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2025年 第40卷 第5期
2025, 40(5): 1-17.
doi: 10.13206/j.gjgSS23080601
摘要
PDF (2716KB)
摘要:
随着现代社会经济、工业、文化、交通及体育事业的不断进步，建筑功能呈现多元化特点，现代建筑对内部大空间产生了较大需求，尤其对楼盖的跨度提出了更高要求。目前尚没有针对大跨度楼盖结构方面的系统梳理和总结，导致在实际工程设计中结构选型概念较为混乱，给实际工程设计带来不便，亟待对适用于大跨度楼盖的结构形式进行归纳梳理，并对现有研究现状进行总结，以便为工程实践提供参考。因此，系统梳理了大跨度楼盖的研究与应用现状，总结了6类适用于大跨度楼盖的结构体系：预应力混凝土楼盖、钢-混凝土组合楼盖、钢网架组合楼盖、空腹楼盖、弦支组合楼盖以及装配式楼盖，并对这6类结构体系在结构概念与形式、静动力性能、施工全过程分析以及人致振动规律及控制等方面的研究现状进行了归纳，同时详细介绍了每种楼盖结构的代表性工程。最后，探讨了大跨度楼盖结构体系面临的主要问题和发展方向，包括：适用于30 m以上跨度的楼盖结构形式较少，大跨度楼盖结构方面的试验数据匮乏，大跨度楼盖人致振动控制技术较为复杂等。对现有大跨度楼盖结构形式、研究现状及工程应用情况进行了较为系统、详细的梳理总结，具有一定工程参考价值。
随着现代社会经济、工业、文化、交通及体育事业的不断进步，建筑功能呈现多元化特点，现代建筑对内部大空间产生了较大需求，尤其对楼盖的跨度提出了更高要求。目前尚没有针对大跨度楼盖结构方面的系统梳理和总结，导致在实际工程设计中结构选型概念较为混乱，给实际工程设计带来不便，亟待对适用于大跨度楼盖的结构形式进行归纳梳理，并对现有研究现状进行总结，以便为工程实践提供参考。因此，系统梳理了大跨度楼盖的研究与应用现状，总结了6类适用于大跨度楼盖的结构体系：预应力混凝土楼盖、钢-混凝土组合楼盖、钢网架组合楼盖、空腹楼盖、弦支组合楼盖以及装配式楼盖，并对这6类结构体系在结构概念与形式、静动力性能、施工全过程分析以及人致振动规律及控制等方面的研究现状进行了归纳，同时详细介绍了每种楼盖结构的代表性工程。最后，探讨了大跨度楼盖结构体系面临的主要问题和发展方向，包括：适用于30 m以上跨度的楼盖结构形式较少，大跨度楼盖结构方面的试验数据匮乏，大跨度楼盖人致振动控制技术较为复杂等。对现有大跨度楼盖结构形式、研究现状及工程应用情况进行了较为系统、详细的梳理总结，具有一定工程参考价值。
2025, 40(5): 18-26.
doi: 10.13206/j.gjgSS24031901
摘要:
针对Q355D钢母材及焊缝材料，制作了5种角度的V形缺口圆棒试件，并对其进行了单调拉伸试验，试验中所有试件均发生韧性断裂，试件断裂位移随着V形缺口角度的增大而增大，焊缝试件的断裂位移比相应的母材试件略小，观察试件断口形貌发现，试件V60、V75和V90的韧性断裂萌生于缺口尖端，试件V105和V120的韧性断裂萌生于缺口截面中心。对V形缺口圆棒试件的单调拉伸试验进行了有限元模拟，得到的荷载-位移曲线与试验结果吻合较好，基于单调拉伸试验结果，结合对试验的有限元模拟，标定了Q355D钢母材和焊缝孔洞扩张模型的断裂参数，发现焊缝与母材的断裂参数基本相同，说明焊缝材料和母材同样具有较好的韧性性能。孔洞扩张模型预测的V形缺口试件的断裂萌生位置与试验观察相同，对V形缺口试件断裂位移的预测与试验结果最大相差不到15%，验证了所标定的孔洞扩张模型断裂参数的合理性，同时也验证了孔洞扩张模型对萌生于不同位置的V形缺口圆棒试件韧性断裂分析的适用性。
针对Q355D钢母材及焊缝材料，制作了5种角度的V形缺口圆棒试件，并对其进行了单调拉伸试验，试验中所有试件均发生韧性断裂，试件断裂位移随着V形缺口角度的增大而增大，焊缝试件的断裂位移比相应的母材试件略小，观察试件断口形貌发现，试件V60、V75和V90的韧性断裂萌生于缺口尖端，试件V105和V120的韧性断裂萌生于缺口截面中心。对V形缺口圆棒试件的单调拉伸试验进行了有限元模拟，得到的荷载-位移曲线与试验结果吻合较好，基于单调拉伸试验结果，结合对试验的有限元模拟，标定了Q355D钢母材和焊缝孔洞扩张模型的断裂参数，发现焊缝与母材的断裂参数基本相同，说明焊缝材料和母材同样具有较好的韧性性能。孔洞扩张模型预测的V形缺口试件的断裂萌生位置与试验观察相同，对V形缺口试件断裂位移的预测与试验结果最大相差不到15%，验证了所标定的孔洞扩张模型断裂参数的合理性，同时也验证了孔洞扩张模型对萌生于不同位置的V形缺口圆棒试件韧性断裂分析的适用性。
2025, 40(5): 27-32.
doi: 10.13206/j.gjgS24030103
摘要:
框架式结构体系是由柱、梁体系构成的支撑体系，其拼装施工方法是一个“由零到整”的吊装过程，钢框架式结构柱梁的安装精度与自身支撑结构体系的刚度及吊装方案密切相关。对钢框架式结构实际工程项目进行了吊装施工误差监测，得出偏差方向主要为柱与梁的轴向连接方向，该偏差属于累积误差；进而拟定了不同基准支撑单元、不同螺栓拧紧程度等工况，基于有限元软件ABAQUS进行结构体系刚度计算，得出钢柱底部的焊接对结构体系刚度影响不大，钢柱梁群的数量及柱梁螺栓连接拧紧度对结构体系刚度影响大。基准支撑单元促使钢框架式结构柱梁体系由有侧移框架结构体系向无侧移框架结构体系转变，可充分发挥基准支撑单元基准控制效应及标杆效应，避免钢框架式结构柱梁体吊装中的累积误差，保证其吊装精度。
框架式结构体系是由柱、梁体系构成的支撑体系，其拼装施工方法是一个“由零到整”的吊装过程，钢框架式结构柱梁的安装精度与自身支撑结构体系的刚度及吊装方案密切相关。对钢框架式结构实际工程项目进行了吊装施工误差监测，得出偏差方向主要为柱与梁的轴向连接方向，该偏差属于累积误差；进而拟定了不同基准支撑单元、不同螺栓拧紧程度等工况，基于有限元软件ABAQUS进行结构体系刚度计算，得出钢柱底部的焊接对结构体系刚度影响不大，钢柱梁群的数量及柱梁螺栓连接拧紧度对结构体系刚度影响大。基准支撑单元促使钢框架式结构柱梁体系由有侧移框架结构体系向无侧移框架结构体系转变，可充分发挥基准支撑单元基准控制效应及标杆效应，避免钢框架式结构柱梁体吊装中的累积误差，保证其吊装精度。
2025, 40(5): 33-44.
doi: 10.13206/j.gjgS24080602
摘要:
钢结构模块建筑是一种新兴的装配式建筑，但现有的模块结构体系难以满足高层建筑以及大层高、大跨度建筑空间的应用要求。为增加模块建筑的适用高度及改进其建筑性能，提出了一种双层模块填充稀疏钢框架建筑体系，然而采用现有方法对该体系进行结构分析和设计不利于节约用钢量。为此，通过研究填充模块单元后整体结构的抗侧性能，进而得到模块单元的刚度贡献规律，以提升新型模块建筑体系设计的经济性。采取ABAQUS有限元分析软件对2层模块单元叠箱、稀疏钢框架以及填充2层模块单元的整体箱框结构进行建模计算，通过对比分析得到模块单元叠箱自身抗侧刚度、叠箱对整体结构侧向刚度的实际贡献。考虑了单元、框架构件截面尺寸，模块单元-稀疏框架连接节点（箱框连接节点）刚度以及每跨框架填充模块单元列数等因素，对整体箱框结构抗侧性能的影响，并提出了侧向刚度增强系数α、模块单元刚度修正系数βM、箱框连接节点影响修正系数βRF及框架空间效应修正系数βSP，分别反映各类因素的影响规律。结果表明：模块单元对整体抗侧性能的贡献不可以忽略（α>0），当箱框连接节点采用螺栓连接节点时，模块单元实际贡献的侧向刚度略小于自身刚度，对填充单列模块单元的情况，模型修正系数βM平均值为0.937；当箱框连接节点为焊接时，模块单元刚度贡献有所提升（βRF=1.340~1.352）。此外，尚应考虑框架空间效应，导致稀疏框架受力平面外模块单元部分贡献刚度存在折减（本例中βSP=0.799~0.907）。
钢结构模块建筑是一种新兴的装配式建筑，但现有的模块结构体系难以满足高层建筑以及大层高、大跨度建筑空间的应用要求。为增加模块建筑的适用高度及改进其建筑性能，提出了一种双层模块填充稀疏钢框架建筑体系，然而采用现有方法对该体系进行结构分析和设计不利于节约用钢量。为此，通过研究填充模块单元后整体结构的抗侧性能，进而得到模块单元的刚度贡献规律，以提升新型模块建筑体系设计的经济性。采取ABAQUS有限元分析软件对2层模块单元叠箱、稀疏钢框架以及填充2层模块单元的整体箱框结构进行建模计算，通过对比分析得到模块单元叠箱自身抗侧刚度、叠箱对整体结构侧向刚度的实际贡献。考虑了单元、框架构件截面尺寸，模块单元-稀疏框架连接节点（箱框连接节点）刚度以及每跨框架填充模块单元列数等因素，对整体箱框结构抗侧性能的影响，并提出了侧向刚度增强系数α、模块单元刚度修正系数βM、箱框连接节点影响修正系数βRF及框架空间效应修正系数βSP，分别反映各类因素的影响规律。结果表明：模块单元对整体抗侧性能的贡献不可以忽略（α>0），当箱框连接节点采用螺栓连接节点时，模块单元实际贡献的侧向刚度略小于自身刚度，对填充单列模块单元的情况，模型修正系数βM平均值为0.937；当箱框连接节点为焊接时，模块单元刚度贡献有所提升（βRF=1.340~1.352）。此外，尚应考虑框架空间效应，导致稀疏框架受力平面外模块单元部分贡献刚度存在折减（本例中βSP=0.799~0.907）。
2025, 40(5): 45-50.
doi: 10.13206/j.gjgS24011002
摘要:
传统既有大跨度钢箱梁加固方法存在初始挠度变形恢复差及承载能力不足等弊端，针对该问题，提出张弦梁受力体系加固既有大跨度钢箱梁的施工方法。具体来说，该方法是在钢箱梁下按照一定间距合理布置竖向支撑，利用预应力拉索将竖向支撑与钢箱梁连接，形成张弦梁受力体系。该加固体系的工作原理是通过拉索的预拉力在钢箱梁上产生负弯矩，从而实现结构挠度变形恢复和承载力提升。这种自平衡的特点使得加固过程中钢箱梁不会产生水平力，对原有支座的影响较小，不需要特殊调整，提升了施工的便利性和安全性。通过MIDAS/ Gen建立张弦梁加固结构分析模型，合理设置施工步，使得张弦梁加固作用在钢箱梁产生一定挠度后开始出现。采用逆迭代法进行张弦梁结构找形，确定拉索合理预拉力。计算钢箱梁在不同工况下的结构应力及挠度，分析结构承载力变化及加固效果。此外，在有限元仿真分析过程中分别采用梁单元和壳单元计算模型，对比分析两种计算模型在张弦梁加固结构仿真计算应用中承载力和变形的结果差异性并分析误差原因。仿真计算结果表明；拉索预拉力和结构挠度变形基本呈线性关系；拉索预拉力为4000 kN时，结构在设定工况作用下挠度为0 mm；张弦梁加固结构体系在满载工况下的挠度为63.39 mm，最大应力为227.9 MPa，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》要求；相比于梁单元模型，壳单元模型挠度计算结果偏小，应力计算结果偏大，主要原因是壳单元模型考虑结构整体刚度更加充分，网格细化可以准确体现结构局部受力情况。经过结构有限元分析，进一步对结构构件截面设计、优化及局部稳定性分析，确保结构的安全性和经济性。综合研究结果表明：采用张弦梁受力体系加固既有大跨度钢箱梁可以有效恢复结构初始变形并提升其承载能力，该方法具有良好的施工安全性和便利性。
传统既有大跨度钢箱梁加固方法存在初始挠度变形恢复差及承载能力不足等弊端，针对该问题，提出张弦梁受力体系加固既有大跨度钢箱梁的施工方法。具体来说，该方法是在钢箱梁下按照一定间距合理布置竖向支撑，利用预应力拉索将竖向支撑与钢箱梁连接，形成张弦梁受力体系。该加固体系的工作原理是通过拉索的预拉力在钢箱梁上产生负弯矩，从而实现结构挠度变形恢复和承载力提升。这种自平衡的特点使得加固过程中钢箱梁不会产生水平力，对原有支座的影响较小，不需要特殊调整，提升了施工的便利性和安全性。通过MIDAS/ Gen建立张弦梁加固结构分析模型，合理设置施工步，使得张弦梁加固作用在钢箱梁产生一定挠度后开始出现。采用逆迭代法进行张弦梁结构找形，确定拉索合理预拉力。计算钢箱梁在不同工况下的结构应力及挠度，分析结构承载力变化及加固效果。此外，在有限元仿真分析过程中分别采用梁单元和壳单元计算模型，对比分析两种计算模型在张弦梁加固结构仿真计算应用中承载力和变形的结果差异性并分析误差原因。仿真计算结果表明；拉索预拉力和结构挠度变形基本呈线性关系；拉索预拉力为4000 kN时，结构在设定工况作用下挠度为0 mm；张弦梁加固结构体系在满载工况下的挠度为63.39 mm，最大应力为227.9 MPa，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》要求；相比于梁单元模型，壳单元模型挠度计算结果偏小，应力计算结果偏大，主要原因是壳单元模型考虑结构整体刚度更加充分，网格细化可以准确体现结构局部受力情况。经过结构有限元分析，进一步对结构构件截面设计、优化及局部稳定性分析，确保结构的安全性和经济性。综合研究结果表明：采用张弦梁受力体系加固既有大跨度钢箱梁可以有效恢复结构初始变形并提升其承载能力，该方法具有良好的施工安全性和便利性。
2025, 40(5): 51-62.
doi: 10.13206/j.gjgS24073001
摘要:
为满足钢结构模块化建筑使用功能需求及提升建筑装配率，提出一种异型钢管柱模块间连接节点。该节点采用对拉螺栓装配式连接，柱子采用L形的异型钢管柱并设计柱截面厚度与墙体等厚，可避免柱角外露并满足建筑使用功能需求。运用ABAQUS有限元软件建立改变节点参数的精细化有限元计算模型并对其进行单调及低周往复加载，分析了节点破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、应力路径及耗能能力等。结果表明：异型钢管柱模块间连接节点的破坏模式以梁受弯破坏为主，符合“强柱弱梁”设计理念，滞回曲线呈饱满梭形，层间极限转角及延性系数分别大于0.03 rad和5.0，满足节点抗震设计要求；节点域加强角钢可有效改善柱壁螺栓孔附近的应力状态；增加竖向十字连接键厚度可提升节点耗能能力。根据节点传力机理及变形机制，采用叠加法计算节点核心区域剪切变形，推导了初始转动刚度理论计算式，并将理论计算结果与有限元数值模拟结果进行对比验证，两者具有较好的一致性。
为满足钢结构模块化建筑使用功能需求及提升建筑装配率，提出一种异型钢管柱模块间连接节点。该节点采用对拉螺栓装配式连接，柱子采用L形的异型钢管柱并设计柱截面厚度与墙体等厚，可避免柱角外露并满足建筑使用功能需求。运用ABAQUS有限元软件建立改变节点参数的精细化有限元计算模型并对其进行单调及低周往复加载，分析了节点破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、应力路径及耗能能力等。结果表明：异型钢管柱模块间连接节点的破坏模式以梁受弯破坏为主，符合“强柱弱梁”设计理念，滞回曲线呈饱满梭形，层间极限转角及延性系数分别大于0.03 rad和5.0，满足节点抗震设计要求；节点域加强角钢可有效改善柱壁螺栓孔附近的应力状态；增加竖向十字连接键厚度可提升节点耗能能力。根据节点传力机理及变形机制，采用叠加法计算节点核心区域剪切变形，推导了初始转动刚度理论计算式，并将理论计算结果与有限元数值模拟结果进行对比验证，两者具有较好的一致性。
2025, 40(5): 63-66.
doi: 10.13206/j.gjgS24070825
摘要:
通过分析钢板墙或内填混凝土多腔钢板组合墙边缘构件的设计要求，介绍了理论分析方法，从计算结果中提炼出边缘加劲肋门槛刚度的概念，计算了门槛刚度，提出了近似计算式。对于弹塑性阶段工作的钢板墙和加劲肋，借用了设有摇摆柱的框架结构的稳定设计方法，将三边支承的钢板墙看作摇摆柱，加劲肋看作框架柱，考虑加劲肋对板件的支撑作用，对边缘加劲肋的计算长度进行放大，提出了放大系数计算式。
通过分析钢板墙或内填混凝土多腔钢板组合墙边缘构件的设计要求，介绍了理论分析方法，从计算结果中提炼出边缘加劲肋门槛刚度的概念，计算了门槛刚度，提出了近似计算式。对于弹塑性阶段工作的钢板墙和加劲肋，借用了设有摇摆柱的框架结构的稳定设计方法，将三边支承的钢板墙看作摇摆柱，加劲肋看作框架柱，考虑加劲肋对板件的支撑作用，对边缘加劲肋的计算长度进行放大，提出了放大系数计算式。
2025, 40(5): 67-69.
摘要:
