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2020年 第35卷 第5期
2020, 35(5): 1-9.
doi: 10.13206/j.gjgS20030902
摘要
PDF (6988KB)
摘要:
冷弯薄壁型钢柱可以做成多种截面形式，其中最常用、研究最多的是U形截面（又称槽形截面）和C形截面。然而，冷弯薄壁型钢柱在拥有自重轻、施工周期短等优点的同时，也容易发生屈曲破坏，不利于结构受力。以往的研究表明：带有复杂卷边的冷弯薄壁槽钢柱（又称G形截面柱）具有较高的极限承载力以及畸变屈曲临界应力。采用试验及有限元分析方法，对两端铰接G形截面柱的轴压受力性能进行研究。
为了解不同截面尺寸以及构件长度对G形钢柱破坏模式和极限承载力的影响，对18根名义厚度为2.0 mm的冷弯薄壁G形截面柱进行了轴压试验，分析了构件的破坏模式、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线以及极限承载力。构件共有三种截面尺寸（名义腹板高度分别为150，200，300 mm），构件长细比的变化范围为15~70。试验前对构件的实际尺寸、材料属性和初始几何缺陷进行了测量。试验中观察到：名义腹板高度为150 mm的构件发生畸变屈曲破坏；对于名义腹板高度为200 mm和300 mm的构件，当构件长度小于或等于1 000 mm时，发生局部屈曲破坏，其余长度的构件发生局部与整体相关屈曲破坏，局部屈曲的半波长度与柱子腹板高度大致相等。
然后在有限元分析软件ABAQUS中建立有限元模型对构件进行模拟，并基于试验结果验证了模型的准确性。随后利用验证后的有限元模型分析截面翼缘宽厚比、腹板高厚比和复杂卷边尺寸对冷弯薄壁G形截面柱极限承载力的影响。结果表明，G形截面柱极限承载力随着翼缘宽厚比以及复杂卷边尺寸的增加而增加，随着腹板高厚比的增加而降低。
冷弯薄壁型钢柱可以做成多种截面形式，其中最常用、研究最多的是U形截面（又称槽形截面）和C形截面。然而，冷弯薄壁型钢柱在拥有自重轻、施工周期短等优点的同时，也容易发生屈曲破坏，不利于结构受力。以往的研究表明：带有复杂卷边的冷弯薄壁槽钢柱（又称G形截面柱）具有较高的极限承载力以及畸变屈曲临界应力。采用试验及有限元分析方法，对两端铰接G形截面柱的轴压受力性能进行研究。
为了解不同截面尺寸以及构件长度对G形钢柱破坏模式和极限承载力的影响，对18根名义厚度为2.0 mm的冷弯薄壁G形截面柱进行了轴压试验，分析了构件的破坏模式、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线以及极限承载力。构件共有三种截面尺寸（名义腹板高度分别为150，200，300 mm），构件长细比的变化范围为15~70。试验前对构件的实际尺寸、材料属性和初始几何缺陷进行了测量。试验中观察到：名义腹板高度为150 mm的构件发生畸变屈曲破坏；对于名义腹板高度为200 mm和300 mm的构件，当构件长度小于或等于1 000 mm时，发生局部屈曲破坏，其余长度的构件发生局部与整体相关屈曲破坏，局部屈曲的半波长度与柱子腹板高度大致相等。
然后在有限元分析软件ABAQUS中建立有限元模型对构件进行模拟，并基于试验结果验证了模型的准确性。随后利用验证后的有限元模型分析截面翼缘宽厚比、腹板高厚比和复杂卷边尺寸对冷弯薄壁G形截面柱极限承载力的影响。结果表明，G形截面柱极限承载力随着翼缘宽厚比以及复杂卷边尺寸的增加而增加，随着腹板高厚比的增加而降低。
2020, 35(5): 10-18.
doi: 10.13206/j.gjgS20022301
摘要:
国内将直立锁边金属屋面系统引进后，对其传力原理和受力性能方面的研究尚未成熟，不利于此类屋面体系的推广应用。直立锁边金属屋面系统涉及的问题具有综合性、复杂性，需要大量科研工作予以解决。基于以上问题，针对性地对直立锁边金属屋面卷边咬合处展开相关研究。
首先介绍了金属屋面的构造，通过对铝镁锰直立锁边金属屋面系统构造的初步分析得到了屋面板抗风原理：最顶层的屋面板首先向上变形，将上升力通过锁边咬合构造传给支座，支座再将荷载由自攻螺钉传至檩条，最后再分配给主体结构。传力顺序为风吸荷载→屋面板→固定支座→自攻螺钉→檩条→主体结构。
利用非线性有限元软件MIDAS FEA模拟该屋面系统受风荷载作用下的破坏全过程，对直立锁边金属屋面系统的抗风性能进行研究。结合国内对金属屋面系统抗风揭破坏性能所做的研究，分别在屋面板平板及竖向板肋上施加满布均匀荷载2 kN/m2和5 kN/m2，分析不同荷载下屋面板的受力及变形情况，得到了不同位置节点处的Mises应力云图。分析发现：在2 kN/m2均布荷载作用下，支座与金属卷边相连接的部位由于相互的挤压和滑移，局部应力较大，达到220 MPa，但此时板面中部位置还停留在比较低的应力水平；在5 kN/m2的均布荷载作用下，屋面板跨中大部分以及支座附近的区域应力已经达到屈服强度；在2 kN/m2的均布荷载作用下，屋面板跨中位置的最大竖向挠度值约为48.18 mm，挠度数值较大，且支座处开口使得两侧板面挠度值大于中间板，需考虑其对整体屋面系统使用状态的影响；当施加在屋面板上的均布风荷载值为5.0 kN/m2时，板跨中挠度为220 mm，这是因为屋面板已经脱离支座，导致挠度迅速变大，此时过大的挠度对屋面板的正常使用产生了不可恢复的影响。通过对屋面板受荷载作用下的变形情况加以分析，可知相邻屋面板在风揭作用下，卷边直肋分别往两边运动，屋面板直立锁边部分与铝合金支座不断摩擦、挤压，随着变形的不断发展，最终脱离支座。因此，直立锁边金属屋面系统在风吸力作用下，屋面板卷边与支座处的咬合连接是最先发生破坏的部位，对此部位应特别注意，必要时应采取相应加强措施。
通过对结构的模态分析，得到其前5阶振型和周期。对屋面板进行风压动力时程分析，得到与各测点对应的锁缝连接处相对位移响应。为提高直立锁边金属屋面系统抗风揭能力，防止局部掀翻，针对不同的工程状况，提出了相应的加强对策。加强处理后，直立锁边金属屋面系统的使用安全性提高，可为工程设计提供参考。
国内将直立锁边金属屋面系统引进后，对其传力原理和受力性能方面的研究尚未成熟，不利于此类屋面体系的推广应用。直立锁边金属屋面系统涉及的问题具有综合性、复杂性，需要大量科研工作予以解决。基于以上问题，针对性地对直立锁边金属屋面卷边咬合处展开相关研究。
首先介绍了金属屋面的构造，通过对铝镁锰直立锁边金属屋面系统构造的初步分析得到了屋面板抗风原理：最顶层的屋面板首先向上变形，将上升力通过锁边咬合构造传给支座，支座再将荷载由自攻螺钉传至檩条，最后再分配给主体结构。传力顺序为风吸荷载→屋面板→固定支座→自攻螺钉→檩条→主体结构。
利用非线性有限元软件MIDAS FEA模拟该屋面系统受风荷载作用下的破坏全过程，对直立锁边金属屋面系统的抗风性能进行研究。结合国内对金属屋面系统抗风揭破坏性能所做的研究，分别在屋面板平板及竖向板肋上施加满布均匀荷载2 kN/m2和5 kN/m2，分析不同荷载下屋面板的受力及变形情况，得到了不同位置节点处的Mises应力云图。分析发现：在2 kN/m2均布荷载作用下，支座与金属卷边相连接的部位由于相互的挤压和滑移，局部应力较大，达到220 MPa，但此时板面中部位置还停留在比较低的应力水平；在5 kN/m2的均布荷载作用下，屋面板跨中大部分以及支座附近的区域应力已经达到屈服强度；在2 kN/m2的均布荷载作用下，屋面板跨中位置的最大竖向挠度值约为48.18 mm，挠度数值较大，且支座处开口使得两侧板面挠度值大于中间板，需考虑其对整体屋面系统使用状态的影响；当施加在屋面板上的均布风荷载值为5.0 kN/m2时，板跨中挠度为220 mm，这是因为屋面板已经脱离支座，导致挠度迅速变大，此时过大的挠度对屋面板的正常使用产生了不可恢复的影响。通过对屋面板受荷载作用下的变形情况加以分析，可知相邻屋面板在风揭作用下，卷边直肋分别往两边运动，屋面板直立锁边部分与铝合金支座不断摩擦、挤压，随着变形的不断发展，最终脱离支座。因此，直立锁边金属屋面系统在风吸力作用下，屋面板卷边与支座处的咬合连接是最先发生破坏的部位，对此部位应特别注意，必要时应采取相应加强措施。
通过对结构的模态分析，得到其前5阶振型和周期。对屋面板进行风压动力时程分析，得到与各测点对应的锁缝连接处相对位移响应。为提高直立锁边金属屋面系统抗风揭能力，防止局部掀翻，针对不同的工程状况，提出了相应的加强对策。加强处理后，直立锁边金属屋面系统的使用安全性提高，可为工程设计提供参考。
2020, 35(5): 19-26.
doi: 10.13206/j.gjgS255920181109
摘要:
北京新机场航站楼屋顶钢结构因体量大、造型复杂、跨度大、支承构件数量较少且存在异形柱，成为该工程抗震设计的重点和难点。中央大厅北侧屋盖面积大，同时存在大悬挑，整体结构质心偏向北侧，而屋面标高中北侧高、南侧低，支承北侧屋盖的幕墙柱、C形柱柱高较大，抗侧刚度较小，整体结构刚心偏向南侧，会导致钢结构发生扭转。通过调整支承结构布置，增大北侧屋顶支承结构刚度同时减小南侧屋顶支承结构刚度，有效减小结构质心与刚心偏差，提高结构抗扭刚度，降低结构扭转效应。中央大厅屋顶钢结构由六块主要结构单元通过中心采光穹顶及六道中心放射采光带连为一体，采光穹顶及采光带结构为较轻巧的桁架结构，结构厚度较薄，同六块主体网架结构相比，为整体结构相对薄弱的部位。一旦采光穹顶及采光带结构失效，整体结构成为相互独立的六个结构单元，每个结构单元独立承担各自区域荷载，与整体受力状态相差较大。对结构分块模型进行非抗震组合及设防烈度地震组合下的钢构件承载力验算，结果表明，即使中心采光穹顶及六道采光带结构失效，主体钢结构仍有足够的承载能力不发生倒塌破坏。
由于C形柱、钢支撑筒、北侧幕墙支撑框架、独立钢管柱及其他幕墙柱等各类屋顶支承结构构件抗侧刚度差异较大，为提高整体结构在地震作用下的安全性，进行地震作用下的多道防线分析研究。考虑到该工程屋顶钢结构为大跨度空间结构，屋顶支承构件能承担各自负荷质量所产生的地震作用比较合理，对各屋顶支承构件承担重力荷载和地震剪力比例进行分析，对于承担地震剪力比例小于其承担重力荷载比例的屋顶支承构件，按重力荷载比例对其地震剪力进行调整，提高整体结构多道防线抗震能力。
通过建立中央大厅结构动力弹塑性时程分析模型，进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析，重点讨论屋顶支承钢结构与混凝土结构的塑性变形及其发展程度。结果表明，虽有部分构件进入弹塑性工作状态，出现强度、刚度退化，但退化程度不大，整体结构具有足够的能力进行内力重分布以维持其整体稳定性，并承受地震作用与重力荷载。
北京新机场航站楼屋顶钢结构因体量大、造型复杂、跨度大、支承构件数量较少且存在异形柱，成为该工程抗震设计的重点和难点。中央大厅北侧屋盖面积大，同时存在大悬挑，整体结构质心偏向北侧，而屋面标高中北侧高、南侧低，支承北侧屋盖的幕墙柱、C形柱柱高较大，抗侧刚度较小，整体结构刚心偏向南侧，会导致钢结构发生扭转。通过调整支承结构布置，增大北侧屋顶支承结构刚度同时减小南侧屋顶支承结构刚度，有效减小结构质心与刚心偏差，提高结构抗扭刚度，降低结构扭转效应。中央大厅屋顶钢结构由六块主要结构单元通过中心采光穹顶及六道中心放射采光带连为一体，采光穹顶及采光带结构为较轻巧的桁架结构，结构厚度较薄，同六块主体网架结构相比，为整体结构相对薄弱的部位。一旦采光穹顶及采光带结构失效，整体结构成为相互独立的六个结构单元，每个结构单元独立承担各自区域荷载，与整体受力状态相差较大。对结构分块模型进行非抗震组合及设防烈度地震组合下的钢构件承载力验算，结果表明，即使中心采光穹顶及六道采光带结构失效，主体钢结构仍有足够的承载能力不发生倒塌破坏。
由于C形柱、钢支撑筒、北侧幕墙支撑框架、独立钢管柱及其他幕墙柱等各类屋顶支承结构构件抗侧刚度差异较大，为提高整体结构在地震作用下的安全性，进行地震作用下的多道防线分析研究。考虑到该工程屋顶钢结构为大跨度空间结构，屋顶支承构件能承担各自负荷质量所产生的地震作用比较合理，对各屋顶支承构件承担重力荷载和地震剪力比例进行分析，对于承担地震剪力比例小于其承担重力荷载比例的屋顶支承构件，按重力荷载比例对其地震剪力进行调整，提高整体结构多道防线抗震能力。
通过建立中央大厅结构动力弹塑性时程分析模型，进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析，重点讨论屋顶支承钢结构与混凝土结构的塑性变形及其发展程度。结果表明，虽有部分构件进入弹塑性工作状态，出现强度、刚度退化，但退化程度不大，整体结构具有足够的能力进行内力重分布以维持其整体稳定性，并承受地震作用与重力荷载。
2020, 35(5): 27-33.
doi: 10.13206/j.gjgS20021801
摘要:
不锈钢管混凝土结构兼具了普通钢管混凝土良好的力学性能和优越的耐久性特点，不仅因其灌注了混凝土，工程造价上得到相对降低，同时其被应用于海洋平台、海边建筑、桥梁和超高层建筑时，后期维护成本较普通钢管混凝土结构亦得到显著降低，如中国香港的昂船洲大桥和纽约赫斯特大厦等实际工程中已应用不锈钢管混凝土结构。
现行的钢管混凝土结构规范或规程，因对不锈钢显著的后期强化特征未予考虑，承载力计算均偏于保守。为使得不锈钢管混凝土组合结构在应用于实际工程时，其良好的承载力得以准确评估，结合圆形不锈钢管混凝土组合结构在压弯荷载作用下的工况，探讨了圆形不锈钢管混凝土压弯承载力的设计方法。采用现行的中国国家标准GB 50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》、福建省地方标准DBJ/T 13-51-2010《钢管混凝土结构技术规程》、欧洲规范Eurocode 4和美国钢结构协会规范ANSI/AISC 360四本规范对收集到的40根圆形不锈钢管混凝土压弯构件的承载力进行了计算，并将承载力计算值与承载力实测值进行了对比，可知：GB 50936规范的承载力计算值和实测值比值的平均值与方差分别为0.871和0.105；DBJ/T规范的承载力计算值与实测值比值的平均值与方差分别为0.868和0.073；EC4规范的承载力计算值与实测值比值的平均值与方差分别为0.832和0.067；AISC规范的承载力计算值和实测值平均值与方差分别为0.612和0.122。
鉴于上述现行规范或规程计算的圆形不锈钢管混凝土压弯构件的承载力结果均偏于保守，利用有限元软件，建立了圆形不锈钢管混凝土压弯构件有限元模型，在验证模型准确性的基础上，分析了不锈钢屈服强度、截面含钢率、核心混凝土强度和长细比对圆形不锈钢管混凝土压弯构件的轴力-弯矩相关曲线的影响，结果表明：轴力-弯矩相关曲线平衡点的横、纵坐标值随着不锈钢屈服强度和截面含钢率的增大而减小，随着核心混凝土强度的增高而增大；长细比越大，轴力-弯矩相关曲线趋近于直线。
最后，在DBJ/T规程建议的圆形普通钢管混凝土压弯构件相对轴力-相对弯矩强度相关方程的基础上，重新回归平衡点坐标值与约束系数的关系，以适用于圆形不锈钢管混凝土压弯承载力的计算，所提出圆形不锈钢管混凝土压弯承载力简化计算式相比于现行规范或规程的计算式精度更高，得到的承载力计算值与试验实测值更为接近，可为不锈钢管混凝土的工程设计提供参考，也为相关规范或规程的编制提供依据。
不锈钢管混凝土结构兼具了普通钢管混凝土良好的力学性能和优越的耐久性特点，不仅因其灌注了混凝土，工程造价上得到相对降低，同时其被应用于海洋平台、海边建筑、桥梁和超高层建筑时，后期维护成本较普通钢管混凝土结构亦得到显著降低，如中国香港的昂船洲大桥和纽约赫斯特大厦等实际工程中已应用不锈钢管混凝土结构。
现行的钢管混凝土结构规范或规程，因对不锈钢显著的后期强化特征未予考虑，承载力计算均偏于保守。为使得不锈钢管混凝土组合结构在应用于实际工程时，其良好的承载力得以准确评估，结合圆形不锈钢管混凝土组合结构在压弯荷载作用下的工况，探讨了圆形不锈钢管混凝土压弯承载力的设计方法。采用现行的中国国家标准GB 50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》、福建省地方标准DBJ/T 13-51-2010《钢管混凝土结构技术规程》、欧洲规范Eurocode 4和美国钢结构协会规范ANSI/AISC 360四本规范对收集到的40根圆形不锈钢管混凝土压弯构件的承载力进行了计算，并将承载力计算值与承载力实测值进行了对比，可知：GB 50936规范的承载力计算值和实测值比值的平均值与方差分别为0.871和0.105；DBJ/T规范的承载力计算值与实测值比值的平均值与方差分别为0.868和0.073；EC4规范的承载力计算值与实测值比值的平均值与方差分别为0.832和0.067；AISC规范的承载力计算值和实测值平均值与方差分别为0.612和0.122。
鉴于上述现行规范或规程计算的圆形不锈钢管混凝土压弯构件的承载力结果均偏于保守，利用有限元软件，建立了圆形不锈钢管混凝土压弯构件有限元模型，在验证模型准确性的基础上，分析了不锈钢屈服强度、截面含钢率、核心混凝土强度和长细比对圆形不锈钢管混凝土压弯构件的轴力-弯矩相关曲线的影响，结果表明：轴力-弯矩相关曲线平衡点的横、纵坐标值随着不锈钢屈服强度和截面含钢率的增大而减小，随着核心混凝土强度的增高而增大；长细比越大，轴力-弯矩相关曲线趋近于直线。
最后，在DBJ/T规程建议的圆形普通钢管混凝土压弯构件相对轴力-相对弯矩强度相关方程的基础上，重新回归平衡点坐标值与约束系数的关系，以适用于圆形不锈钢管混凝土压弯承载力的计算，所提出圆形不锈钢管混凝土压弯承载力简化计算式相比于现行规范或规程的计算式精度更高，得到的承载力计算值与试验实测值更为接近，可为不锈钢管混凝土的工程设计提供参考，也为相关规范或规程的编制提供依据。
2020, 35(5): 34-49.
doi: 10.13206/j.gjgS20041301
摘要:
焊缝连接是钢结构连接的主要形式，世界各国都制定了相应的技术标准对焊缝连接的设计和构造做出了详细规定。通过梳理中国现行GB 50017-2017《钢结构设计标准》和美国现行AISC 360-16《建筑钢结构标准（Specification for Structural Steel Buildings）》及其相关技术标准中有关钢结构焊缝连接的基本规定和设计方法，分析比较了GB 50017-2017和AISC 360-16及其相关技术标准在焊缝形式、构造要求、质量检验、焊缝承载力计算方法等方面的规定和要求。重点讨论了两国技术标准的差异和相近性，主要内容包括：
1）焊缝连接的技术标准。美国钢结构焊缝连接设计的主要依据是各个行业协会制定的团体标准，美国焊接协会（American Welding Society）制定了焊接材料和焊接工艺AWS标准，美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials）制定了结构钢材和连接材料ASTM标准，美国钢结构协会（American Institute of Steel Construction）制定了焊缝承载力计算和构造要求AISC标准，而中国钢结构焊缝连接设计采用政府发布的国家GB标准或建筑结构行业JGJ标准。
2）焊缝连接的形式。GB 50017和AISC 360推荐采用的钢结构焊缝连接形式完全一致，包括熔透对接焊缝、部分熔透对接焊缝、角焊缝、塞焊缝和槽焊缝，两个标准对各种焊缝连接形式的构造要求也基本相同。
3）焊缝连接的设计原则。GB 50017要求采用"极限状态设计法"计算各类焊缝连接的设计承载力，而AISC 360允许设计人员选择"容许强度设计法"或"荷载与抗力系数设计法"（相当于"极限状态设计法"）计算焊缝的承载力。
4）对接焊缝的计算。GB 50017根据全熔透对接焊缝的强度设计指标计算对接焊缝的承载力，而AISC 360主要通过规定全熔透对接焊缝的构造、焊接工艺和质量检验等要求实现焊缝与母材等强度。对于部分熔透对接焊缝的承载力，两个标准都采取了相当于角焊缝的计算方法。
5）角焊缝的计算。GB 50017和AISC 360规定的角焊缝、塞焊缝和槽焊缝计算方法基本相同，AISC 360计算的角焊缝承载力略高。两个标准都对受剪长焊缝进行了承载力折减。
相关内容为从事钢结构设计和施工人员准确理解和应用GB 50017和AISC 360提供了参考，同时也提出了进一步完善GB 50017-2017的意见和建议。
焊缝连接是钢结构连接的主要形式，世界各国都制定了相应的技术标准对焊缝连接的设计和构造做出了详细规定。通过梳理中国现行GB 50017-2017《钢结构设计标准》和美国现行AISC 360-16《建筑钢结构标准（Specification for Structural Steel Buildings）》及其相关技术标准中有关钢结构焊缝连接的基本规定和设计方法，分析比较了GB 50017-2017和AISC 360-16及其相关技术标准在焊缝形式、构造要求、质量检验、焊缝承载力计算方法等方面的规定和要求。重点讨论了两国技术标准的差异和相近性，主要内容包括：
1）焊缝连接的技术标准。美国钢结构焊缝连接设计的主要依据是各个行业协会制定的团体标准，美国焊接协会（American Welding Society）制定了焊接材料和焊接工艺AWS标准，美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials）制定了结构钢材和连接材料ASTM标准，美国钢结构协会（American Institute of Steel Construction）制定了焊缝承载力计算和构造要求AISC标准，而中国钢结构焊缝连接设计采用政府发布的国家GB标准或建筑结构行业JGJ标准。
2）焊缝连接的形式。GB 50017和AISC 360推荐采用的钢结构焊缝连接形式完全一致，包括熔透对接焊缝、部分熔透对接焊缝、角焊缝、塞焊缝和槽焊缝，两个标准对各种焊缝连接形式的构造要求也基本相同。
3）焊缝连接的设计原则。GB 50017要求采用"极限状态设计法"计算各类焊缝连接的设计承载力，而AISC 360允许设计人员选择"容许强度设计法"或"荷载与抗力系数设计法"（相当于"极限状态设计法"）计算焊缝的承载力。
4）对接焊缝的计算。GB 50017根据全熔透对接焊缝的强度设计指标计算对接焊缝的承载力，而AISC 360主要通过规定全熔透对接焊缝的构造、焊接工艺和质量检验等要求实现焊缝与母材等强度。对于部分熔透对接焊缝的承载力，两个标准都采取了相当于角焊缝的计算方法。
5）角焊缝的计算。GB 50017和AISC 360规定的角焊缝、塞焊缝和槽焊缝计算方法基本相同，AISC 360计算的角焊缝承载力略高。两个标准都对受剪长焊缝进行了承载力折减。
相关内容为从事钢结构设计和施工人员准确理解和应用GB 50017和AISC 360提供了参考，同时也提出了进一步完善GB 50017-2017的意见和建议。
