登录
注册
2021年 第36卷 第8期
2021, 36(8): 1-19.
doi: 10.13206/j.gjgSE20111001
摘要
PDF (12580KB)
摘要:
卓越的抗震性能一直是高层建筑结构设计不断追求的目标，而抗侧力体系则是实现该性能目标的关键因素。伸臂桁架体系作为目前最常见的抗侧力结构体系之一，广泛应用于各地标高层建筑中。然而，伸臂桁架体系的力学性能受桁架布设位置、拓扑形式、施工工序等因素影响，同时还存在整体结构竖向刚度不规则问题，因此，其实际抗震性能和优化途径值得关注。梯式连梁体系是一种较为新颖的抗侧力结构体系，每一层均设置水平连梁连接核心筒与巨柱，与伸臂桁架体系在某些楼层处形成集中刚度相比，其抗侧刚度分布更加均匀。
为了对比上述两种抗侧力结构体系的抗震性能，以一栋80层的建筑模型作为研究对象，利用ETABS有限元程序建立其数值模型，并采用基于性能的抗震设计方法开展计算分析。按沿高度方向共设置4榀伸臂桁架进行设计，综合考虑结构自重、基底弯矩、基底剪力、层间侧移、筒体弯矩等多种因素，明确了伸臂桁架布设位置，分别是17~18层、32~33层、46~47层和62~63层。此外，建立了4种用钢量相同但几何拓扑形式不同的伸臂桁架模型，通过对比整体结构的自振周期以及在多遇地震和设防烈度地震作用下的基底剪力、弯矩和层间位移等地震响应，选取了最优的拓扑形式。在此基础上，利用等效刚度原则建立了梯式连梁体系数值模型，明确了连梁的截面形式和设计参数，确保其与伸臂桁架体系模型具有相同的整体抗侧刚度。
采用FEMA 365指南中的构件性能曲线特征值以及性能水准判别准则，选取7组天然地震动和2组人工地震动记录作为输入参数，考虑三向地震作用，分别对伸臂桁架体系模型、梯式连梁体系模型和纯筒体体系模型开展了不同地震烈度下的非线性动力时程分析。计算结果显示：1）在位移响应方面，与纯筒体体系相比，伸臂桁架体系和梯式桁架体系在多遇地震作用下的最大层间位移分别减小了60%和47%，此时两种体系的修正系数R均为1，表明结构处于弹性阶段时伸臂桁架体系更加有效；在设防烈度地震作用下的最大层间位移分别减小了55%和69%，而在罕遇地震作用下则分别减小了56%和70%，此时两种体系的修正系数R分别为3和6，表明梯式连梁体系在结构处于弹塑性阶段时具有更好的延性和地震耗能特性，同时二者的顶点位移响应亦反映出同样的结构变形性能规律。2）在结构内力响应方面，伸臂桁架体系在多遇地震作用下能更加地有效降低核心筒的弯矩，而在设防烈度地震和罕遇地震作用下，梯式连梁体系对核心筒弯矩的降低作用则更为显著，表明在高烈度地震作用下梯式连梁体系能够更为有效地实现整体结构共同受力。3）在结构损伤状态方面，伸臂桁架体系和梯式连梁体系在多遇地震作用下各构件均处于立即使用（IO）性能水准，整体结构处于弹性状态；而在罕遇地震作用下，伸臂桁架体系中部分连梁构件达到生命安全（LS）和防止倒塌（CP）性能水准，相比而言，梯式连梁体系中达到防止倒塌（CP）性能水准的连梁数量显著增加，同时，两种体系中剪力墙构件的损伤状态均以防止倒塌（CP）性能水准为主，且梯式连梁体系中随高度增加，损伤程度稍加严重，但整体塑性损伤分布模式差别不大。由此可见，刚度等效原则更适用于结构在多遇地震作用下的计算分析，而在高烈度地震作用下该方法会导致耗能计算及损伤分布出现偏差，其适用范围具有一定局限性。
卓越的抗震性能一直是高层建筑结构设计不断追求的目标，而抗侧力体系则是实现该性能目标的关键因素。伸臂桁架体系作为目前最常见的抗侧力结构体系之一，广泛应用于各地标高层建筑中。然而，伸臂桁架体系的力学性能受桁架布设位置、拓扑形式、施工工序等因素影响，同时还存在整体结构竖向刚度不规则问题，因此，其实际抗震性能和优化途径值得关注。梯式连梁体系是一种较为新颖的抗侧力结构体系，每一层均设置水平连梁连接核心筒与巨柱，与伸臂桁架体系在某些楼层处形成集中刚度相比，其抗侧刚度分布更加均匀。
为了对比上述两种抗侧力结构体系的抗震性能，以一栋80层的建筑模型作为研究对象，利用ETABS有限元程序建立其数值模型，并采用基于性能的抗震设计方法开展计算分析。按沿高度方向共设置4榀伸臂桁架进行设计，综合考虑结构自重、基底弯矩、基底剪力、层间侧移、筒体弯矩等多种因素，明确了伸臂桁架布设位置，分别是17~18层、32~33层、46~47层和62~63层。此外，建立了4种用钢量相同但几何拓扑形式不同的伸臂桁架模型，通过对比整体结构的自振周期以及在多遇地震和设防烈度地震作用下的基底剪力、弯矩和层间位移等地震响应，选取了最优的拓扑形式。在此基础上，利用等效刚度原则建立了梯式连梁体系数值模型，明确了连梁的截面形式和设计参数，确保其与伸臂桁架体系模型具有相同的整体抗侧刚度。
采用FEMA 365指南中的构件性能曲线特征值以及性能水准判别准则，选取7组天然地震动和2组人工地震动记录作为输入参数，考虑三向地震作用，分别对伸臂桁架体系模型、梯式连梁体系模型和纯筒体体系模型开展了不同地震烈度下的非线性动力时程分析。计算结果显示：1）在位移响应方面，与纯筒体体系相比，伸臂桁架体系和梯式桁架体系在多遇地震作用下的最大层间位移分别减小了60%和47%，此时两种体系的修正系数R均为1，表明结构处于弹性阶段时伸臂桁架体系更加有效；在设防烈度地震作用下的最大层间位移分别减小了55%和69%，而在罕遇地震作用下则分别减小了56%和70%，此时两种体系的修正系数R分别为3和6，表明梯式连梁体系在结构处于弹塑性阶段时具有更好的延性和地震耗能特性，同时二者的顶点位移响应亦反映出同样的结构变形性能规律。2）在结构内力响应方面，伸臂桁架体系在多遇地震作用下能更加地有效降低核心筒的弯矩，而在设防烈度地震和罕遇地震作用下，梯式连梁体系对核心筒弯矩的降低作用则更为显著，表明在高烈度地震作用下梯式连梁体系能够更为有效地实现整体结构共同受力。3）在结构损伤状态方面，伸臂桁架体系和梯式连梁体系在多遇地震作用下各构件均处于立即使用（IO）性能水准，整体结构处于弹性状态；而在罕遇地震作用下，伸臂桁架体系中部分连梁构件达到生命安全（LS）和防止倒塌（CP）性能水准，相比而言，梯式连梁体系中达到防止倒塌（CP）性能水准的连梁数量显著增加，同时，两种体系中剪力墙构件的损伤状态均以防止倒塌（CP）性能水准为主，且梯式连梁体系中随高度增加，损伤程度稍加严重，但整体塑性损伤分布模式差别不大。由此可见，刚度等效原则更适用于结构在多遇地震作用下的计算分析，而在高烈度地震作用下该方法会导致耗能计算及损伤分布出现偏差，其适用范围具有一定局限性。
2021, 36(8): 20-27.
doi: 10.13206/j.gjgS20111001
摘要:
我国AP/CAP系列第三代先进核电厂房建造过程中采用的开顶式施工方式，便于设备吊装，且保证了设备与模块安装和施工在恶劣天气下的连续性。为保证开顶式施工的顺利进行，临时开合顶盖在核电厂房整个建造过程中需经历三次爬升，且为便于在同一厂址内重复使用，临时顶盖必须可拆卸。同时，顶盖可能会遭遇17级台风，台风产生的巨大上拔力要靠顶盖与安全壳的抗拔支座进行抵抗。而挤压式螺栓为抗拔支座中的关键传力构件，抗拔支座通过旋入以竖向钢板为支撑的挤压式螺栓，使传力构件与安全壳产生挤压，进而产生静摩擦力，提供抗拔力。抗拔支座中的挤压式螺栓与传统夹紧式螺栓传力方式类似，螺栓传力与各接触面的相对粗糙程度、螺栓直径和螺栓构造相关，但目前还没有相关理论可以确定挤压式螺栓在传力过程中拧紧扭矩与螺栓挤压力的关系。
针对以上问题，对挤压式螺栓传力进行试验研究：首先针对不同传力构件及接触面不同粗糙程度，设计了摩擦块接触试验、套筒-摩擦块接触试验和平头螺栓接触试验，验证了设置摩擦块及套筒的必要性，提出了球面端头螺栓的改进方法；然后通过采用定扭矩型电动扳手进行分级加载，得到了直接建立电动扳手档位和螺栓挤压力关系的方法；最后根据摩擦块与套筒完全约束和球面端头螺栓与安全壳直接接触两组试验结果，进一步提出改进螺栓传力的方法，并间接求得摩擦块与安全壳的动摩擦系数。
研究得出：1）摩擦块和套筒的设置使抗拔支座在安装和使用的过程中对安全壳损伤最小。在设计螺栓传力构件时，球面端头螺栓需设计成椭球形，与套筒槽接近点接触，且不需考虑螺纹孔板厚对螺栓传力的影响；2）直接建立的电动扭矩扳手档位与挤压力的关系，对电动扭矩扳手的工程应用提供借鉴；3）得到的摩擦块与模拟安全壳之间的动摩擦系数，可为抗拔支座的抗拔力确定提供参考。
我国AP/CAP系列第三代先进核电厂房建造过程中采用的开顶式施工方式，便于设备吊装，且保证了设备与模块安装和施工在恶劣天气下的连续性。为保证开顶式施工的顺利进行，临时开合顶盖在核电厂房整个建造过程中需经历三次爬升，且为便于在同一厂址内重复使用，临时顶盖必须可拆卸。同时，顶盖可能会遭遇17级台风，台风产生的巨大上拔力要靠顶盖与安全壳的抗拔支座进行抵抗。而挤压式螺栓为抗拔支座中的关键传力构件，抗拔支座通过旋入以竖向钢板为支撑的挤压式螺栓，使传力构件与安全壳产生挤压，进而产生静摩擦力，提供抗拔力。抗拔支座中的挤压式螺栓与传统夹紧式螺栓传力方式类似，螺栓传力与各接触面的相对粗糙程度、螺栓直径和螺栓构造相关，但目前还没有相关理论可以确定挤压式螺栓在传力过程中拧紧扭矩与螺栓挤压力的关系。
针对以上问题，对挤压式螺栓传力进行试验研究：首先针对不同传力构件及接触面不同粗糙程度，设计了摩擦块接触试验、套筒-摩擦块接触试验和平头螺栓接触试验，验证了设置摩擦块及套筒的必要性，提出了球面端头螺栓的改进方法；然后通过采用定扭矩型电动扳手进行分级加载，得到了直接建立电动扳手档位和螺栓挤压力关系的方法；最后根据摩擦块与套筒完全约束和球面端头螺栓与安全壳直接接触两组试验结果，进一步提出改进螺栓传力的方法，并间接求得摩擦块与安全壳的动摩擦系数。
研究得出：1）摩擦块和套筒的设置使抗拔支座在安装和使用的过程中对安全壳损伤最小。在设计螺栓传力构件时，球面端头螺栓需设计成椭球形，与套筒槽接近点接触，且不需考虑螺纹孔板厚对螺栓传力的影响；2）直接建立的电动扭矩扳手档位与挤压力的关系，对电动扭矩扳手的工程应用提供借鉴；3）得到的摩擦块与模拟安全壳之间的动摩擦系数，可为抗拔支座的抗拔力确定提供参考。
2021, 36(8): 28-34.
doi: 10.13206/j.gjgS20060901
摘要:
周口店遗址第一地点（猿人洞）保护建筑工程为文物保护设施建筑，为保护北京人遗址猿人洞免受雨雪等灾害，在猿人洞上方建设大跨度保护棚，建筑外形由周边山体等高线回归后得到，为不规则空间曲面。主体结构为大跨度单层钢结构，在主体结构上下设叶片，上叶片局部做种植槽，种植攀爬植物，下叶片用玻璃钢模拟山体造型；植物长成后，将使工程的内外皆融入遗址环境之中，隐伏于树木掩映之下，使其与遗址浑然天成，最终达到建筑本身融入周围环境，恢复猿人洞数万年前形态的设计理念。
为实现对遗址的最小化干扰，尽量减小结构体量，减少对周围环境影响，主体结构采用大跨度单层异形钢壳体结构，单层网格结构厚度薄，为上下叶片的安装创造了条件。本工程大跨单层异形钢网壳纵向水平投影距离为79 m，横向水平投影距离为55 m，最大斜向跨度为83 m，基础高差为33 m，通过山顶和山脚两排铰接支座进行支撑。单层网格结构安全性常常受稳定性控制，结构缺陷和边界条件对稳定承载力的影响需进行深入分析。为准确评估本工程大跨单层异形钢网壳的整体稳定性，采用三维双重非线性有限元方法进行研究。
通过ANSYS软件分析了结构的整体稳定极限承载力，分析了缺陷幅值和不同缺陷分布形式以及弹簧支座刚度对结构整体稳定极限承载力的影响，通过荷载-位移全过程曲线得到了本工程异形钢网壳的稳定极限承载力。分析发现：本工程异形钢网壳为大跨度复杂空间结构，由于其结构本身高低起伏变化，为非理想壳体，其整体稳定极限承载力对缺陷分布形式及缺陷幅值不敏感，按JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》规定选用一阶屈曲模态分布形式并按斜向跨度的1/300对结构施加初始缺陷可以满足设计要求；本工程异形钢网壳的稳定极限承载力对边界条件比较敏感，为保证结构的整体稳定性应选择铰接支座，且在设计时应重点关注基础的抗推能力；本工程异形钢网壳杆件本身的缺陷对整体稳定极限承载力影响很小，为方便计算可仅考虑结构的整体初始缺陷；本工程异形钢网壳的整体稳定安全系数为3.58，满足JGJ 7—2010的要求，结构整体稳定性能有保证。
通过ANSYS软件分析了本工程异形钢网壳的动力稳定性能，分析表明：本工程异形钢网壳动力稳定性能比较好，结构动力失稳时的地震动幅值可达到0.8g。对本工程异形钢网壳典型构件施加单位力并进行特征值分析以得到构件的弹性屈曲荷载，再通过欧拉公式反算得到了构件的面外计算长度系数。分析表明，选取面外计算长度系数1.6完全满足结构设计要求，为用常规软件进行结构分析提供了取值依据。
周口店遗址第一地点（猿人洞）保护建筑工程为文物保护设施建筑，为保护北京人遗址猿人洞免受雨雪等灾害，在猿人洞上方建设大跨度保护棚，建筑外形由周边山体等高线回归后得到，为不规则空间曲面。主体结构为大跨度单层钢结构，在主体结构上下设叶片，上叶片局部做种植槽，种植攀爬植物，下叶片用玻璃钢模拟山体造型；植物长成后，将使工程的内外皆融入遗址环境之中，隐伏于树木掩映之下，使其与遗址浑然天成，最终达到建筑本身融入周围环境，恢复猿人洞数万年前形态的设计理念。
为实现对遗址的最小化干扰，尽量减小结构体量，减少对周围环境影响，主体结构采用大跨度单层异形钢壳体结构，单层网格结构厚度薄，为上下叶片的安装创造了条件。本工程大跨单层异形钢网壳纵向水平投影距离为79 m，横向水平投影距离为55 m，最大斜向跨度为83 m，基础高差为33 m，通过山顶和山脚两排铰接支座进行支撑。单层网格结构安全性常常受稳定性控制，结构缺陷和边界条件对稳定承载力的影响需进行深入分析。为准确评估本工程大跨单层异形钢网壳的整体稳定性，采用三维双重非线性有限元方法进行研究。
通过ANSYS软件分析了结构的整体稳定极限承载力，分析了缺陷幅值和不同缺陷分布形式以及弹簧支座刚度对结构整体稳定极限承载力的影响，通过荷载-位移全过程曲线得到了本工程异形钢网壳的稳定极限承载力。分析发现：本工程异形钢网壳为大跨度复杂空间结构，由于其结构本身高低起伏变化，为非理想壳体，其整体稳定极限承载力对缺陷分布形式及缺陷幅值不敏感，按JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》规定选用一阶屈曲模态分布形式并按斜向跨度的1/300对结构施加初始缺陷可以满足设计要求；本工程异形钢网壳的稳定极限承载力对边界条件比较敏感，为保证结构的整体稳定性应选择铰接支座，且在设计时应重点关注基础的抗推能力；本工程异形钢网壳杆件本身的缺陷对整体稳定极限承载力影响很小，为方便计算可仅考虑结构的整体初始缺陷；本工程异形钢网壳的整体稳定安全系数为3.58，满足JGJ 7—2010的要求，结构整体稳定性能有保证。
通过ANSYS软件分析了本工程异形钢网壳的动力稳定性能，分析表明：本工程异形钢网壳动力稳定性能比较好，结构动力失稳时的地震动幅值可达到0.8g。对本工程异形钢网壳典型构件施加单位力并进行特征值分析以得到构件的弹性屈曲荷载，再通过欧拉公式反算得到了构件的面外计算长度系数。分析表明，选取面外计算长度系数1.6完全满足结构设计要求，为用常规软件进行结构分析提供了取值依据。
2021, 36(8): 35-41.
doi: 10.13206/j.gjgS20080501
摘要:
大跨度钢桁架体系在钢结构应用中较为广泛，常见为单层大跨度钢桁架体系，其安装方法较为成熟，而多层大跨度钢桁架结构体系的安装项目案例较少，其安装技术有待进一步细究。
深圳市第三代指挥中心项目地上结构为六层连续大跨度钢桁架体系，建筑高度56 m，每层由六榀大跨度钢桁架+钢次梁组成，层高6.5~12 m不等，身处建筑密集城区，堆场道路等条件极其受限。对其安装方法进行比选，否定了整体提升、滑移安装等施工方法，最终采用施工快速、安全经济的单点式支撑体系原位安装钢桁架。通过对其结构形式、连接方式、端部节点构造的优化设计，达到快速安装拆卸的效果。每榀桁架在工厂制作时预起拱，现场安装时中间起拱值为60 mm，平面上由南向北采用分段进行原位安装，立面上采用以两层钢桁架为一个安装单元，与两侧结构形成双层框架体系后，再进行下层桁架支撑的卸载转运、楼板浇筑，完成本层楼板浇筑后再向上安装第三层桁架结构，按此顺序层层向上周转支撑体系进行桁架安装。利用有限元分析软件MIDAS提前对安装过程中的支撑体系受力和结构下挠变形进行施工模拟验算，在每榀桁架的中部和端部设置位移监测点，施工过程中做好监测记录。
通过数据对比结果表明：卸载前后的桁架变形下挠模拟值与实测数值基本吻合；此快装拆式单点支撑体系在深圳市第三代指挥中心项目的成功应用，充分证明了此支撑体系施工快速、安全经济的特点，其立面上采用以两层钢桁架为一个安装单元，与两侧结构形成双层框架体系后再进行下层桁架支撑卸载转运的施工顺序，可有效控制结构施工过程中的偏移。
大跨度钢桁架体系在钢结构应用中较为广泛，常见为单层大跨度钢桁架体系，其安装方法较为成熟，而多层大跨度钢桁架结构体系的安装项目案例较少，其安装技术有待进一步细究。
深圳市第三代指挥中心项目地上结构为六层连续大跨度钢桁架体系，建筑高度56 m，每层由六榀大跨度钢桁架+钢次梁组成，层高6.5~12 m不等，身处建筑密集城区，堆场道路等条件极其受限。对其安装方法进行比选，否定了整体提升、滑移安装等施工方法，最终采用施工快速、安全经济的单点式支撑体系原位安装钢桁架。通过对其结构形式、连接方式、端部节点构造的优化设计，达到快速安装拆卸的效果。每榀桁架在工厂制作时预起拱，现场安装时中间起拱值为60 mm，平面上由南向北采用分段进行原位安装，立面上采用以两层钢桁架为一个安装单元，与两侧结构形成双层框架体系后，再进行下层桁架支撑的卸载转运、楼板浇筑，完成本层楼板浇筑后再向上安装第三层桁架结构，按此顺序层层向上周转支撑体系进行桁架安装。利用有限元分析软件MIDAS提前对安装过程中的支撑体系受力和结构下挠变形进行施工模拟验算，在每榀桁架的中部和端部设置位移监测点，施工过程中做好监测记录。
通过数据对比结果表明：卸载前后的桁架变形下挠模拟值与实测数值基本吻合；此快装拆式单点支撑体系在深圳市第三代指挥中心项目的成功应用，充分证明了此支撑体系施工快速、安全经济的特点，其立面上采用以两层钢桁架为一个安装单元，与两侧结构形成双层框架体系后再进行下层桁架支撑卸载转运的施工顺序，可有效控制结构施工过程中的偏移。
2021, 36(8): 42-49.
doi: 10.13206/j.gjgS21030101
摘要:
自20世纪90年代起，我国的钢铁产量已经连续十几年位居世界第一，并且钢铁产品的种类、质量都有很大的提高，有的已达到世界先进水平。钢结构桥梁在设计、制作、施工等方面研究及技术也日益成熟，而钢桁拱桥作为一种经典的桥梁结构，以其刚劲的桁拱和柔细的吊杆构造组合，形成刚柔相济的建筑景观，在我国桥梁建设中得到了广泛的应用。由于钢桁拱桥水平推力较大，结构形式复杂，因此必须综合其结构特点、施工环境、设备等各方因素，在确保施工质量、安全的前提下制定切实可行的施工方案以达到降本增效的目的。
太原市晋阳大桥为204 m跨径的下承式钢桁拱桥，拱肋为上弦杆、下弦杆及X型腹杆组成的桁架结构。上拱肋拱轴线矢高48.5 m，下拱肋拱轴线矢高42.0 m，主梁与系梁及拱肋间采用焊接形式连接。通过对杆件制作、现场安装等难点分析，制定了系梁、拱肋焊接质量和焊接变形控制措施；对施工方案进行了比选，制定了钢梁散装、拱肋预拼装、桁片制作等关键技术；并结合结构特点及施工环境制定了一些高空作业防护措施。
结果表明：系梁、拱肋焊接质量良好，焊接变形符合设计及标准要求；钢梁采用散装方案增加了现场作业面，提高了安装进度，避免了现场总拼带来的对接焊缝增加、倒运困难、周期长等不利影响；拱肋现场预拼装及桁片制作方案的实施，确保了拱肋桁片的制作质量，降低了劳动强度，提高了拱肋安装精度；高空作业防护措施实用、操作简单，取得了良好的防护效果。
自20世纪90年代起，我国的钢铁产量已经连续十几年位居世界第一，并且钢铁产品的种类、质量都有很大的提高，有的已达到世界先进水平。钢结构桥梁在设计、制作、施工等方面研究及技术也日益成熟，而钢桁拱桥作为一种经典的桥梁结构，以其刚劲的桁拱和柔细的吊杆构造组合，形成刚柔相济的建筑景观，在我国桥梁建设中得到了广泛的应用。由于钢桁拱桥水平推力较大，结构形式复杂，因此必须综合其结构特点、施工环境、设备等各方因素，在确保施工质量、安全的前提下制定切实可行的施工方案以达到降本增效的目的。
太原市晋阳大桥为204 m跨径的下承式钢桁拱桥，拱肋为上弦杆、下弦杆及X型腹杆组成的桁架结构。上拱肋拱轴线矢高48.5 m，下拱肋拱轴线矢高42.0 m，主梁与系梁及拱肋间采用焊接形式连接。通过对杆件制作、现场安装等难点分析，制定了系梁、拱肋焊接质量和焊接变形控制措施；对施工方案进行了比选，制定了钢梁散装、拱肋预拼装、桁片制作等关键技术；并结合结构特点及施工环境制定了一些高空作业防护措施。
结果表明：系梁、拱肋焊接质量良好，焊接变形符合设计及标准要求；钢梁采用散装方案增加了现场作业面，提高了安装进度，避免了现场总拼带来的对接焊缝增加、倒运困难、周期长等不利影响；拱肋现场预拼装及桁片制作方案的实施，确保了拱肋桁片的制作质量，降低了劳动强度，提高了拱肋安装精度；高空作业防护措施实用、操作简单，取得了良好的防护效果。
