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2025年 第40卷 第3期
2025, 40(3): 1-19.
doi: 10.13206/j.gjgS24042201
摘要
PDF (2441KB)
摘要:
目前各国（地区）主要钢结构设计规范均未涵盖屈服强度超过690 MPa的超高强度结构钢材钢结构的设计，限制了超高强度结构钢材钢结构的工程应用。从材料、截面残余应力分布、构件、连接与节点、结构体系等五个层面出发，总结了近年来国内外学者针对超高强度钢材钢结构的研究成果。主要包括：材料的静力拉伸力学性能、循环本构、韧性、抗火性能；截面残余应力分布；轴压构件、受弯构件和压弯构件的力学性能；焊接接头、螺栓接头、梁柱节点的力学性能；钢结构相关设计方法及结构力学性能等。对超高强钢结构的进一步研究工作进行了展望，为超高强钢材的计算方法、设计理论提供借鉴，推动其在工程领域的应用。
目前各国（地区）主要钢结构设计规范均未涵盖屈服强度超过690 MPa的超高强度结构钢材钢结构的设计，限制了超高强度结构钢材钢结构的工程应用。从材料、截面残余应力分布、构件、连接与节点、结构体系等五个层面出发，总结了近年来国内外学者针对超高强度钢材钢结构的研究成果。主要包括：材料的静力拉伸力学性能、循环本构、韧性、抗火性能；截面残余应力分布；轴压构件、受弯构件和压弯构件的力学性能；焊接接头、螺栓接头、梁柱节点的力学性能；钢结构相关设计方法及结构力学性能等。对超高强钢结构的进一步研究工作进行了展望，为超高强钢材的计算方法、设计理论提供借鉴，推动其在工程领域的应用。
2025, 40(3): 20-32.
doi: 10.13206/j.gjgS24032801
摘要:
为提升现有拆装式模块化箱式钢结构的力学性能和拓展其在营房建筑中的应用，基于传统模块化钢结构箱式房体系发展了一套适用于高速安拆、组合更灵活和兼顾地板保温的箱式营房结构体系。该结构体系由等边立柱、薄壁开口框架顶梁和底梁（局部加强）、等边角件、带保温的地板系统和可调节高度的基础等构成。新结构体系必然带来力学性能（极限承载力和刚度）的变化，如何准确计算结构响应至关重要。结合拆装式模块化箱式房屋的构成特点，通过对结构非线性分析，建立了单箱体系和多层箱结构体系的杆系模型、壳单元模型和多尺度模型三种有限元分析模型，深入分析了单箱和多层箱结构构件的内力和变形响应结果，量化了杆系模型（刚接、铰接）与壳单元模型（半刚性）相关计算假定导致的结果差异，揭示了主次梁相互作用机制和整体结构构成导致的传力机制，最终明确了拆装式模块化箱式房屋结构的有限元分析模型和精细化分析方法，并提出了更加合理的主次梁焊接方式。有限元对比分析表明：采用杆系模型的计算效率较高，但主要受力构件计算结果精度低，远达不到要求；杆系模型在计算分析时构件自动引入平截面假定，计算变形结果无法反映薄壁开口截面弯扭屈曲对变形的贡献，无法反映主次梁相互作用，特别是预测楼盖刚度与变形时不建议采用杆系模型和多尺度模型进行分析；在“恒载+风载”工况下，多尺度模型与壳单元模型的结构侧向位移偏差较小，故可采用多尺度模型进行分析；多层箱体分析虽可采用铰接-杆系模型进行分析，但计算结果偏保守：水平荷载作用下，变形基本存在30%的偏差；竖向荷载作用下，内力存在50%以上的偏差。故多层箱体结构分析不建议采用刚接-杆系模型，其计算结果与壳单元模型相比偏不安全且偏差较大。
为提升现有拆装式模块化箱式钢结构的力学性能和拓展其在营房建筑中的应用，基于传统模块化钢结构箱式房体系发展了一套适用于高速安拆、组合更灵活和兼顾地板保温的箱式营房结构体系。该结构体系由等边立柱、薄壁开口框架顶梁和底梁（局部加强）、等边角件、带保温的地板系统和可调节高度的基础等构成。新结构体系必然带来力学性能（极限承载力和刚度）的变化，如何准确计算结构响应至关重要。结合拆装式模块化箱式房屋的构成特点，通过对结构非线性分析，建立了单箱体系和多层箱结构体系的杆系模型、壳单元模型和多尺度模型三种有限元分析模型，深入分析了单箱和多层箱结构构件的内力和变形响应结果，量化了杆系模型（刚接、铰接）与壳单元模型（半刚性）相关计算假定导致的结果差异，揭示了主次梁相互作用机制和整体结构构成导致的传力机制，最终明确了拆装式模块化箱式房屋结构的有限元分析模型和精细化分析方法，并提出了更加合理的主次梁焊接方式。有限元对比分析表明：采用杆系模型的计算效率较高，但主要受力构件计算结果精度低，远达不到要求；杆系模型在计算分析时构件自动引入平截面假定，计算变形结果无法反映薄壁开口截面弯扭屈曲对变形的贡献，无法反映主次梁相互作用，特别是预测楼盖刚度与变形时不建议采用杆系模型和多尺度模型进行分析；在“恒载+风载”工况下，多尺度模型与壳单元模型的结构侧向位移偏差较小，故可采用多尺度模型进行分析；多层箱体分析虽可采用铰接-杆系模型进行分析，但计算结果偏保守：水平荷载作用下，变形基本存在30%的偏差；竖向荷载作用下，内力存在50%以上的偏差。故多层箱体结构分析不建议采用刚接-杆系模型，其计算结果与壳单元模型相比偏不安全且偏差较大。
2025, 40(3): 33-38.
doi: 10.13206/j.gjgS23080902
摘要:
钢结构模块建筑是一种新型的装配式建筑结构体系，具有现场快速拼装且可循环利用的优点，已成为建筑工业化的发展重点，在我国已逐渐得到重视和广泛应用。其连接节点对结构体系性能有重要影响，可以兼顾施工便捷和安全传力双重需求的连接节点是钢模块结构推广中的关键技术难点之一。重点针对钢结构模块建筑的单元间连接节点，考虑现场存在施工误差的实际情况，进行可调节施工误差的钢结构模块新型连接节点设计与研究。通过在节点中引入楔形块，实现节点在施工过程中可以适度调节，保障施工便捷性，同时兼顾节点抗拉、抗压、抗剪等各方面力学性能；系统阐述了该新型节点引入楔形块实现调节施工误差的基本原理、节点的详细设计、计算方法和施工安装方法，并分析了该新型节点的优缺点；同时也给出了新型节点的其他构造形式。该新型节点构造简单、传力明确、安装方便、能调节一定的施工误差，且能满足节点力学性能要求，可在钢结构模块建筑中广泛使用。
钢结构模块建筑是一种新型的装配式建筑结构体系，具有现场快速拼装且可循环利用的优点，已成为建筑工业化的发展重点，在我国已逐渐得到重视和广泛应用。其连接节点对结构体系性能有重要影响，可以兼顾施工便捷和安全传力双重需求的连接节点是钢模块结构推广中的关键技术难点之一。重点针对钢结构模块建筑的单元间连接节点，考虑现场存在施工误差的实际情况，进行可调节施工误差的钢结构模块新型连接节点设计与研究。通过在节点中引入楔形块，实现节点在施工过程中可以适度调节，保障施工便捷性，同时兼顾节点抗拉、抗压、抗剪等各方面力学性能；系统阐述了该新型节点引入楔形块实现调节施工误差的基本原理、节点的详细设计、计算方法和施工安装方法，并分析了该新型节点的优缺点；同时也给出了新型节点的其他构造形式。该新型节点构造简单、传力明确、安装方便、能调节一定的施工误差，且能满足节点力学性能要求，可在钢结构模块建筑中广泛使用。
2025, 40(3): 39-48.
doi: 10.13206/j.gjgS24080701
摘要:
拆装式模块化钢结构具有施工高效、经济环保、灵活性高、可重复使用等优势，被广泛应用于临时建筑、应急救援、防疫医院、军事工程等多种场景。但在实际工程应用中仍面临着诸多挑战：1）标准化和建筑多样性存在矛盾；2）目前对常采用的开口薄壁构件主次梁传力机理仍不清晰，连接节点的计算假定与实际边界出入较大；3）模块单元与外挂结构节点形式较少等。为摸清结构的传力机理，减少模块单元规格，提升现有拆装式模块化钢结构的力学性能、可拓展性及其在营房建筑中的应用，基于传统模块化钢结构营房体系改进了一种具有高效拆装、组合灵活、兼顾地板保温及外挂的营房结构体系。新体系由等边角钢柱、等边角件、薄壁开口主梁（局部加强）和次梁、带保温的地板系统、可调节高度的支承基础和外挂结构构成。抗侧刚度和竖向承载力是评价模块化钢结构力学性能的重要指标，新体系必然带来力学性能的变化。通过对改进型的新体系开展竖向和侧向加载力学试验，量化了顶框和底框主次梁连接处应力、梁端应力和外挂结构应力，分析表明：竖向标准组合荷载工况下，箱体整体变形远小于标准要求，性能优异；水平作用下，箱体具有较好的抗侧刚度，建议应加强控制加工误差和安装质量；外挂系统节点构造满足承载力和变形的要求。同时研究了顶/底框和外挂结构的主次梁变形特征，结合试验与有限元数值模拟分析了外挂节点和基础关键部位的受力性能。分析表明：箱体基础与角件连接、立柱与角件连接、角件与角件连接等界面仅仅采用铰接或刚接计算假定不足以模拟箱体的真实力学响应，建议应考虑界面脱开特征进行精细化模拟和计算；次梁延伸至顶框主梁腹板至少40 mm可提升顶框主梁抗扭性能，同时降低连接节点处的应力水平。
拆装式模块化钢结构具有施工高效、经济环保、灵活性高、可重复使用等优势，被广泛应用于临时建筑、应急救援、防疫医院、军事工程等多种场景。但在实际工程应用中仍面临着诸多挑战：1）标准化和建筑多样性存在矛盾；2）目前对常采用的开口薄壁构件主次梁传力机理仍不清晰，连接节点的计算假定与实际边界出入较大；3）模块单元与外挂结构节点形式较少等。为摸清结构的传力机理，减少模块单元规格，提升现有拆装式模块化钢结构的力学性能、可拓展性及其在营房建筑中的应用，基于传统模块化钢结构营房体系改进了一种具有高效拆装、组合灵活、兼顾地板保温及外挂的营房结构体系。新体系由等边角钢柱、等边角件、薄壁开口主梁（局部加强）和次梁、带保温的地板系统、可调节高度的支承基础和外挂结构构成。抗侧刚度和竖向承载力是评价模块化钢结构力学性能的重要指标，新体系必然带来力学性能的变化。通过对改进型的新体系开展竖向和侧向加载力学试验，量化了顶框和底框主次梁连接处应力、梁端应力和外挂结构应力，分析表明：竖向标准组合荷载工况下，箱体整体变形远小于标准要求，性能优异；水平作用下，箱体具有较好的抗侧刚度，建议应加强控制加工误差和安装质量；外挂系统节点构造满足承载力和变形的要求。同时研究了顶/底框和外挂结构的主次梁变形特征，结合试验与有限元数值模拟分析了外挂节点和基础关键部位的受力性能。分析表明：箱体基础与角件连接、立柱与角件连接、角件与角件连接等界面仅仅采用铰接或刚接计算假定不足以模拟箱体的真实力学响应，建议应考虑界面脱开特征进行精细化模拟和计算；次梁延伸至顶框主梁腹板至少40 mm可提升顶框主梁抗扭性能，同时降低连接节点处的应力水平。
2025, 40(3): 49-57.
doi: 10.13206/j.gjgS24031702
摘要:
采用有限元数值模拟的方法对T形方颈单边螺栓连接钢梁-钢管柱节点抗弯承载力分析模型和计算公式进行了扩大化参数分析，以填补试验研究未考虑参数的空缺，验证了理论分析模型的可靠性和准确性。结果表明：1）所建立的节点三维有限元模型不仅能够准确预测节点在单调荷载下的破坏模式、各部件受力状态和屈服顺序，还能得到与试验结果吻合度较高的节点转角-弯矩关系曲线，具有较高的准确度和可靠性；2）节点抗弯承载力理论计算值与有限元值之间的误差基本保持在15%之内，仅有个别节点的误差较大，但是不超过40%。此外，理论公式对节点峰值承载力的预测结果优于屈服承载力；3）从破坏模式来看，47.1%的节点被完全准确预测，47.1%的节点被部分成功预测，仅有5.8%的节点预测错误。考虑到节点构造的复杂性及各组件分析模型简化等方面的影响，认为这种程度的承载力预测误差和破坏模式预测误差是可以接受的。
采用有限元数值模拟的方法对T形方颈单边螺栓连接钢梁-钢管柱节点抗弯承载力分析模型和计算公式进行了扩大化参数分析，以填补试验研究未考虑参数的空缺，验证了理论分析模型的可靠性和准确性。结果表明：1）所建立的节点三维有限元模型不仅能够准确预测节点在单调荷载下的破坏模式、各部件受力状态和屈服顺序，还能得到与试验结果吻合度较高的节点转角-弯矩关系曲线，具有较高的准确度和可靠性；2）节点抗弯承载力理论计算值与有限元值之间的误差基本保持在15%之内，仅有个别节点的误差较大，但是不超过40%。此外，理论公式对节点峰值承载力的预测结果优于屈服承载力；3）从破坏模式来看，47.1%的节点被完全准确预测，47.1%的节点被部分成功预测，仅有5.8%的节点预测错误。考虑到节点构造的复杂性及各组件分析模型简化等方面的影响，认为这种程度的承载力预测误差和破坏模式预测误差是可以接受的。
2025, 40(3): 58-67.
doi: 10.13206/j.gjgS23122903
摘要:
装配式组合扁梁采用钢筋桁架楼承板作为底板，并铺设在型钢梁底部翼缘板上，通过剪力连接件将钢梁与混凝土组合成一个整体，具有刚度大、承载力高、防火性能好、施工便捷及建筑层高低等特点，因此具有广阔的应用前景。为了研究不同剪力连接件对组合扁梁的抗弯性能的影响，共设计了3根组合扁梁试件，其中包括带头栓钉剪力连接件、横向钢筋剪力连接件和无剪力连接件3种形式，并分别进行受弯加载试验，分析其受力过程和破坏形式，对比3个试件的最大跨中挠度值、极限承载力、端部滑移以及跨中横截面上应变分布情况。为了进一步研究不同参数对组合扁梁跨中最大挠度和极限承载力的影响，运用ANSYS软件对带头栓钉连接件的组合扁梁进行有限元数值模拟，通过荷载-挠度曲线和裂缝开裂位置，验证所建模型的精确性。随后进行型钢与混凝土强度、现浇混凝土板厚、配筋率以及型钢板厚等参数分析。结果表明：组合扁梁具有较好的整体性、抗弯承载能力和延性。扁梁加载过程中截面应变基本符合平截面假设；腹板处横向剪力连接件，能有效地减少混凝土与型钢之间的滑移，提高了组合扁梁的抗弯刚度和承载力；有限元模拟结果与试验结果较为吻合，说明所建的模型可以很好地模拟出组合扁梁的受力性能。有限元参数分析结果显示：增大现浇混凝土板厚对组合扁梁抗弯承载力提升最为显著，混凝土和型钢强度提升效果次之；配筋率的提高对构件承载力有一定影响，且能有效提高受弯性能；在型钢板厚增大相同的情况下，增加翼缘板的厚度可以有效提高组合扁梁的极限承载力。
装配式组合扁梁采用钢筋桁架楼承板作为底板，并铺设在型钢梁底部翼缘板上，通过剪力连接件将钢梁与混凝土组合成一个整体，具有刚度大、承载力高、防火性能好、施工便捷及建筑层高低等特点，因此具有广阔的应用前景。为了研究不同剪力连接件对组合扁梁的抗弯性能的影响，共设计了3根组合扁梁试件，其中包括带头栓钉剪力连接件、横向钢筋剪力连接件和无剪力连接件3种形式，并分别进行受弯加载试验，分析其受力过程和破坏形式，对比3个试件的最大跨中挠度值、极限承载力、端部滑移以及跨中横截面上应变分布情况。为了进一步研究不同参数对组合扁梁跨中最大挠度和极限承载力的影响，运用ANSYS软件对带头栓钉连接件的组合扁梁进行有限元数值模拟，通过荷载-挠度曲线和裂缝开裂位置，验证所建模型的精确性。随后进行型钢与混凝土强度、现浇混凝土板厚、配筋率以及型钢板厚等参数分析。结果表明：组合扁梁具有较好的整体性、抗弯承载能力和延性。扁梁加载过程中截面应变基本符合平截面假设；腹板处横向剪力连接件，能有效地减少混凝土与型钢之间的滑移，提高了组合扁梁的抗弯刚度和承载力；有限元模拟结果与试验结果较为吻合，说明所建的模型可以很好地模拟出组合扁梁的受力性能。有限元参数分析结果显示：增大现浇混凝土板厚对组合扁梁抗弯承载力提升最为显著，混凝土和型钢强度提升效果次之；配筋率的提高对构件承载力有一定影响，且能有效提高受弯性能；在型钢板厚增大相同的情况下，增加翼缘板的厚度可以有效提高组合扁梁的极限承载力。
2025, 40(3): 68-77.
doi: 10.13206/j.gjgS23101603
摘要:
综合管廊作为现代化城市重要管线的布设构筑物，不仅有效降低管线运维难度，还可提高管线的使用寿命和抗灾能力。为确保市政地下综合管廊战时抗毁能力，维持战时城市的正常运转，提出了综合管廊新型逃生密闭门，实现对管廊重要口部位置的防护，并采用数值模拟手段，分析了化武荷载和核武荷载冲击波作用下逃生门的位移、应力和变形等参数。结果表明：该逃生门满足防护要求，在化武荷载作用下，逃生门存在明显的反弹效应，最大反弹位移主要取决于爆炸荷载中的负压；闭锁连轴和合页是逃生门的主要约束构件，在冲击波、反弹效应等因素作用下受力复杂且集中应力较大，因此应采用必要的优化设计。
综合管廊作为现代化城市重要管线的布设构筑物，不仅有效降低管线运维难度，还可提高管线的使用寿命和抗灾能力。为确保市政地下综合管廊战时抗毁能力，维持战时城市的正常运转，提出了综合管廊新型逃生密闭门，实现对管廊重要口部位置的防护，并采用数值模拟手段，分析了化武荷载和核武荷载冲击波作用下逃生门的位移、应力和变形等参数。结果表明：该逃生门满足防护要求，在化武荷载作用下，逃生门存在明显的反弹效应，最大反弹位移主要取决于爆炸荷载中的负压；闭锁连轴和合页是逃生门的主要约束构件，在冲击波、反弹效应等因素作用下受力复杂且集中应力较大，因此应采用必要的优化设计。
2025, 40(3): 78-84.
doi: 10.13206/j.gjgS23120603
摘要:
跨海大桥钢箱梁结构同时受到海洋腐蚀和车辆循环荷载的耦合作用，在长期服役过程中，不论是海水腐蚀还是由车轮荷载作用所产生的变形，都会对U肋加劲板的稳定承载力产生一定的影响。为了研究跨海钢箱梁U肋加劲板在长期运营过程中稳定承载力退化的机理，以钢箱梁顶板受压U肋加劲板构件为研究对象，采用ABAQUS有限元软件建立了U肋加劲板有限元模型，分析构件在腐蚀环境下弯曲变形与车轮荷载的耦合作用对U肋加劲板稳定承载力的影响。结果表明：对于不同车轮荷载比例的U肋加劲板，在相同的腐蚀年限下，随着荷载比例增加，承载能力逐渐降低，最大降低了5.27%；在相同超载比例下，随着腐蚀时间增加，承载力均有所降低，其中降低程度最大的超载比例为4时，腐蚀时间为100 a，较相同超载大小且未腐蚀构件降低了9.12%，即车轮荷载的大小以及海水的腐蚀作用均会对U肋加劲板的稳定承载力有一定的影响；在桥梁的运营过程中，由于结构自重及车轮荷载的作用，桥面板会出现不同程度的塑性变形使得U肋构件的受力不再是完全受轴向压力，而是出现偏心受力，当弯曲幅值为L/500、L/250时构件的极限稳定承载力较幅值为L/1000时分别降低了9.03%、19.16%，弯曲幅值的增大降低了构件的极限稳定承载力，从而加快构件达到稳定承载力的过程，但是并不会改变构件的破坏模式；当运营时长达到100 a时，考虑腐蚀、荷载与变形耦合作用时构件的极限稳定承载力较运营时长0a时降低了18.65%，相同情况下仅考虑腐蚀和考虑腐蚀与荷载耦合作用的极限稳定承载力降低了8.75%和8.65%，可知，相对于腐蚀，轮载单独或耦合作用车载及自重荷载产生的构件变形对U肋加劲板构件稳定承载力的影响更为显著。
跨海大桥钢箱梁结构同时受到海洋腐蚀和车辆循环荷载的耦合作用，在长期服役过程中，不论是海水腐蚀还是由车轮荷载作用所产生的变形，都会对U肋加劲板的稳定承载力产生一定的影响。为了研究跨海钢箱梁U肋加劲板在长期运营过程中稳定承载力退化的机理，以钢箱梁顶板受压U肋加劲板构件为研究对象，采用ABAQUS有限元软件建立了U肋加劲板有限元模型，分析构件在腐蚀环境下弯曲变形与车轮荷载的耦合作用对U肋加劲板稳定承载力的影响。结果表明：对于不同车轮荷载比例的U肋加劲板，在相同的腐蚀年限下，随着荷载比例增加，承载能力逐渐降低，最大降低了5.27%；在相同超载比例下，随着腐蚀时间增加，承载力均有所降低，其中降低程度最大的超载比例为4时，腐蚀时间为100 a，较相同超载大小且未腐蚀构件降低了9.12%，即车轮荷载的大小以及海水的腐蚀作用均会对U肋加劲板的稳定承载力有一定的影响；在桥梁的运营过程中，由于结构自重及车轮荷载的作用，桥面板会出现不同程度的塑性变形使得U肋构件的受力不再是完全受轴向压力，而是出现偏心受力，当弯曲幅值为L/500、L/250时构件的极限稳定承载力较幅值为L/1000时分别降低了9.03%、19.16%，弯曲幅值的增大降低了构件的极限稳定承载力，从而加快构件达到稳定承载力的过程，但是并不会改变构件的破坏模式；当运营时长达到100 a时，考虑腐蚀、荷载与变形耦合作用时构件的极限稳定承载力较运营时长0a时降低了18.65%，相同情况下仅考虑腐蚀和考虑腐蚀与荷载耦合作用的极限稳定承载力降低了8.75%和8.65%，可知，相对于腐蚀，轮载单独或耦合作用车载及自重荷载产生的构件变形对U肋加劲板构件稳定承载力的影响更为显著。
2025, 40(3): 85-89.
doi: 10.13206/j.gjgS24051525
摘要:
对4个方面进行论述：1）相邻檩距内拉条错位导致拉条刚度消失。2）拉条截面会产生畸变变形和应力，使得基于梁理论的应力计算公式非常不准确。3）体系中离拉条锚固端最远的檩条的侧向变形与无拉条檩条的变形接近。4）平行檩条体系的稳定性对拉条刚度的要求与檩条数量成平方关系地增加。基于此，得出了现行拉条布置方式对檩条的侧向内力、侧向变形和弯扭稳定性无多大帮助的结论，最后提出了新的设计建议，包括对现有拉条体系更严格的要求、设置C形钢以提供扭转约束、用小角钢代替拉条设置在下翼缘等。
对4个方面进行论述：1）相邻檩距内拉条错位导致拉条刚度消失。2）拉条截面会产生畸变变形和应力，使得基于梁理论的应力计算公式非常不准确。3）体系中离拉条锚固端最远的檩条的侧向变形与无拉条檩条的变形接近。4）平行檩条体系的稳定性对拉条刚度的要求与檩条数量成平方关系地增加。基于此，得出了现行拉条布置方式对檩条的侧向内力、侧向变形和弯扭稳定性无多大帮助的结论，最后提出了新的设计建议，包括对现有拉条体系更严格的要求、设置C形钢以提供扭转约束、用小角钢代替拉条设置在下翼缘等。
