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2024年 第39卷 第8期
2024, 39(8): 1-10.
doi: 10.13206/j.gjgS23040301
摘要
PDF (12002KB)
摘要:
既有钢结构建筑受损待修复期间，钢材受静态应变时效影响，其材料性能发生显著变化，致使受损钢结构修复后整体受力性能改变。为研究静态应变时效对受损钢梁受弯力学性能的影响，设计了3根Q355B热轧H型钢梁，通过两阶段加载试验方法完成受损钢梁应变时效影响试验研究，并基于试验结果建立ABAQUS有限元分析模型。通过二次模型导入和材性重定义，实现钢材经应变时效影响前后的不同材料属性建模，完成受损钢梁应变时效影响的有限元模型建立及参数分析。研究结果表明：受损钢梁的受力性能由残余变形和钢材力学性能变化两者共同决定，当钢梁发生损伤程度较小时，钢材力学性能变化不显著，钢梁因残余变形而极限承载力降低；当钢梁损伤变形导致部分截面应变达到4.5%及以上时，不再适合修复后继续使用。
既有钢结构建筑受损待修复期间，钢材受静态应变时效影响，其材料性能发生显著变化，致使受损钢结构修复后整体受力性能改变。为研究静态应变时效对受损钢梁受弯力学性能的影响，设计了3根Q355B热轧H型钢梁，通过两阶段加载试验方法完成受损钢梁应变时效影响试验研究，并基于试验结果建立ABAQUS有限元分析模型。通过二次模型导入和材性重定义，实现钢材经应变时效影响前后的不同材料属性建模，完成受损钢梁应变时效影响的有限元模型建立及参数分析。研究结果表明：受损钢梁的受力性能由残余变形和钢材力学性能变化两者共同决定，当钢梁发生损伤程度较小时，钢材力学性能变化不显著，钢梁因残余变形而极限承载力降低；当钢梁损伤变形导致部分截面应变达到4.5%及以上时，不再适合修复后继续使用。
2024, 39(8): 11-19.
doi: 10.13206/j.gjgS23053001
摘要:
为探究不同腹板高厚比和钢种组合对钢梁静力承载性能的影响，分别设计制作了1个同钢种钢梁和3个多钢种混用钢梁，并对试件进行四点弯曲试验，得到各试件的破坏形态、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线、腹板和翼缘屈服荷载以及极限荷载等，并且将理论计算值与试验值进行对比分析；然后利用有限元ABAQUS进行非线性屈曲分析，将计算结果同试验结果进行对比，验证有限元模型的合理性，基于此进行参数分析，进一步探究腹板高厚比和钢种组合对钢梁静力承载力的影响，同时结合用钢量变化分析改变腹板高度、腹板厚度和腹板强度的经济性；最后将参数分析所得翼缘屈服弯矩、塑性极限弯矩、弯扭屈曲临界弯矩与相应理论公式计算结果相对比，为多钢种混用钢梁的设计提供参考。结果表明：1）试件M-1翼缘屈服荷载比试件S-1翼缘屈服荷载大8.7%，说明在两个试件设计高厚比与采用GB 50017—2017《钢结构设计标准》计算所得相应高厚比限值的比值相同时，多钢种混用钢梁设计承载能力略优于同钢种钢梁。因此实际结构中，当腹板高厚比较大时，翼缘可采用更高强度等级钢材，同时腹板可采用较低强度钢材，形成多钢种混用钢梁以代替同钢种钢梁，可适当提高钢梁静力承载能力，同时节省钢材用量；2）当截面高度增大，试件腹板屈服荷载有所提高，试件M-3腹板屈服荷载比M-1高12.7%，初始缺陷对钢梁承载能力的影响主要体现在加载后期，因腹板高厚比增大，其初始缺陷程度会增大，同时承载力会提升，故与试件M-1相比，试件M-2和M-3翼缘屈服对应荷载相差不大，破坏荷载分别降低了4.7%和9.4%；3）通过增大腹板强度等级，用钢量提高7%时翼缘屈服弯矩的提升仅7%，效果不佳；增大腹板高度时翼缘屈服弯矩的提升效率可达到增大腹板厚度对应提升效率的8倍；4）多钢种混用钢梁翼缘屈服弯矩、塑性极限弯矩和弯扭临界弯矩均可参考相关文献中理论计算公式进行确定。
为探究不同腹板高厚比和钢种组合对钢梁静力承载性能的影响，分别设计制作了1个同钢种钢梁和3个多钢种混用钢梁，并对试件进行四点弯曲试验，得到各试件的破坏形态、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线、腹板和翼缘屈服荷载以及极限荷载等，并且将理论计算值与试验值进行对比分析；然后利用有限元ABAQUS进行非线性屈曲分析，将计算结果同试验结果进行对比，验证有限元模型的合理性，基于此进行参数分析，进一步探究腹板高厚比和钢种组合对钢梁静力承载力的影响，同时结合用钢量变化分析改变腹板高度、腹板厚度和腹板强度的经济性；最后将参数分析所得翼缘屈服弯矩、塑性极限弯矩、弯扭屈曲临界弯矩与相应理论公式计算结果相对比，为多钢种混用钢梁的设计提供参考。结果表明：1）试件M-1翼缘屈服荷载比试件S-1翼缘屈服荷载大8.7%，说明在两个试件设计高厚比与采用GB 50017—2017《钢结构设计标准》计算所得相应高厚比限值的比值相同时，多钢种混用钢梁设计承载能力略优于同钢种钢梁。因此实际结构中，当腹板高厚比较大时，翼缘可采用更高强度等级钢材，同时腹板可采用较低强度钢材，形成多钢种混用钢梁以代替同钢种钢梁，可适当提高钢梁静力承载能力，同时节省钢材用量；2）当截面高度增大，试件腹板屈服荷载有所提高，试件M-3腹板屈服荷载比M-1高12.7%，初始缺陷对钢梁承载能力的影响主要体现在加载后期，因腹板高厚比增大，其初始缺陷程度会增大，同时承载力会提升，故与试件M-1相比，试件M-2和M-3翼缘屈服对应荷载相差不大，破坏荷载分别降低了4.7%和9.4%；3）通过增大腹板强度等级，用钢量提高7%时翼缘屈服弯矩的提升仅7%，效果不佳；增大腹板高度时翼缘屈服弯矩的提升效率可达到增大腹板厚度对应提升效率的8倍；4）多钢种混用钢梁翼缘屈服弯矩、塑性极限弯矩和弯扭临界弯矩均可参考相关文献中理论计算公式进行确定。
2024, 39(8): 20-28.
doi: 10.13206/j.gjgS23062701
摘要:
模块化钢结构建筑是一种新型装配式建筑，其具备较高的工业化水平，在国内得到了大力发展。雄安新区容城县贾光中学扩建项目工程采用模块化钢结构叠箱体系，为便于上下单元房模块间连接和安装，提出一种新型单元房承插式连接柱-柱节点，该节点通过螺栓与套筒实现上下柱连接，单元房之间竖向连接在风荷载作用以及多遇地震作用下不应发生竖向分离，对3个足尺节点试件进行抗拉试验，分析其破坏形态、螺栓剪力分布和抗拉承载能力等，探讨了节点有无注浆和螺栓数量对节点承载能力的影响；基于现有文献中高强螺栓抗剪承载力设计值计算方法，提出了该新型节点的抗拉强度设计公式；建立了可靠的数值模型，对螺栓数量和螺栓直径进行了参数分析，研究其对节点抗拉承载力的影响，并将参数化分析结果与理论计算结果进行对比。
研究结果表明：在轴向荷载作用下，试件均发生高强螺栓群剪切破坏，同时无浆节点试件发生内套筒孔壁压屈，灌浆节点试件出现灌浆料局部压溃现象，并伴随着钢材与灌浆料界面间的黏结破坏；试验加载前期，高强螺栓群所受剪力呈端部大、中心小的分布，加载后期，高强螺栓群的剪力差值逐渐减小，达到极限承载力时，高强螺栓群所受剪力趋于均匀分布；该新型节点依靠高强螺栓群抗剪承担轴向拉力荷载，单个螺栓的抗剪承载力平均值较GB 50017—2017《钢结构设计标准》计算值提高了76.9%；节点注入灌浆料后，灌浆料和高强螺栓协同工作，抗拉承载力较无浆节点提高14.1%；螺栓数量由3个增至5个，由于摩擦力增大和单个螺栓所受剪力的减小，节点抗拉承载力提高80.9%；增大螺栓直径，则弹性阶段螺栓预紧力提高、塑性阶段螺杆与孔壁的接触面积增大，节点的抗拉承载力增大；有限元参数化分析结果和理论计算结果误差均控制在10%以内，所提出的节点抗拉强度设计公式较为准确地预测了该新型节点在轴向拉力作用下的抗拉承载能力，为实际工程应用提供理论参考。
模块化钢结构建筑是一种新型装配式建筑，其具备较高的工业化水平，在国内得到了大力发展。雄安新区容城县贾光中学扩建项目工程采用模块化钢结构叠箱体系，为便于上下单元房模块间连接和安装，提出一种新型单元房承插式连接柱-柱节点，该节点通过螺栓与套筒实现上下柱连接，单元房之间竖向连接在风荷载作用以及多遇地震作用下不应发生竖向分离，对3个足尺节点试件进行抗拉试验，分析其破坏形态、螺栓剪力分布和抗拉承载能力等，探讨了节点有无注浆和螺栓数量对节点承载能力的影响；基于现有文献中高强螺栓抗剪承载力设计值计算方法，提出了该新型节点的抗拉强度设计公式；建立了可靠的数值模型，对螺栓数量和螺栓直径进行了参数分析，研究其对节点抗拉承载力的影响，并将参数化分析结果与理论计算结果进行对比。
研究结果表明：在轴向荷载作用下，试件均发生高强螺栓群剪切破坏，同时无浆节点试件发生内套筒孔壁压屈，灌浆节点试件出现灌浆料局部压溃现象，并伴随着钢材与灌浆料界面间的黏结破坏；试验加载前期，高强螺栓群所受剪力呈端部大、中心小的分布，加载后期，高强螺栓群的剪力差值逐渐减小，达到极限承载力时，高强螺栓群所受剪力趋于均匀分布；该新型节点依靠高强螺栓群抗剪承担轴向拉力荷载，单个螺栓的抗剪承载力平均值较GB 50017—2017《钢结构设计标准》计算值提高了76.9%；节点注入灌浆料后，灌浆料和高强螺栓协同工作，抗拉承载力较无浆节点提高14.1%；螺栓数量由3个增至5个，由于摩擦力增大和单个螺栓所受剪力的减小，节点抗拉承载力提高80.9%；增大螺栓直径，则弹性阶段螺栓预紧力提高、塑性阶段螺杆与孔壁的接触面积增大，节点的抗拉承载力增大；有限元参数化分析结果和理论计算结果误差均控制在10%以内，所提出的节点抗拉强度设计公式较为准确地预测了该新型节点在轴向拉力作用下的抗拉承载能力，为实际工程应用提供理论参考。
2024, 39(8): 29-36.
doi: 10.13206/j.gjgS23082701
摘要:
顺德德胜体育中心训练馆是华南区域已建成的最大跨度椭圆形闭口式、轮辐式双层索系结构。训练馆结构由竖向V撑、外压环、内拉环、撑杆、径向受力索和环向稳定索共同组成，平面为椭圆形，平面尺寸97 m×83 m，其中索网部分长、短轴长度分别为89、75 m，中部压环高度为8.3 m。针对轮辐式双层索结构体系找力程序繁琐、优化困难等缺点，将改进后的粒子群算法首次应用于上述问题中。粒子群算法（PSO）是一种以鸟群觅食的自然生物现象作为启发而提出的仿生学智能优化算法，虽已在各优化领域崭露头角，但其在大跨度预应力结构领域的应用较少。鉴于上述现状，根据PSO优化算法的优缺点，提出一种改进的PSO算法，改进算法规避了原始方法惯性系数w无法根据优化过程进行更新而导致算法后期优化效率低下的缺点，显著提高了算法的优化效率。通过编程软件MATLAB编制改进的PSO算法程序，通过MATLAB与ANSYS有限元软件的协同工作机制，将改进的PSO用于轮辐式双层索系结构体系的预应力优化中，结果表明，经改进优化算法优化后的双层索网结构在预应力态下仅有33 mm的最大竖向位移，优化效果显著，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》要求。在上述优化基础上，进一步对轮辐式双层索系结构进行常规的弹性分析，如模态分析、索网变形分析、拉索内力分析、非线性屈曲分析及应力比验算等，结果显示各项指标均满足GB 50017—2017的要求。通过断索和断环梁的分析，验证了结构在极端情况下仍具有足够的安全储备，具备足够的安全冗余度。利用有限元软件对索夹节点进行1∶1实际仿真建模分析，将设计的包络索力施加于计算模型中，验证了索夹受力满足设计要求。改进的PSO算法得到的双层索系结构预应力优化结果，满足结构初始态强度与刚度要求，并在此基础上进行模态分析、索网变形分析、拉索内力分析、非线性屈曲分析及应力比验算、断索和断环梁分析，验证了结构具备足够的安全冗余度，因此，改进的PSO为索网结构体系的预应力优化问题提供了一个有效的解决途径，可用于今后类似问题的求解。
顺德德胜体育中心训练馆是华南区域已建成的最大跨度椭圆形闭口式、轮辐式双层索系结构。训练馆结构由竖向V撑、外压环、内拉环、撑杆、径向受力索和环向稳定索共同组成，平面为椭圆形，平面尺寸97 m×83 m，其中索网部分长、短轴长度分别为89、75 m，中部压环高度为8.3 m。针对轮辐式双层索结构体系找力程序繁琐、优化困难等缺点，将改进后的粒子群算法首次应用于上述问题中。粒子群算法（PSO）是一种以鸟群觅食的自然生物现象作为启发而提出的仿生学智能优化算法，虽已在各优化领域崭露头角，但其在大跨度预应力结构领域的应用较少。鉴于上述现状，根据PSO优化算法的优缺点，提出一种改进的PSO算法，改进算法规避了原始方法惯性系数w无法根据优化过程进行更新而导致算法后期优化效率低下的缺点，显著提高了算法的优化效率。通过编程软件MATLAB编制改进的PSO算法程序，通过MATLAB与ANSYS有限元软件的协同工作机制，将改进的PSO用于轮辐式双层索系结构体系的预应力优化中，结果表明，经改进优化算法优化后的双层索网结构在预应力态下仅有33 mm的最大竖向位移，优化效果显著，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》要求。在上述优化基础上，进一步对轮辐式双层索系结构进行常规的弹性分析，如模态分析、索网变形分析、拉索内力分析、非线性屈曲分析及应力比验算等，结果显示各项指标均满足GB 50017—2017的要求。通过断索和断环梁的分析，验证了结构在极端情况下仍具有足够的安全储备，具备足够的安全冗余度。利用有限元软件对索夹节点进行1∶1实际仿真建模分析，将设计的包络索力施加于计算模型中，验证了索夹受力满足设计要求。改进的PSO算法得到的双层索系结构预应力优化结果，满足结构初始态强度与刚度要求，并在此基础上进行模态分析、索网变形分析、拉索内力分析、非线性屈曲分析及应力比验算、断索和断环梁分析，验证了结构具备足够的安全冗余度，因此，改进的PSO为索网结构体系的预应力优化问题提供了一个有效的解决途径，可用于今后类似问题的求解。
2024, 39(8): 37-44.
doi: 10.13206/j.gjgS23092701
摘要:
以顺德德胜体育中心体育场项目为依托，从项目的重、难点出发，针对场地条件特点、屋盖造型复杂和支撑条件有限，进行了屋盖整体结构方案的思考和分析，提出了一种契合建筑复杂造型且能够空间协同工作的拱架结构体系。对体育场屋盖创新性地组合了巨型拱架结构、张弦网格结构及带上人观光功能的连廊结构体系，解决了屋盖大跨度、大悬挑的受力及上人功能的需求。其特点在于利用建筑屋盖4个落地筒状造型，设置4根巨型格构柱，与屋面内环三角桁架共同组成具有空间协同受力的巨型拱架结构体系。方案确定后，首先进行了巨型拱架结构体系的受力分析、变形控制及承载力验算，确保巨型拱架结构体系的传力合理及安全稳定性；对张弦网格结构进行了索力分析与设计，确保在最不利工况下拉索不松弛；对本项目复杂及关键节点进行有限元分析，通过受力计算和构造加强，保证节点在复杂应力状态下处于弹性工作状态。最后，对屋盖钢结构监测数据进行分析和对比，对钢结构合拢前、合拢后、胎架拆除过程及屋面二次安装过程的变形及杆件应力变化情况进行分析，并与预警值比较，结果表明所有监测数据未超出设计预警值，符合设计要求。综合分析表明，本项目体育场大跨度复杂钢结构采用巨型拱架+张弦网格+观光连廊结构体系具有足够的稳定和安全冗余度，其结构体系和设计方法可以为类似工程参考借鉴。
以顺德德胜体育中心体育场项目为依托，从项目的重、难点出发，针对场地条件特点、屋盖造型复杂和支撑条件有限，进行了屋盖整体结构方案的思考和分析，提出了一种契合建筑复杂造型且能够空间协同工作的拱架结构体系。对体育场屋盖创新性地组合了巨型拱架结构、张弦网格结构及带上人观光功能的连廊结构体系，解决了屋盖大跨度、大悬挑的受力及上人功能的需求。其特点在于利用建筑屋盖4个落地筒状造型，设置4根巨型格构柱，与屋面内环三角桁架共同组成具有空间协同受力的巨型拱架结构体系。方案确定后，首先进行了巨型拱架结构体系的受力分析、变形控制及承载力验算，确保巨型拱架结构体系的传力合理及安全稳定性；对张弦网格结构进行了索力分析与设计，确保在最不利工况下拉索不松弛；对本项目复杂及关键节点进行有限元分析，通过受力计算和构造加强，保证节点在复杂应力状态下处于弹性工作状态。最后，对屋盖钢结构监测数据进行分析和对比，对钢结构合拢前、合拢后、胎架拆除过程及屋面二次安装过程的变形及杆件应力变化情况进行分析，并与预警值比较，结果表明所有监测数据未超出设计预警值，符合设计要求。综合分析表明，本项目体育场大跨度复杂钢结构采用巨型拱架+张弦网格+观光连廊结构体系具有足够的稳定和安全冗余度，其结构体系和设计方法可以为类似工程参考借鉴。
2024, 39(8): 45-51.
doi: 10.13206/j.gjgS23092701
摘要:
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，大跨度楼盖建筑得到发展。楼盖结构的竖向自振频率越来越接近人员活动的激励荷载频率，导致结构产生影响舒适度的动力响应，因此建筑楼盖中的振动舒适性问题开始引起人们的重视。舒适度问题需要在结构设计阶段考虑，如果在工程竣工后才发现楼盖结构的振动舒适度问题，则后期加固难度大、代价高。以排练厅大跨度楼盖结构为工程背景，由于大跨度楼盖结构的第1阶整体竖向振型的频率较低，与排练厅使用人员产生的振动荷载频率接近，楼盖容易产生影响舒适性的动力响应。故按照国家现行标准JGJ/T 441—2019《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》在结构设计阶段对排练厅大跨度楼盖结构进行振动舒适度控制。首先，通过模态分析确定楼盖的动力特性、最不利振动点的位置以及激励荷载的时程曲线。然后，通过动力响应分析对各个振动荷载工况进行舒适度评价，并确定了排练厅楼盖振动舒适度的控制工况。当不采取减振措施时，在人群跳舞激励的控制工况下，楼盖最不利振动点处的稳态振动峰值加速度高达1.047m/s2，跳舞人群会明显感觉到不舒适。最后，采用调谐质量阻尼器对楼盖进行减振设计，确定质量、阻尼比和频率比对减振率的影响规律，并成功将舒适度控制工况下楼盖最不利振动点处的稳态振动峰值加速度降低至0.4837 m/s2（在规范限值之内）,减振率为53.8%，满足了跳舞人群对楼盖振动舒适度的要求。
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，大跨度楼盖建筑得到发展。楼盖结构的竖向自振频率越来越接近人员活动的激励荷载频率，导致结构产生影响舒适度的动力响应，因此建筑楼盖中的振动舒适性问题开始引起人们的重视。舒适度问题需要在结构设计阶段考虑，如果在工程竣工后才发现楼盖结构的振动舒适度问题，则后期加固难度大、代价高。以排练厅大跨度楼盖结构为工程背景，由于大跨度楼盖结构的第1阶整体竖向振型的频率较低，与排练厅使用人员产生的振动荷载频率接近，楼盖容易产生影响舒适性的动力响应。故按照国家现行标准JGJ/T 441—2019《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》在结构设计阶段对排练厅大跨度楼盖结构进行振动舒适度控制。首先，通过模态分析确定楼盖的动力特性、最不利振动点的位置以及激励荷载的时程曲线。然后，通过动力响应分析对各个振动荷载工况进行舒适度评价，并确定了排练厅楼盖振动舒适度的控制工况。当不采取减振措施时，在人群跳舞激励的控制工况下，楼盖最不利振动点处的稳态振动峰值加速度高达1.047m/s2，跳舞人群会明显感觉到不舒适。最后，采用调谐质量阻尼器对楼盖进行减振设计，确定质量、阻尼比和频率比对减振率的影响规律，并成功将舒适度控制工况下楼盖最不利振动点处的稳态振动峰值加速度降低至0.4837 m/s2（在规范限值之内）,减振率为53.8%，满足了跳舞人群对楼盖振动舒适度的要求。
2024, 39(8): 52-54.
doi: 10.13206/j.gjgS24031921
摘要:
介绍了由板件和螺栓本身决定的一个高强螺栓的抗拉承载力（纳入了螺栓孔的影响）。介绍了钢梁的未加劲外伸端板厚度计算公式，对现行的公式是否能够保证强螺栓、弱端板这样的抗震设计要求进行了判断。对加劲端板节点，介绍了带1/4椭圆锥面的塑性机构，由此确定的端板厚度比GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规定》中的公式确定的值大4％~10%，对比了未加劲端板与加劲端板的厚度，发现后者基本上是前者的75%。
