受力核心區域（邊緣構件）處的連接設計上采用“等強度替換”原則,即邊緣構件處連接螺栓抗拉強度大于對應連接鋼筋的抗拉強度。隨后,結合國家相關現行規范,對螺栓連接預制裝配式混凝土剪力墻承載力進行了計算,并與有限元模擬結果進行了對比驗證。結果表明：正截面承載力計算值與有限元模擬結果基本吻合;通過對比剪力墻斜截面抗剪承載力計算值與有限元模擬值發現,對小剪跨比的剪力墻來說,其最大水平推力模擬值大于其抗剪承載力,剪力墻的破壞模式為剪切破壞,并與混凝土損傷云圖進行了對比驗證;水平接縫處抗剪承載力的計算結果表明螺栓連接剪力墻結合面在水平方向具有很大的安全儲備,構件在加載過程中不會出現水平方向的相對剪切滑移。

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結構分析

冷彎薄壁型鋼軸壓構件整體穩定承載力的概率分布

徐遲, 李杰

2023, 39(1): 15-19.

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對冷彎薄壁型鋼軸壓構件整體穩定承載力的統計特征進行了量化描述,選擇屈服強度和偏心距為基本隨機變量,確定其數字特征和概率分布;基于Perry公式研究了隨機性的傳遞過程,給出了穩定承載力的數字特征與概率分布規律。理論分析結果與試驗結果進行對比,結果表明采用隨機性的傳播方法可以預測整體穩定承載力的統計特征。

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結構分析

水平荷載作用下板柱結構等代梁寬度系數研究

高亮, 王朋, 張良, 于婧

2023, 39(1): 20-29.

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針對已有水平荷載作用下板柱結構等代梁寬度系數的研究進行總結,對比分析了已有研究成果存在的優缺點。通過對板柱結構在彈性階段水平荷載作用下的等代梁寬度系數進行理論分析,采用ABAQUS有限元軟件進行模擬分析,針對水平荷載作用下板柱結構等代梁寬度系數進行了修正;基于對板柱結構在彈塑性階段下等代梁寬度系數的探討,修正了已有研究所提出的板開裂彎矩中的截面抵抗矩塑性系數。

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結構分析

考慮組合效應對鋼結構廠房剛度性能影響分析

袁越, 陶修, 譚繼可, 趙軒, 陳春君, 聶影, 王宇航

2023, 39(1): 30-38.

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為研究樓板與鋼梁的組合效應對鋼結構廠房剛度性能的影響,通過YJK軟件參考實際項目圖紙進行參數化建模,建立不考慮樓板組合效應的模型和按規范考慮樓板組合效應的模型。分析了考慮樓板組合效應對鋼結構廠房模態和地震動力響應的影響,并在剛性樓板和組合梁的模型中研究不同板厚對組合效應發揮的影響。研究表明,我國規范考慮樓板作用的剛度放大系數偏小,不適用于鋼結構工業廠房結構;樓板的組合效應可提高結構剛度,減少結構層間位移,提高結構抗震能力;隨著板厚增大,組合效應發揮的作用相對減小,在板厚較小的時候考慮組合效應有更好的經濟效益。

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結構分析

大直徑組合風電塔柱受力性能研究

劉榮, 孫醒陽, 葉恒達

2023, 39(1): 39-45.

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針對15 MW級大功率海上風力發電設施,提出雙層鋼殼內填充混凝土的組合風電塔柱結構。為明確該組合塔柱設計方案的合理性,通過實體-板殼有限元分析和理論計算,對比組合塔柱及鋼塔柱的受力性能。研究結果顯示,相比于以往大直徑鋼塔柱,依據橫截面抗彎能力等效而設計的組合塔柱可使塔柱外徑降低約15%,最大鋼塔壁厚度降低約50%。組合塔柱填充混凝土為鋼塔壁提供側向約束而避免鋼塔柱局部屈曲,使得組合塔柱不利節段的抗壓承載力提高32%~45%。組合塔柱提高截面抗彎模量而使鋼塔壁最大活載彎曲應力減小約13%,有利于減小該風電塔柱的風載疲勞效應。雙層鋼殼與混凝土組合塔柱可改善獨柱式風電塔柱的受力性能,降低加工及吊裝難度,節約鋼材用量,可供大功率風電塔柱設計參考。

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結構分析

基于自適應最稀疏時頻分析的電力線線夾段缺陷檢測研究

楊昌群

2023, 39(1): 46-55.

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電力鋼絞線是電能輸送的載體,電塔上的懸垂線夾是提拉電力鋼絞線的關鍵部件。懸垂線夾結構具有半封閉特點,導致線夾內的鋼絞線在受到風載、雨水侵蝕或雷擊等外部作用后,更易產生較為隱蔽的缺陷。為有效檢測線夾段架空線纜的狀態,根據線纜的常見缺陷特征及導波特性,提出了一種基于ASTFA和信號時頻熵的損傷識別方法。首先,對GJ100型鋼絞線中的導波傳播特性進行分析;其次,引入自適應最稀疏時頻分析算法和時頻熵構建損傷評估指標,并對有限元仿真信號進行指標計算,初步驗證該指標的有效性;最后,實驗室及現場的實驗證明了該方法具有可行性。結果表明：（1）低頻低階縱向導波更適用于鋼絞線檢測,本文選取64 kHz的L（0,1）模態;（2）隨著損傷程度的增加,損傷評估指標的值上升,且導波頻率對指標值的影響有限;（3）根據實驗劃分了損傷程度評價范圍,現場試驗證明該指標較為可靠。

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結構分析

基于遞歸圖的結構損傷識別

諸锜, 段元鋒, 章紅梅

2023, 39(1): 56-60.

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結構損傷檢測是建筑、機械等工程領域中的一大熱點,通過振動信號對結構進行整體評估,了解結構當前的狀態,并基于此為結構的運營維護提供參考依據,具有重要工程意義。遞歸圖具有能反映結構內部特性的特點,遞歸圖定量分析方法常用于分析結構的信號遞歸圖,本文使用五層鋼框架模型實驗探討了利用該方法進行結構損傷識別的可行性。

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抗震與抗風

考慮幾何參數影響的聯肢剪力墻抗震性能研究

鄧又民, 付俊杰, 伍云天, 何飛

2023, 39(1): 61-70.

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耦聯比是反映聯肢剪力墻墻肢與連梁的耦合作用程度的重要參數。然而,耦聯比與結構體系的非線性特征高度相關,導致在結構初步設計階段難以確定。因此,有必要引入在初步設計階段即可方便確定的其他參數。本研究采用連梁跨高比和墻肢高寬比來代替耦聯比,設計了9個聯肢剪力墻原型結構,利用增量動力分析方法,研究了連梁跨高比和墻肢高寬比對鋼筋混凝土聯肢剪力墻地震易損性特征和極限承載力的影響。采用雙因子二次響應面法進一步揭示了連梁跨高比和墻肢高寬比的組合對聯肢剪力墻整體性能的影響,得到響應變量的最優值,并利用曲線擬合找出連梁跨高比和墻肢高寬比最優關系。結果表明,連梁跨高比和墻肢高寬比可以有效地作為耦聯比的補充,在初步設計階段作為衡量鋼筋混凝土聯肢剪力墻的整體抗震性能的參數。

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抗震與抗風

黏滯阻尼器縮尺相似設計方法研究

劉強, 李培振

2023, 39(1): 71-78.

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縮尺是解決靜力與動力試驗中條件與成本限制的常用方法之一,縮尺相似設計方法是再現足尺結構特性的關鍵環節,而黏滯阻尼器的縮尺相似設計方法對縮尺消能結構試驗的精度具有重要影響。黏滯阻尼器在縮尺后阻尼指數很難保持一致,所以需要對縮尺后的黏滯阻尼器進行縮尺等效。從黏滯阻尼器理論分析入手討論了黏滯阻尼器的恢復力模型與滯回耗能特性,并分析了阻尼指數對于滯回耗能影響。分別以線性與非線性黏滯阻尼器為足尺構件,分別研究了力位移等效法、能量位移等效法與力能量等效法縮尺模擬精度,以及阻尼指數對縮尺模擬精度進行分析。結果表明,線性黏滯阻尼器三種方法均一致,非線性黏滯阻尼器采用能量位移等效法得到的滯回曲線與縮尺目標最接近。足尺阻尼指數越大得到的滯回曲線與縮尺目標越接近,縮尺阻尼指數與足尺越接近滯回曲線與縮尺目標越接近。

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抗震與抗風

“互”形節點鋼框架抗震性能的有限元分析

方鄆龍, 郁有升

2023, 39(1): 79-90.

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為研究“互”形節點鋼框架的抗震性能,設計了三種不同節點形式的一榀兩層單跨鋼框架,分別為無懸臂梁段普通標準連接節點鋼框架OSF、帶懸臂梁段普通栓焊混合連接節點鋼框架OHF和“互”形節點鋼框架HXF,利用有限元軟件ABAQUS對三種節點形式的鋼框架進行了擬靜力加載分析。同時,為分析P-Δ效應對“互”形節點鋼框架抗震性能的影響,對5種不同荷載工況下的“互”形節點鋼框架模型進行了有限元模擬。有限元分析結果表明：與其他節點形式鋼框架相比,“互”形節點鋼框架滯回曲線更加飽滿,滯回環的面積更大,延性更好,剛度退化更慢,耗能能力更強。受P-Δ效應影響,柱頂豎向荷載越大,“互”形節點鋼框架的極限承載力和耗能能力下降越顯著。在施加柱頂荷載時,柱頂集中力作用工況下的“互”形節點鋼框架受P-Δ效應影響更加顯著,更符合真實的工況環境;梁上荷載對“互”形節點鋼框架的極限承載力和延性影響較大,在設計時不應忽略。

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抗震與抗風

上海滴水湖皇冠假日酒店單層球面網殼在累積損傷及初始缺陷影響下的地震響應分析

李占鴻, 李元齊, 杭笑洋, 白雪

2023, 39(1): 91-98.

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上海滴水湖皇冠假日酒店球形大堂區采用單層球面網殼結構,為了解單層網殼在強震作用下的地震響應,本文應用Xue-Wierzbicki鋼材損傷準則并考慮初始缺陷,建立全跨活荷載及半跨活荷載的單層網殼有限元模型,分析多組三維地震動下多個模型的響應,研究單層球面網殼在不同峰值地震動作用下的損傷發展程度及破壞模式,得到如下結論：罕遇地震作用下,網殼各桿件均處于彈性狀態,結構抗震性能滿足要求;當地震波峰值加速度較大時,網殼出現整體破壞情況,且不同地震波作用下破壞模式不同;當網殼桿件應力處于彈性或者強化段時,活荷載加載方式不同對其地震響應的影響可以忽略,當網殼部分桿件進入軟化段、產生了不可恢復的塑性變形時,不同活荷載加載方式下頂部中心點豎向位移產生明顯差異。

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抗震與抗風

大跨越輸電鐵塔位移風振系數時頻域計算分析

劉亮, 楊風利, 王章軒, 邵帥, 朱姣, 沈文韜

2023, 39(1): 99-106.

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大跨越輸電塔是風敏感結構,位移風振系數對跨越塔選型優化具有重要意義。以典型500 kV大跨越輸電塔為研究對象,分別在ANSYS中建立了單塔和塔線體系有限元模型,通過模態分析得到了跨越塔前3階自振頻率,按照隨機振動理論計算了跨越塔整體位移風振系數,跨越塔位移風振系數與高度無關。通過非線性風振響應時程分析,得到了跨越塔典型風壓分段代表節點的位移時程曲線,基于有限元計算結果計算了跨越塔各風壓分段的位移風振系數及整塔加權值,位移風振系數時域計算值沿高度變化不大。跨越塔位移風振系數頻域計算值為1.54,比按照塔線耦合模型在時域計算的位移風振系數整塔加權值低12.9%。

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試驗研究

帕德瑪大橋摩擦擺隔震支座型式試驗及性能分析

李歆, 趙斌, 徐奇, 何巍, 彭勝利

2023, 39(1): 107-115.

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摩擦擺隔震支座具有廣泛應用前景。孟加拉國帕德瑪橋梁工程為“一帶一路”重要交通工程,采用了摩擦擺隔震支座,以保障橋梁安全。本文首先介紹了試驗采用的大噸位多功能試驗機及其主要技術參數,其次采用歐洲EN 15129：2009標準規定對帕德瑪大橋采用的兩種摩擦擺隔震支座進行了型式試驗和性能評估分析。結果表明：摩擦擺隔震支座的滯回曲線飽滿,耗能效果良好,具有穩定的力學性能及較好的隔震性能,滿足設計要求。試驗結果為該隔震支座的實際工程應用提供了試驗驗證,確保了該工程的抗震安全性。

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試驗研究

預制裝配地鐵車站支吊架豎向連接雙向容錯支座設計

賴鵬邦, 李佶宏, 胡方鑫, 侯爽

2023, 39(1): 116-122.

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預制裝配式結構可提高施工效率以及結構抗震與耐久性能。目前,國內地鐵車站中開始使用預制裝配結構。支吊架的預埋套筒連接可避免后錨固易損傷混凝土、錨固質量不易控制等問題,其容錯設計是該技術應用的關鍵。為此,首先提出了一種與預埋套筒及下部豎向支吊架構件連接的雙向容錯支座的結構形式,該支座包括與預埋套筒連接的n形板及與下部豎向構件連接的頂座,通過在n形板頂板分別設置兩個方向長孔實現雙向容錯;其次,提出了該支座的有限元建模方法,分析了設計荷載下支座的應力分布及變形性能,研究了該支座的安全儲備及套筒預埋誤差對其變形性能影響;最后,通過試驗分別研究了支座三個方向的承載能力和變形性能。研究表明,提出的預制裝配地鐵車站支吊架豎向連接雙向容錯支座滿足其設計荷載下的應力及變形需求,且具有較好的安全儲備。

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試驗研究

H型鋼梁柱新型全栓接節點的試驗研究與有限元模擬

李祖瑋, 潘文, 蔣文龍

2023, 39(1): 123-131.

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為研究一種H型鋼梁柱新型全栓接節點的性能,制作了4個不同構造方式的新型和傳統全栓接節點進行對比試驗,并建立有限元分析模型與試驗結果進行對比。試驗和有限元分析主要研究節點的半剛性特性、M-θ骨架曲線、滯回曲線、破壞模式和應力分布情況。結果表明：有限元分析結果與試驗值吻合度較高,新型全栓接節點強軸方向的性能和破壞模式與傳統栓接節點基本一致,均為梁端部出現塑性鉸,避免節點及柱子出現嚴重損傷;其弱軸方向的性能和破壞模式與傳統栓接節點差異較大,具有更好的承載能力、滯回性能及延性,節點及柱子的損傷較小。

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試驗研究

碳纖維板-角鋼-體外預應力索聯合加固梁試驗

李碧卿, 姜濤, 徐文平, 李今保, 陳凱

2023, 39(1): 132-140.

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針對鋼筋混凝土原梁,采用粘貼碳纖維板-外包角鋼-體外預應力鋼絞線三種加固技術,形成聯合加固梁。本文制作了六根試驗梁,進行荷載試驗研究,研究聯合加固梁的工作機理,進行裂縫發展和破壞極限狀態的分析研究。研究表明：粘貼碳纖維板-外包角鋼-體外預應力三種加固技術協同工作,外包角鋼的彎曲反彈恢復力和預應力鋼絞線的豎向分力對碳纖維板提供了壓力,可在碳纖維板面與鋼筋混凝土原梁底面兩者界面層產生摩擦力,摩擦力可以避免碳纖維板材的粘結滑移破壞,聯合加固梁可以大幅度提高原梁結構的開裂荷載、結構剛度和極限承載力,聯合加固梁臨近破壞時,三種加固材料的強度可得到充分發揮,加固效果優良。

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試驗研究

風嘴對流線形鋼箱梁渦振性能影響試驗和CFD研究

康福軍, 郭峰, 王俊, 李加武

2023, 39(1): 141-147.

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為了研究風嘴對流線形鋼箱梁渦振性能的影響,以順德斜拉橋為工程背景,通過節段模型測振風洞試驗研究流線形鋼箱梁渦振性能,研究發現：原設計斷面在成橋狀態出現超過規范限值的豎彎渦振和扭轉渦振;為提高風洞模型試驗效率,首先采用CFD的方法分析了62°、50°和40°風嘴對斷面流場特性的影響,結果表明小角度風嘴可以進一步強化斷面流線形、降低迎風側的負壓力并改變斷面漩渦的規模和位置。隨后通過主梁節段模型風洞試驗驗證了40°風嘴的氣動優化措施能較好地消減渦振,該研究可為流線形鋼箱梁渦振性能研究提供參考。

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地基基礎

盾構隧道穿越人行天橋樁基的變形控制技術研究

周錦強, 王海林, 楊雄, 毛明山, 王海超

2023, 39(1): 148-154.

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為解決盾構穿越自穩能力差地層橋樁沉降控制困難的問題,依托鹽田路站—北山道站區間穿越雙擁公園人行天橋的工程實例,結合數值分析與現場沉降監測,分析了盾構下穿人行天橋樁基沉降變形特征,提出了針對性的施工控制技術。研究結果表明：盾構開挖面距橋樁-10~10 m （-1.5D~1.5D）掘進期間,對下穿橋樁影響最大,7號橋樁沉降3.10 mm,占橋樁最大累計沉降量的83%,8號橋樁沉降3.90 mm,占橋樁最大累計沉降量的77%。盾構開挖面距橋樁-6~6 m （-1.0D~1.0D）掘進期間,對側穿橋樁影響最大,9號橋樁沉降1.82 mm,占橋樁最大累計沉降量的58%。提出的地表注漿聯合洞內注漿加固和盾構控制掘進的方式確保了人行天橋整體結構的安全與穩定性,可為今后類似工程提供借鑒與參考。

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地基基礎

左手抗浮右手減沉——抗浮車庫中樁基抗拔與抗壓的實踐研究

王欲秋, 杜鵬

2023, 39(1): 155-160.

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地下車庫采用樁基抗浮時,其受壓工況的計算一直不太明確。結合工程實例,分別在單層和兩層抗浮車庫中,采用柱墩筏板+抗拔樁（減沉樁）的基礎形式,樁基數量以抗浮工況確定,受壓工況下采用減沉疏樁復合樁基的設計方式,實現以最少的樁基數量滿足抗浮又能合理發揮天然土層承載力的目的,達到安全、經濟、受力合理的目的。該方法是一種較為簡化的設計方法,但其理論依據清晰,安全度可以滿足要求。

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工程施工

寧波軟土地區雙線隧道上穿施工對既有隧道變形性狀的影響

劉喜東

2023, 39(1): 161-168.

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為了估計寧波軌道交通5號線同德路站-石碶站上穿既有2號線鄞州大道站-石碶站對既有隧道變形性狀的影響,采用數值模擬結合現場監測數據的方法,分析了上穿施工時既有隧道沉降與水平收斂的變化特征。結果表明：5號線下行線開挖對既有2號線隧道產生的隆起明顯大于5號線上行線開挖造成的隆起;5號線雙線貫通時,隆起值的峰值處于兩個交叉點連成的直線范圍內,此時2號線隧道沉降值呈“幾”形分布;5號線上穿隧道的開挖對既有2號線隧道的水平收斂影響微小;既有隧道2號線水平收斂主要受上穿隧道5號線上行線隧道即先開挖一側隧道所影響;上穿隧道先開挖一側施工過程中,既有隧道隆起速度最大、交叉處隆起較快;隨著上穿隧道的開挖,交叉處既有隧道水平收斂方向以向內為主、收斂量逐漸增大、收斂速度在上穿隧道即將貫通時最大。

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設計方法與研究

基于雙向進化遺傳算法的管道鋼結構支架優化設計

李瑞, 李震, 楊靖庭, 劉連文, 范金鵬

2023, 39(1): 169-175.

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為進一步優化管道鋼結構支架,提高管道支架的穩定性,基于漸進結構優化算法、雙向漸進結構優化算法以及遺傳算法提出了雙向進化遺傳算法,實現管道鋼結構支架優化設計。以待優化的管道鋼結構支架初始結構為出發點,以支架單元的應變能靈敏度分析為基礎,利用遺傳算法完成算法的雙向進化。通過有限元分析軟件ANSYS內的參數化編程語言APDL完成算法編程并模塊化算法程序,為得到合理、經濟的管道鋼結構支架優化設計準則,對其展開拓撲優化設計,按照支架的優化結果與加工工藝提出管道鋼結構支架的改進策略,減少支架質量的同時分析驗證優化后的支架結構。驗證結果表明,優化設計后的管道鋼結構支架,其應力、變形量以及模態等均符合使用需求。

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設計方法與研究

裝配整體式框架-預制核心筒結構裝配式設計策劃

劉春年, 王能林

2023, 39(1): 176-183.

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案例中項目是我國首例裝配整體式混凝土框架-預制核心筒結構,項目為AAA級裝配式建筑,也是三星級綠色建筑。通過前期策劃裝配式結構體系選型、裝配式方案,結合設計、生產、運輸和吊裝條件,對裝配式圍護墻、裝配式樓蓋、預制核心筒和預制混凝土柱的結構設計和拆分進行策劃。闡述各策劃邏輯,探索預制核心筒技術的應用,為類似裝配式辦公建筑項目的策劃、結構設計和拆分的實施提供參考,為項目的高效順利施工創造條件,并為此類項目的標準化設計工作進行鋪墊,同時促進我國新型建筑工業化中混凝土裝配式技術全面發展。

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設計方法與研究

裝配式鋼筋混凝土加裝電梯結構設計

馬澤峰, 方林, 李承銘

2023, 39(1): 184-190.

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提出可廣泛適用于既有住宅加裝電梯工程的裝配式鋼筋混凝土加裝電梯結構,既適用于半層入戶形式的裝配式鋼筋混凝土剪力墻-懸挑梁結構,又適用于平層入戶的裝配式鋼筋混凝土異形柱框架-剪力墻結構。具體介紹了此結構的標準化預制形式及安裝方式。通過對結構模型整體指標分析、底層坐漿拼接處正截面性能化設計、剪力墻水平坐漿縫抗剪強度驗算等,詳細論述了結構的剛度及承載能力,并指出結構應用的關鍵技術點,提出標準設計流程。

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文獻綜述

木結構無損檢測技術研究與應用綜述

熊海貝, 龍有為, 陳琳, 丁葉蔚

2023, 39(1): 191-201.

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木結構無損檢測技術對于我國古木建筑預防性保護和現代木結構的智能運維有著重要作用。以檢測方法的基本原理為分類標準,介紹了各種無損檢測方法的原理和在木結構檢測中的適用范圍、應用情況、研究現狀和現存問題,涉及的檢測方法包括常用的目視法、應力波法、微鉆阻抗法和前沿探索性方法,如計算機視覺法、壓電傳感法、電磁波法等,最后探討了木結構無損檢測的發展趨勢。

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