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2020年 第35卷 第9期
2020, 35(9): 1-9.
doi: 10.13206/j.gjgS20072001
摘要
PDF (14185KB)
摘要:
江门中微子实验（JUNO）是继大亚湾中微子实验后人类对中微子的进一步探索,它将对三种中微子的质量进行测量排序。中心探测器是江门中微子实验的核心部件,用于捕捉核反应堆或其他途径产生的中微子。中心探测器整体形状为球形,分为内层结构和外层结构,其中内层结构为直径35.4 m（内径）的有机玻璃球壳,用于承装2万t用来捕捉中微子的液闪；外层结构除了要作为PMT（光电倍增管）的支撑载体,还要为内层有机玻璃球提供支撑；整个中心探测器结构通过柱子支撑于水池底部。
经过多方案比选,中心探测器选定单层型钢网壳作为其主体结构方案,它是由外层的型钢构件经纬向编织形成（构件之间螺栓连接）的单层网壳与内部的有机玻璃球体组成的整体,有机玻璃球体与外层网壳之间通过撑杆连接,网壳下部通过立柱与池底连接。中心探测器所使用的材料都必须是低本底（低放射性）的,如有机玻璃材料,不锈钢材料。所有与液闪和纯水接触的材料都要满足兼容性要求。因此,本方案采取S31608不锈钢、有机玻璃、A4-70不锈钢螺栓作为结构的主要材料形式。方案选取H型钢的截面形式,在自重计算时,将水的重度从不锈钢重度中减掉来考虑结构构件的浮力。为了准确计算有机玻璃球体的受力,采取荷载分算的形式,将有机玻璃球体的重力、内表面的压力和外表面的压力分开,以考虑有机玻璃球体厚度对浮力的影响。内外液面差是指上烟囱中液闪液面高出外部纯水液面的高度,这个液位差会在有机玻璃球内壁上附加一个恒定的均匀压力,局部抵消部分球体内外压力差,对撑杆受力有改善,但对总浮力的影响很少。在方案计算阶段考虑两种计算模型,一种是不考虑有机玻璃球体作用的单层网壳计算模型；一种是考虑与有机玻璃球体共同作用的单层网壳整体计算模型。
江门中微子实验中心探测器主体结构设计采用单层型钢网壳支撑内部有机玻璃球体方案,并在玻璃内外灌注非等密度液体,使得结构受力较为复杂,尤其是浮力的模拟和加载尤为复杂。另外有机玻璃的脆性和低可靠性也使得结构设计的安全裕量要求很高,主要是对撑杆内力、玻璃应力、单层网壳的稳定性等方面的控制。通过大量的方案计算,从用钢量、撑杆数量、撑杆内力、网壳内力和有机玻璃应力等几个方面对探测器结构进行了基于控制指标的优化,并对优化后的结构进行静力性能、稳定性、地震分析、节点有限元以及单点失效及公差分析,从各个方面对探测器结构的性能进行了详细分析,计算指标均满足要求。
江门中微子实验（JUNO）是继大亚湾中微子实验后人类对中微子的进一步探索,它将对三种中微子的质量进行测量排序。中心探测器是江门中微子实验的核心部件,用于捕捉核反应堆或其他途径产生的中微子。中心探测器整体形状为球形,分为内层结构和外层结构,其中内层结构为直径35.4 m（内径）的有机玻璃球壳,用于承装2万t用来捕捉中微子的液闪；外层结构除了要作为PMT（光电倍增管）的支撑载体,还要为内层有机玻璃球提供支撑；整个中心探测器结构通过柱子支撑于水池底部。
经过多方案比选,中心探测器选定单层型钢网壳作为其主体结构方案,它是由外层的型钢构件经纬向编织形成（构件之间螺栓连接）的单层网壳与内部的有机玻璃球体组成的整体,有机玻璃球体与外层网壳之间通过撑杆连接,网壳下部通过立柱与池底连接。中心探测器所使用的材料都必须是低本底（低放射性）的,如有机玻璃材料,不锈钢材料。所有与液闪和纯水接触的材料都要满足兼容性要求。因此,本方案采取S31608不锈钢、有机玻璃、A4-70不锈钢螺栓作为结构的主要材料形式。方案选取H型钢的截面形式,在自重计算时,将水的重度从不锈钢重度中减掉来考虑结构构件的浮力。为了准确计算有机玻璃球体的受力,采取荷载分算的形式,将有机玻璃球体的重力、内表面的压力和外表面的压力分开,以考虑有机玻璃球体厚度对浮力的影响。内外液面差是指上烟囱中液闪液面高出外部纯水液面的高度,这个液位差会在有机玻璃球内壁上附加一个恒定的均匀压力,局部抵消部分球体内外压力差,对撑杆受力有改善,但对总浮力的影响很少。在方案计算阶段考虑两种计算模型,一种是不考虑有机玻璃球体作用的单层网壳计算模型；一种是考虑与有机玻璃球体共同作用的单层网壳整体计算模型。
江门中微子实验中心探测器主体结构设计采用单层型钢网壳支撑内部有机玻璃球体方案,并在玻璃内外灌注非等密度液体,使得结构受力较为复杂,尤其是浮力的模拟和加载尤为复杂。另外有机玻璃的脆性和低可靠性也使得结构设计的安全裕量要求很高,主要是对撑杆内力、玻璃应力、单层网壳的稳定性等方面的控制。通过大量的方案计算,从用钢量、撑杆数量、撑杆内力、网壳内力和有机玻璃应力等几个方面对探测器结构进行了基于控制指标的优化,并对优化后的结构进行静力性能、稳定性、地震分析、节点有限元以及单点失效及公差分析,从各个方面对探测器结构的性能进行了详细分析,计算指标均满足要求。
2020, 35(9): 10-16.
doi: 10.13206/j.gjgS20071303
摘要:
连续焊接不锈钢金属屋面系统是一种新型金属屋面围护体系,因其易于加工、轻质高强的特点,近年来被广泛应用于体育馆、航站楼、车站等各类大型公共建筑中。连续焊接不锈钢金属屋面系统涉及的问题具有综合性、复杂性,这也导致我国至今还未有金属屋面围护系统的相关施工和管理规范,不利于这类屋面的推广应用。基于上述问题,对连续焊接不锈钢金属屋面系统展开相关研究。
首先介绍了金属屋面构造,通过分析连续焊接不锈钢金属屋面系统的构造,总结出其优点:整体性和密封性良好、耐久性优良、维护成本低。基于有限元分析软件MIDAS Fea建立金属屋面铝板数值模拟分析模型,模拟屋面系统在风载作用下的破坏过程,对连续焊接不锈钢金属屋面系统的抗风性能进行研究分析。对金属屋面铝板施加沿z轴正方向的均布荷载8.0 kN/m2,分析铝板的变形及受力情况。
分析结果表明:三角形板的中间位置位移最大,方向主要沿z轴正向；相较于中间位置的板,处在边缘的板由于约束差,位移较大；对于边缘位置板和中间位置板,当荷载达到6.4 kN/m2时,增加相同的荷载,位移增量变大,即荷载-位移曲线呈非线性增长,铝板产生非线性变形；在8.0 kN/m2的均布荷载作用下,相邻三角形铝板连接部位的凹槽处应力较大,将率先进入塑性阶段；在三角形铝板中,角点处应力最为集中,故应力增长较快,且应力最大；凹槽处的连接板通过螺栓与下部结构相连,在荷载传递的过程中,屋面三角形板所承受的竖向荷载均通过连接板传给螺栓,由于螺栓连接较弱,容易产生应力集中现象,进而导致结构破坏,必要时应采取相应加强措施。
通过对结构的模态分析,得到其前5阶振型和周期。对屋面板进行风压时程分析,得到各测点对应的最大位移、应力响应。在此基础上,结合金属屋面铝板在风吸作用下的破坏模式,提出了提高屋面抗风极限承载力的若干建议。
连续焊接不锈钢金属屋面系统是一种新型金属屋面围护体系,因其易于加工、轻质高强的特点,近年来被广泛应用于体育馆、航站楼、车站等各类大型公共建筑中。连续焊接不锈钢金属屋面系统涉及的问题具有综合性、复杂性,这也导致我国至今还未有金属屋面围护系统的相关施工和管理规范,不利于这类屋面的推广应用。基于上述问题,对连续焊接不锈钢金属屋面系统展开相关研究。
首先介绍了金属屋面构造,通过分析连续焊接不锈钢金属屋面系统的构造,总结出其优点:整体性和密封性良好、耐久性优良、维护成本低。基于有限元分析软件MIDAS Fea建立金属屋面铝板数值模拟分析模型,模拟屋面系统在风载作用下的破坏过程,对连续焊接不锈钢金属屋面系统的抗风性能进行研究分析。对金属屋面铝板施加沿z轴正方向的均布荷载8.0 kN/m2,分析铝板的变形及受力情况。
分析结果表明:三角形板的中间位置位移最大,方向主要沿z轴正向；相较于中间位置的板,处在边缘的板由于约束差,位移较大；对于边缘位置板和中间位置板,当荷载达到6.4 kN/m2时,增加相同的荷载,位移增量变大,即荷载-位移曲线呈非线性增长,铝板产生非线性变形；在8.0 kN/m2的均布荷载作用下,相邻三角形铝板连接部位的凹槽处应力较大,将率先进入塑性阶段；在三角形铝板中,角点处应力最为集中,故应力增长较快,且应力最大；凹槽处的连接板通过螺栓与下部结构相连,在荷载传递的过程中,屋面三角形板所承受的竖向荷载均通过连接板传给螺栓,由于螺栓连接较弱,容易产生应力集中现象,进而导致结构破坏,必要时应采取相应加强措施。
通过对结构的模态分析,得到其前5阶振型和周期。对屋面板进行风压时程分析,得到各测点对应的最大位移、应力响应。在此基础上,结合金属屋面铝板在风吸作用下的破坏模式,提出了提高屋面抗风极限承载力的若干建议。
2020, 35(9): 17-25.
doi: 10.13206/j.gjgS20040501
摘要:
车辐式钢拱的稳定问题相对纯拱来说更为复杂,除长细比、矢跨比之外,还受索盘高度、拉索数量、拉索面积及预应力水平的影响。目前钢拱平面内稳定性及承载力设计方法已经成熟,但对车辐拱的研究仅限于弹性稳定性能的定性分析,尚未有弹塑性稳定承载力的设计计算方法,导致设计人员在初步设计时对于车辐拱各几何参数的取值以及稳定承载力的估算无章可循。
针对工程中常见的两铰圆弧车辐拱,采用有限元参数分析,深入研究了其在全跨和半跨均布荷载下的平面内弹塑性稳定性能和主要参数影响规律,提出了关键参数的优化取值范围,并建立了稳定承载力的计算式。首先在有限元模型中采用施加初应变的迭代法,张拉连接索盘和拱脚的两根拉索使其达到目标张拉力,为车辐拱施加不同水平预应力,考察预应力对车辐拱的内力、变形和极限承载力的影响。随后,研究了主要结构参数如长细比、矢跨比、拉索数量、拱索面积比等单因素变化对车辐拱平面内弹塑性稳定承载性能的影响,以稳定承载力效率为标准,提出了各参数的优化设计取值范围,涵盖了工程常用范围。在参数建议取值范围的基础上,采用响应面法设计了30组代表性算例,选择拱索面积比、拉索数量、矢跨比、长细比为4个关键考察因素,以相同条件下对应纯拱的弹塑性稳定承载力为基准值,建立了其平面内弹塑性稳定承载力计算式,并对其精度和适用性进行了分析验证。结果表明:1）预应力的存在对车辐拱的受力性能影响不大,实际施工中拉索可不施加预应力而以张紧为宜,或根据调整拱脚推力的需要进行确定；2）设计中建议索盘高度为1/2矢高,拉索数量为8~20根,拱索面积比为10~30,矢跨比为0.20~0.50,各参数的优化取值范围涵盖了工程常用范围；3）从方差分析的结果来看,矢跨比对平面内弹塑性稳定承载力的影响最为显著,长细比次之,而拱索面积比和拉索数量的影响相对较小；4）响应面法给出的精确算式误差小于5%,简化算式偏于保守,大多数误差在15%之内,且对不同强度的钢材均适用,可以安全地估计车辐拱的平面内弹塑性稳定承载力,供初步设计时采用。
车辐式钢拱的稳定问题相对纯拱来说更为复杂,除长细比、矢跨比之外,还受索盘高度、拉索数量、拉索面积及预应力水平的影响。目前钢拱平面内稳定性及承载力设计方法已经成熟,但对车辐拱的研究仅限于弹性稳定性能的定性分析,尚未有弹塑性稳定承载力的设计计算方法,导致设计人员在初步设计时对于车辐拱各几何参数的取值以及稳定承载力的估算无章可循。
针对工程中常见的两铰圆弧车辐拱,采用有限元参数分析,深入研究了其在全跨和半跨均布荷载下的平面内弹塑性稳定性能和主要参数影响规律,提出了关键参数的优化取值范围,并建立了稳定承载力的计算式。首先在有限元模型中采用施加初应变的迭代法,张拉连接索盘和拱脚的两根拉索使其达到目标张拉力,为车辐拱施加不同水平预应力,考察预应力对车辐拱的内力、变形和极限承载力的影响。随后,研究了主要结构参数如长细比、矢跨比、拉索数量、拱索面积比等单因素变化对车辐拱平面内弹塑性稳定承载性能的影响,以稳定承载力效率为标准,提出了各参数的优化设计取值范围,涵盖了工程常用范围。在参数建议取值范围的基础上,采用响应面法设计了30组代表性算例,选择拱索面积比、拉索数量、矢跨比、长细比为4个关键考察因素,以相同条件下对应纯拱的弹塑性稳定承载力为基准值,建立了其平面内弹塑性稳定承载力计算式,并对其精度和适用性进行了分析验证。结果表明:1）预应力的存在对车辐拱的受力性能影响不大,实际施工中拉索可不施加预应力而以张紧为宜,或根据调整拱脚推力的需要进行确定；2）设计中建议索盘高度为1/2矢高,拉索数量为8~20根,拱索面积比为10~30,矢跨比为0.20~0.50,各参数的优化取值范围涵盖了工程常用范围；3）从方差分析的结果来看,矢跨比对平面内弹塑性稳定承载力的影响最为显著,长细比次之,而拱索面积比和拉索数量的影响相对较小；4）响应面法给出的精确算式误差小于5%,简化算式偏于保守,大多数误差在15%之内,且对不同强度的钢材均适用,可以安全地估计车辐拱的平面内弹塑性稳定承载力,供初步设计时采用。
2020, 35(9): 26-43.
doi: 10.13206/j.gjgS20052508
摘要:
详尽梳理和对比了中美建筑钢结构标准中常用钢材产品的性能,包括国标Q235~Q460钢、美标ASTM A36（M）、ASTM A572（M）钢、耐候结构钢及铸钢在化学成分、屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、断后伸长率和冷弯性能等方面的性能指标及试验方法的异同。
分析发现:国标对钢材化学成分的规定更详细,可焊接性能较好；国标中常用的碳素钢和低合金高强度结构钢的力学性能随钢板厚度的增加而递减,相应的美标钢材力学性能则保持不变；国标Q235、Q235GJ钢的抗拉强度比同级别的美标A36钢材低6%以上；板厚不大于40 mm的国标Q355钢材及板厚不大于50 mm的国标Q345GJ钢的力学性能均高于美标的A572 GR50钢；板厚不大于40 mm的国标Q390钢材及板厚不大于100 mm的国标Q390GJ钢的力学性能均不低于美标的A572 GR55钢；国标Q420、Q420GJ和Q460、Q460GJ钢材的力学性能均不低于美标相应级别的A572 GR60钢和A572 GR65钢；中美标准中耐候钢的耐候性指数均大于6.0,但化学成分的规定不同,国标耐候钢的牌号更多、强度覆盖范围更大,厚度不大于40 mm的国标耐候钢力学性能不低于相应级别的美标钢材；国标的铸钢牌号更多,强度级别的覆盖范围更大；铸钢试件的力学性能采样标准试块不同,美标的标准试块厚度更大。
详尽梳理和对比了中美建筑钢结构标准中常用钢材产品的性能,包括国标Q235~Q460钢、美标ASTM A36（M）、ASTM A572（M）钢、耐候结构钢及铸钢在化学成分、屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、断后伸长率和冷弯性能等方面的性能指标及试验方法的异同。
分析发现:国标对钢材化学成分的规定更详细,可焊接性能较好；国标中常用的碳素钢和低合金高强度结构钢的力学性能随钢板厚度的增加而递减,相应的美标钢材力学性能则保持不变；国标Q235、Q235GJ钢的抗拉强度比同级别的美标A36钢材低6%以上；板厚不大于40 mm的国标Q355钢材及板厚不大于50 mm的国标Q345GJ钢的力学性能均高于美标的A572 GR50钢；板厚不大于40 mm的国标Q390钢材及板厚不大于100 mm的国标Q390GJ钢的力学性能均不低于美标的A572 GR55钢；国标Q420、Q420GJ和Q460、Q460GJ钢材的力学性能均不低于美标相应级别的A572 GR60钢和A572 GR65钢；中美标准中耐候钢的耐候性指数均大于6.0,但化学成分的规定不同,国标耐候钢的牌号更多、强度覆盖范围更大,厚度不大于40 mm的国标耐候钢力学性能不低于相应级别的美标钢材；国标的铸钢牌号更多,强度级别的覆盖范围更大；铸钢试件的力学性能采样标准试块不同,美标的标准试块厚度更大。
2020, 35(9): 44-51.
doi: 10.13206/j.gjgS20031601
摘要:
采用新型材料粗骨料活性粉末混凝土桥面板的新型钢-混凝土组合箱梁,具有高抗压、高抗拉、高弹性模量的优点。在不改变钢混组合结构优良力学性能的前提下,较传统钢混组合箱梁可有效减小桥面板的结构尺寸,达到减轻组合梁自重,提升大跨径跨越能力的优势。虽然该新型钢混组合箱梁有诸多优点,但同时也存在桥面板预制精度高、开口钢梁刚度弱、几何尺寸控制难度高、桥面板与钢梁叠合精度要求高、节段匹配及预拼线形要求高、湿接缝施工中钢筋定位尺寸和结构尺寸的二次变形控制难度大的施工难点。现有施工技术无法满足施工质量和精度控制目标,为此本技术针对该新型钢混组合箱梁的工厂化制造开展技术攻关,形成一整套的技术创新成果,主要包括:1）研发了混凝土桥面板高精度预制技术,该技术通过基线法控制预埋件制作精度、大型高精度组合式模具的应用和智能化生产线的标准化预制工艺,实现对新型钢-粗骨料活性粉末混凝土桥面板钢筋和预埋钢构件的精确定位及整体外形尺寸的精确控制。2）研发了钢混组合梁高精度总拼技术,该技术通过带拱无裕量连续匹配总拼、测控网测控、匹配约束定位工艺、预制桥面板高精度叠合工艺,实现对新型桥面板钢混组合箱梁高精度总拼控制。3）研发了纵向湿接缝施工精度控制技术,该技术通过刚性支撑复原系统、可调式组合湿接缝底模、高精度钢筋定位模具及智能化湿接缝施工生产线,实现湿接缝钢筋高精度定位及组合梁整体尺寸精度控制。目前技术成果已成功应用于南京长江第五大桥跨江主桥的钢混组合梁的工厂化制造,通过检测验收及桥位的安装验证,实现了新型钢混组合箱梁制造精度控制目标,保证了桥梁顺利安装架设。
采用新型材料粗骨料活性粉末混凝土桥面板的新型钢-混凝土组合箱梁,具有高抗压、高抗拉、高弹性模量的优点。在不改变钢混组合结构优良力学性能的前提下,较传统钢混组合箱梁可有效减小桥面板的结构尺寸,达到减轻组合梁自重,提升大跨径跨越能力的优势。虽然该新型钢混组合箱梁有诸多优点,但同时也存在桥面板预制精度高、开口钢梁刚度弱、几何尺寸控制难度高、桥面板与钢梁叠合精度要求高、节段匹配及预拼线形要求高、湿接缝施工中钢筋定位尺寸和结构尺寸的二次变形控制难度大的施工难点。现有施工技术无法满足施工质量和精度控制目标,为此本技术针对该新型钢混组合箱梁的工厂化制造开展技术攻关,形成一整套的技术创新成果,主要包括:1）研发了混凝土桥面板高精度预制技术,该技术通过基线法控制预埋件制作精度、大型高精度组合式模具的应用和智能化生产线的标准化预制工艺,实现对新型钢-粗骨料活性粉末混凝土桥面板钢筋和预埋钢构件的精确定位及整体外形尺寸的精确控制。2）研发了钢混组合梁高精度总拼技术,该技术通过带拱无裕量连续匹配总拼、测控网测控、匹配约束定位工艺、预制桥面板高精度叠合工艺,实现对新型桥面板钢混组合箱梁高精度总拼控制。3）研发了纵向湿接缝施工精度控制技术,该技术通过刚性支撑复原系统、可调式组合湿接缝底模、高精度钢筋定位模具及智能化湿接缝施工生产线,实现湿接缝钢筋高精度定位及组合梁整体尺寸精度控制。目前技术成果已成功应用于南京长江第五大桥跨江主桥的钢混组合梁的工厂化制造,通过检测验收及桥位的安装验证,实现了新型钢混组合箱梁制造精度控制目标,保证了桥梁顺利安装架设。
