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2024年 第39卷 第3期
2024, 39(3): 1-6.
doi: 10.13206/j.gjgS22102202
摘要
PDF (11119KB)
摘要:
铝合金具有密度小、耐蚀性好、易加工、比强度高、成型方便等优点,铝合金的密度约为普通钢材密度的1/3,而强度与常规的钢材刚度相当,因此铝合金结构可以获得更大的跨度,受到越来越多建筑师和结构工程师的关注与青睐。为了充分发挥铝合金蜂窝板轻质高强的优势,克服铝合金网壳弹性模量较低的缺点,提出了一种新型的铝合金蜂窝板柱面组合网壳结构。该结构由铝合金蜂窝板和铝合金网壳通过锁铆连接而成,以达到铝合金蜂窝板和铝合金网壳协同工作的目的。为此设计并制备了尺寸为4 400 mm × 1 530 mm × 1 100 mm的柱面网壳结构,并对其进行了承载力试验,探究了柱面组合网壳的受力特点及破坏机理。在考虑双重非线性以及失稳影响的基础上,对柱面组合网壳进行非线性有限元分析,将分析结果与承载力试验结果对比,验证了有限元分析方法的可靠性。结果表明:组合网壳板-杆之间破坏时连接件主要形式为跨中短跨处抽芯铆钉被剪断,边跨由于铝合金翘曲导致抽芯铆钉拉断,锁铆连接件周围有板件错动趋势,但并未破坏;铝合金杆件最终破坏形式包括铝合金杆件在跨中受力最大处发生沿开孔薄弱处断裂,边跨受压屈曲,铝合金蜂窝板在杆件变形较大处也发生了脱胶现象;在加载点位移为30 mm之前,试件处于弹性阶段,之后进入弹塑性阶段、柱面网壳的非线性行为主要由铝合金杆件与蜂窝板之间的锁铆连接性能决定。柱面组合网壳试件的承载力为6 951 N,随着位移的增加,荷载持续降低。考虑双重非线性的有限元分析模型可以有效地模拟组合网壳在弹塑性阶段的受力性能,而考虑失稳后能较好地模拟组合柱面网壳失稳后的变形及受力性能。所提出的有限元分析方法能较精确地模拟柱面网壳的荷载-位移曲线,计算效率高、收敛性好,极限承载力误差在2%左右。锁铆连接集开孔、成型于一体,只需定位便能利用锁铆连接工具将锁铆成型,加工效率最高,成型质量有保证,稳定性优于传统机械的连接,未来可形成“流水线”生产,提高建筑工业化程度。
铝合金具有密度小、耐蚀性好、易加工、比强度高、成型方便等优点,铝合金的密度约为普通钢材密度的1/3,而强度与常规的钢材刚度相当,因此铝合金结构可以获得更大的跨度,受到越来越多建筑师和结构工程师的关注与青睐。为了充分发挥铝合金蜂窝板轻质高强的优势,克服铝合金网壳弹性模量较低的缺点,提出了一种新型的铝合金蜂窝板柱面组合网壳结构。该结构由铝合金蜂窝板和铝合金网壳通过锁铆连接而成,以达到铝合金蜂窝板和铝合金网壳协同工作的目的。为此设计并制备了尺寸为4 400 mm × 1 530 mm × 1 100 mm的柱面网壳结构,并对其进行了承载力试验,探究了柱面组合网壳的受力特点及破坏机理。在考虑双重非线性以及失稳影响的基础上,对柱面组合网壳进行非线性有限元分析,将分析结果与承载力试验结果对比,验证了有限元分析方法的可靠性。结果表明:组合网壳板-杆之间破坏时连接件主要形式为跨中短跨处抽芯铆钉被剪断,边跨由于铝合金翘曲导致抽芯铆钉拉断,锁铆连接件周围有板件错动趋势,但并未破坏;铝合金杆件最终破坏形式包括铝合金杆件在跨中受力最大处发生沿开孔薄弱处断裂,边跨受压屈曲,铝合金蜂窝板在杆件变形较大处也发生了脱胶现象;在加载点位移为30 mm之前,试件处于弹性阶段,之后进入弹塑性阶段、柱面网壳的非线性行为主要由铝合金杆件与蜂窝板之间的锁铆连接性能决定。柱面组合网壳试件的承载力为6 951 N,随着位移的增加,荷载持续降低。考虑双重非线性的有限元分析模型可以有效地模拟组合网壳在弹塑性阶段的受力性能,而考虑失稳后能较好地模拟组合柱面网壳失稳后的变形及受力性能。所提出的有限元分析方法能较精确地模拟柱面网壳的荷载-位移曲线,计算效率高、收敛性好,极限承载力误差在2%左右。锁铆连接集开孔、成型于一体,只需定位便能利用锁铆连接工具将锁铆成型,加工效率最高,成型质量有保证,稳定性优于传统机械的连接,未来可形成“流水线”生产,提高建筑工业化程度。
2024, 39(3): 7-14.
doi: 10.13206/j.gjgS22101702
摘要:
焊接连接是钢结构最主要的连接方式之一,焊接过程中焊缝附近热影响区内的钢材材质可能因金相组织变化而硬化,热影响区内也会存在裂纹等焊接缺陷,因此,热影响区是焊接连接受拉断裂的薄弱环节。为研究梁柱节点和钢梁拼接节点中钢梁受拉翼缘焊接连接热影响区的延性断裂,制作了Q355D钢材十字焊接连接和对接焊接连接试验试件,并对其进行单调拉伸试验研究,分别建立了焊接连接试件的理想有限元模型和在应力集中位置引入钝化缺口的缺陷有限元模型并进行非线性有限元分析,采用孔洞扩张模型预测了焊接连接试件的延性断裂,编制了VUMAT子程序,在有限元分析过程中,依据孔洞扩张模型的断裂判据不断删除断裂失效单元,对焊接连接试件的断裂扩展过程进行了数值模拟,建立了不同大小网格的焊接连接试件有限元模型,对焊接连接试件延性断裂进行了网格敏感性分析。试验结果表明:试验试件达到极限承载力后均在焊接热影响区内发生伴随着明显塑性变形的延性断裂破坏,十字焊接连接试件和对接焊接连接试件的断裂位移分别为15.9,18.3 mm,两种焊接连接具有较好的塑性变形能力;基于理想有限元模型预测的焊接连接断裂位置与试验观察一致,但预测得到两种焊接连接试件的断裂位移分别为30.5,29.1 mm,均明显晚于试验结果,说明缺陷对两种焊接连接试件的延性断裂有较大不利影响;基于缺陷有限元模型预测得到两种焊接连接试件的断裂位移分别为14.9,17.2 mm,与试验结果吻合较好,说明引入钝化缺口是考虑焊接缺陷不利影响的一种可行方法;采用VUMAT子程序进行数值模拟得到的焊接连接试件断裂扩展路径与试验结果基本一致,验证了采用孔洞扩张模型进行钢结构焊接连接延性断裂扩展分析的适用性;网格敏感性分析结果表明,两种焊接连接试件断裂位置处的应力、应变梯度较小,采用较大网格尺寸的有限元模型进行其延性断裂数值分析仍能得到比较准确的结果,且能大幅提高计算效率。
焊接连接是钢结构最主要的连接方式之一,焊接过程中焊缝附近热影响区内的钢材材质可能因金相组织变化而硬化,热影响区内也会存在裂纹等焊接缺陷,因此,热影响区是焊接连接受拉断裂的薄弱环节。为研究梁柱节点和钢梁拼接节点中钢梁受拉翼缘焊接连接热影响区的延性断裂,制作了Q355D钢材十字焊接连接和对接焊接连接试验试件,并对其进行单调拉伸试验研究,分别建立了焊接连接试件的理想有限元模型和在应力集中位置引入钝化缺口的缺陷有限元模型并进行非线性有限元分析,采用孔洞扩张模型预测了焊接连接试件的延性断裂,编制了VUMAT子程序,在有限元分析过程中,依据孔洞扩张模型的断裂判据不断删除断裂失效单元,对焊接连接试件的断裂扩展过程进行了数值模拟,建立了不同大小网格的焊接连接试件有限元模型,对焊接连接试件延性断裂进行了网格敏感性分析。试验结果表明:试验试件达到极限承载力后均在焊接热影响区内发生伴随着明显塑性变形的延性断裂破坏,十字焊接连接试件和对接焊接连接试件的断裂位移分别为15.9,18.3 mm,两种焊接连接具有较好的塑性变形能力;基于理想有限元模型预测的焊接连接断裂位置与试验观察一致,但预测得到两种焊接连接试件的断裂位移分别为30.5,29.1 mm,均明显晚于试验结果,说明缺陷对两种焊接连接试件的延性断裂有较大不利影响;基于缺陷有限元模型预测得到两种焊接连接试件的断裂位移分别为14.9,17.2 mm,与试验结果吻合较好,说明引入钝化缺口是考虑焊接缺陷不利影响的一种可行方法;采用VUMAT子程序进行数值模拟得到的焊接连接试件断裂扩展路径与试验结果基本一致,验证了采用孔洞扩张模型进行钢结构焊接连接延性断裂扩展分析的适用性;网格敏感性分析结果表明,两种焊接连接试件断裂位置处的应力、应变梯度较小,采用较大网格尺寸的有限元模型进行其延性断裂数值分析仍能得到比较准确的结果,且能大幅提高计算效率。
2024, 39(3): 15-27.
doi: 10.13206/j.gjgS23090103
摘要:
南京美术馆新馆地上四层为组合筒体-斜柱-钢桁架混合结构体系,钢结构总量约1.5万t。上部结构为复杂多层空间不规则回字形钢桁架结构,由大跨度桁架、悬挑桁架及周圈内外两道环形桁架构成,分上、下二层,局部三层,桁架高度14.2 m,顶标高为33.7 m;外轮廓尺寸为147.5 m×103.3 m,内开口尺寸为102.8 m× 38.0 m。钢桁架通过4个筒体和10根圆钢管混凝土斜柱支撑,采用“地面原位拼装、整体提升”的施工思路,利用核心筒和临时支撑塔架作为提升的支撑,对钢桁架进行提升施工。针对提升点位选取难题,确定了尽量与设计状态吻合、传力路径短、结构受力均匀、变形小的提升点布置原则,通过全过程施工动态仿真分析,优选确定了29个混合提升点;针对提升支撑体系设置难度大的问题,研发了用于大型复杂异形桁架提升的多点位混合支撑体系,包括在核心筒柱顶及预装桁架上的提升反力架,在南、北两区8根斜柱支撑位置布置的塔架支撑,以及提升支架加固及提升塔架加固支撑体系,满足了安全性与安装精度的要求;针对刚度不均匀大型复杂空间结构液压提升同步难度大的问题,提出了提升同步性控制的三种方法:全部提升点位移偏差平方和最小方法、提升点坐标极小值与极大值之差最小方法、最大的偏差绝对值最小方法,并推导出了详细的计算公式,且在南京美术馆新馆项目上成功应用,实现了复杂条件下的精确同步提升;在同步控制方面,采用提升同步控制数据的自动测量系统,通过智能测量机器人采集数据,能够直观反映各提升点间的不同步情况,同时还采取了静力水准仪测量和人工测量两种测量方式互为校验。针对结构平立面不规则、对口点数量多、点位分布无规律、对口点空间角度定位各不相同的难题,以3个坐标系旋转参数和3个平移参数为独立参数,采用Bursa模型,进行了基于一般旋转平移对口模型的研究,并给出了常规三维旋转平移对口模型的求解方法和解析解。结合上述方法和对口安装控制措施,调整后的对口点无论是均值、均方差还是概率分布都有了明显的提高,实现了精准对口。
南京美术馆新馆地上四层为组合筒体-斜柱-钢桁架混合结构体系,钢结构总量约1.5万t。上部结构为复杂多层空间不规则回字形钢桁架结构,由大跨度桁架、悬挑桁架及周圈内外两道环形桁架构成,分上、下二层,局部三层,桁架高度14.2 m,顶标高为33.7 m;外轮廓尺寸为147.5 m×103.3 m,内开口尺寸为102.8 m× 38.0 m。钢桁架通过4个筒体和10根圆钢管混凝土斜柱支撑,采用“地面原位拼装、整体提升”的施工思路,利用核心筒和临时支撑塔架作为提升的支撑,对钢桁架进行提升施工。针对提升点位选取难题,确定了尽量与设计状态吻合、传力路径短、结构受力均匀、变形小的提升点布置原则,通过全过程施工动态仿真分析,优选确定了29个混合提升点;针对提升支撑体系设置难度大的问题,研发了用于大型复杂异形桁架提升的多点位混合支撑体系,包括在核心筒柱顶及预装桁架上的提升反力架,在南、北两区8根斜柱支撑位置布置的塔架支撑,以及提升支架加固及提升塔架加固支撑体系,满足了安全性与安装精度的要求;针对刚度不均匀大型复杂空间结构液压提升同步难度大的问题,提出了提升同步性控制的三种方法:全部提升点位移偏差平方和最小方法、提升点坐标极小值与极大值之差最小方法、最大的偏差绝对值最小方法,并推导出了详细的计算公式,且在南京美术馆新馆项目上成功应用,实现了复杂条件下的精确同步提升;在同步控制方面,采用提升同步控制数据的自动测量系统,通过智能测量机器人采集数据,能够直观反映各提升点间的不同步情况,同时还采取了静力水准仪测量和人工测量两种测量方式互为校验。针对结构平立面不规则、对口点数量多、点位分布无规律、对口点空间角度定位各不相同的难题,以3个坐标系旋转参数和3个平移参数为独立参数,采用Bursa模型,进行了基于一般旋转平移对口模型的研究,并给出了常规三维旋转平移对口模型的求解方法和解析解。结合上述方法和对口安装控制措施,调整后的对口点无论是均值、均方差还是概率分布都有了明显的提高,实现了精准对口。
2024, 39(3): 28-37.
doi: 10.13206/j.gjgS23050801
摘要:
深圳文化馆新馆建筑造型复杂、内部空间变化较多,存在超过21 m的大悬挑空间。为确保整个结构具有合理的抗侧和抗扭刚度,在建筑楼梯、电梯间设置了8个钢筋混凝土筒体,这些筒体与周边框架柱形成框架剪力墙结构。但由于建筑内外空间上的变化和功能上的特殊要求,该结构存在较多的不规则项和复杂子结构。如文化馆典型楼层开洞率达32%以上,馆内各区域功能差异较大,区域之间仅通过室内连廊连接在一起,实际楼板情况与刚性楼板假定不符,此时如何评判结构的变形指标以及楼板协调变形的能力成为设计的一个重、难点;将文化馆划分为三个区域,分别为左侧、右侧核心筒群区域以及东侧大跨度钢结构区域,选取三个区域中的典型观测点,考察地震作用下观测点的变形,进一步判断楼板是否具有协调三个区域变形差异的能力。对大悬挑区域进行了方案对比阐述,同时对与悬挑桁架上弦相连的楼盖构件进行受力分析,讨论其在结构遭受罕遇地震作用、薄弱连接位置的楼板出现损坏引起楼板刚度退化甚至是完全退出工作时,能否保证桁架与核心筒之间的传力。东侧区域建筑功能要求大柱跨及楼层通高,典型柱距8.4 m×16.8 m,且仅可在L4~L8层布置钢柱,B1~L4层之间则须要设置Y型斜柱承托上部钢柱;分析Y型斜柱传递重力时其独立承担倾覆荷载的能力,同时Y型斜柱为3~4层的跃层柱,其能否满足稳定承载力和抗连续倒塌要求均为讨论的重、难点。在考察结构刚度指标(如层间位移角)时,可根据结构受力情况采取分区统计方式,捕捉关键监测点的变形值,综合评判楼盖协调变形的能力。对于室内连桥以及楼板薄弱连接位置,通过建立分离体模型进行包络设计,同时加强楼板配筋。通过在支承大悬挑桁架的剪力墙内设置型钢梁柱和斜杆的方式形成立体筒体,并充分考虑楼板刚度退化对大悬挑桁架与筒体之间构件的受力和变形影响,分析结果表明,大悬挑整体结构可满足各项验算。Y型斜柱独立承担倾覆荷载的能力较弱,设计时加强斜柱与核心筒群之间的楼盖连系,严格控制斜柱与核心筒之间拉梁的应力比。Y型斜柱设计时,应考虑构件的初始缺陷进行非线性稳定承载力分析,明确斜柱的稳定承载力储备。采用线性静力拆除构件法,可判断斜柱结构满足抗连续倒塌要求。选取典型的大悬挑桁架与剪力墙连接节点和型钢混凝土桁架转换节点作为研究对象,提出相应的节点加强构造,通过节点有限元分析,确保节点的安全可靠。
深圳文化馆新馆建筑造型复杂、内部空间变化较多,存在超过21 m的大悬挑空间。为确保整个结构具有合理的抗侧和抗扭刚度,在建筑楼梯、电梯间设置了8个钢筋混凝土筒体,这些筒体与周边框架柱形成框架剪力墙结构。但由于建筑内外空间上的变化和功能上的特殊要求,该结构存在较多的不规则项和复杂子结构。如文化馆典型楼层开洞率达32%以上,馆内各区域功能差异较大,区域之间仅通过室内连廊连接在一起,实际楼板情况与刚性楼板假定不符,此时如何评判结构的变形指标以及楼板协调变形的能力成为设计的一个重、难点;将文化馆划分为三个区域,分别为左侧、右侧核心筒群区域以及东侧大跨度钢结构区域,选取三个区域中的典型观测点,考察地震作用下观测点的变形,进一步判断楼板是否具有协调三个区域变形差异的能力。对大悬挑区域进行了方案对比阐述,同时对与悬挑桁架上弦相连的楼盖构件进行受力分析,讨论其在结构遭受罕遇地震作用、薄弱连接位置的楼板出现损坏引起楼板刚度退化甚至是完全退出工作时,能否保证桁架与核心筒之间的传力。东侧区域建筑功能要求大柱跨及楼层通高,典型柱距8.4 m×16.8 m,且仅可在L4~L8层布置钢柱,B1~L4层之间则须要设置Y型斜柱承托上部钢柱;分析Y型斜柱传递重力时其独立承担倾覆荷载的能力,同时Y型斜柱为3~4层的跃层柱,其能否满足稳定承载力和抗连续倒塌要求均为讨论的重、难点。在考察结构刚度指标(如层间位移角)时,可根据结构受力情况采取分区统计方式,捕捉关键监测点的变形值,综合评判楼盖协调变形的能力。对于室内连桥以及楼板薄弱连接位置,通过建立分离体模型进行包络设计,同时加强楼板配筋。通过在支承大悬挑桁架的剪力墙内设置型钢梁柱和斜杆的方式形成立体筒体,并充分考虑楼板刚度退化对大悬挑桁架与筒体之间构件的受力和变形影响,分析结果表明,大悬挑整体结构可满足各项验算。Y型斜柱独立承担倾覆荷载的能力较弱,设计时加强斜柱与核心筒群之间的楼盖连系,严格控制斜柱与核心筒之间拉梁的应力比。Y型斜柱设计时,应考虑构件的初始缺陷进行非线性稳定承载力分析,明确斜柱的稳定承载力储备。采用线性静力拆除构件法,可判断斜柱结构满足抗连续倒塌要求。选取典型的大悬挑桁架与剪力墙连接节点和型钢混凝土桁架转换节点作为研究对象,提出相应的节点加强构造,通过节点有限元分析,确保节点的安全可靠。
2024, 39(3): 38-46.
doi: 10.3724/j.gjgS22112501
摘要:
网架结构是一种形式多变的空间网格结构,因其具有受力性能好、质量轻、刚度大、抗震性能好、造价低、成形容易等优点,广泛用于航站楼、飞机库、体育馆、影剧院、展览厅、车站等建筑屋盖。珠海机场二号航站楼主楼屋盖采用大跨度连续超长变曲率双曲面局部抽空钢网架结构体系。介绍了该屋盖的造型特征和结构体系组成,并针对其复杂性采用分区分块累计提升工艺进行施工,提出了施工顺序,给出了提升方案。阐述了主楼屋盖钢结构的施工步骤,对每一步的施工步骤进行了模拟分析,并对支撑胎架卸载后的网架结构施加了设计荷载,得到了主楼钢结构屋盖施工全过程的位移和应力指标,评价了设计荷载作用下主楼钢结构基于施工模拟的性能。将网架全过程监测与施工仿真模拟相结合,通过实际监测数据与仿真模拟中应力、应变值的对比分析,实时调整网架提升姿态及分块大小,实现了网架提升过程中受力状态的精准控制。结果表明:主楼钢结构屋盖的施工方案可行,提升过程中结构变形与内力满足要求;钢网架考虑施工过程的影响后,跨中竖向挠度增大,应采用可靠的措施减小挠度增大所带来的不利影响;钢网架从开始施工到最后成型的过程中,局部杆件受力模式由长细比控制变成受力控制,须加大截面;大跨度网架有必要在施工模拟卸载胎架后,按设计荷载输入施工模拟分析模型进行位移和应力比复核;网架实测的应力和位移与施工仿真模拟基本一致,表明了施工模拟分析的准确性。
网架结构是一种形式多变的空间网格结构,因其具有受力性能好、质量轻、刚度大、抗震性能好、造价低、成形容易等优点,广泛用于航站楼、飞机库、体育馆、影剧院、展览厅、车站等建筑屋盖。珠海机场二号航站楼主楼屋盖采用大跨度连续超长变曲率双曲面局部抽空钢网架结构体系。介绍了该屋盖的造型特征和结构体系组成,并针对其复杂性采用分区分块累计提升工艺进行施工,提出了施工顺序,给出了提升方案。阐述了主楼屋盖钢结构的施工步骤,对每一步的施工步骤进行了模拟分析,并对支撑胎架卸载后的网架结构施加了设计荷载,得到了主楼钢结构屋盖施工全过程的位移和应力指标,评价了设计荷载作用下主楼钢结构基于施工模拟的性能。将网架全过程监测与施工仿真模拟相结合,通过实际监测数据与仿真模拟中应力、应变值的对比分析,实时调整网架提升姿态及分块大小,实现了网架提升过程中受力状态的精准控制。结果表明:主楼钢结构屋盖的施工方案可行,提升过程中结构变形与内力满足要求;钢网架考虑施工过程的影响后,跨中竖向挠度增大,应采用可靠的措施减小挠度增大所带来的不利影响;钢网架从开始施工到最后成型的过程中,局部杆件受力模式由长细比控制变成受力控制,须加大截面;大跨度网架有必要在施工模拟卸载胎架后,按设计荷载输入施工模拟分析模型进行位移和应力比复核;网架实测的应力和位移与施工仿真模拟基本一致,表明了施工模拟分析的准确性。
2024, 39(3): 47-50.
doi: 10.13206/j.gjgS24032020
摘要:
为防止不明原因导致建筑物严重倒塌,欧州建筑法规给出了一些最低设计要求。首先介绍欧洲标准EN1991-1-7的规定,根据破坏后果对建筑物进行分类以及对各类建筑应采取的构造措施和最低拉结承载力要求。结合欧洲标准和T/CECS 392—2021《建筑结构抗倒塌设计标准》,为保证中小跨度钢结构屋盖的鲁棒性,对其支座设计提出了承载力要求,对屋盖本身提出了承载力及构造建议。
为防止不明原因导致建筑物严重倒塌,欧州建筑法规给出了一些最低设计要求。首先介绍欧洲标准EN1991-1-7的规定,根据破坏后果对建筑物进行分类以及对各类建筑应采取的构造措施和最低拉结承载力要求。结合欧洲标准和T/CECS 392—2021《建筑结构抗倒塌设计标准》,为保证中小跨度钢结构屋盖的鲁棒性,对其支座设计提出了承载力要求,对屋盖本身提出了承载力及构造建议。
