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2021年 第36卷 第4期
2021, 36(4): 1-10.
doi: 10.13206/j.gjgS20052702
摘要
PDF (18041KB)
摘要:
现有球面弦支穹顶结构主要适用于平面投影为标准圆形的建筑，其结构周圈的支座位于同一标高。当建筑要求的平面为多边形或者由多段不同直径圆弧构成的不规则曲线形状时，现有常规的球面弦支穹顶布置形式无法满足该类建筑的需求。为研究球面弦支穹顶在平面投影为多边形或多段圆弧构成的非标准圆形建筑中的适用性，介绍了一种新型球面弦支穹顶结构体系，该体系适用于非圆建筑平面，通过采用位于不同标高内的支座将受力性能较好的球面弦支穹顶结构应用到平面投影不规则的建筑中。其平面投影轮廓轴线由八段圆弧组成，长轴尺寸89.89 m，短轴尺寸82.674 m，短轴方向矢高4.104 m，长轴方向矢高4.876 m。上层单层网壳采用K8+联方型网格布置，共设置了五道环索和撑杆。
研究了矢跨比、撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度等参数变化对该新型弦支穹顶结构的结构位移、杆件内力和支座反力等静力性能的影响规律。研究结果表明：1）随着短轴矢跨比、撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度的增大，新型球面弦支穹顶结构最大竖向位移减小。2）网壳最大轴力随着撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度的增大而减小，不随短轴矢跨比变化。撑杆内力和环索内力随着短轴矢跨比和支座水平刚度的增大而减小，随着环索初拉力的增大而增大，随着撑杆长度和环索截面积变化复杂。环索节点不平衡力随着短轴矢跨比、撑杆长度和支座水平刚度的增大而减小，随着环索初拉力和环索截面积的增大而增大。3）随着短轴矢跨比增大，支座水平反力基本不变，而支座竖向反力减小；随着撑杆长度和环索截面积的增加，支座水平反力减小，而支座竖向反力增加；随着环索初拉力的增大，支座水平反力、支座竖向反力值减小；随着支座水平刚度的增大，支座水平反力增大，而支座竖向反力减小。
现有球面弦支穹顶结构主要适用于平面投影为标准圆形的建筑，其结构周圈的支座位于同一标高。当建筑要求的平面为多边形或者由多段不同直径圆弧构成的不规则曲线形状时，现有常规的球面弦支穹顶布置形式无法满足该类建筑的需求。为研究球面弦支穹顶在平面投影为多边形或多段圆弧构成的非标准圆形建筑中的适用性，介绍了一种新型球面弦支穹顶结构体系，该体系适用于非圆建筑平面，通过采用位于不同标高内的支座将受力性能较好的球面弦支穹顶结构应用到平面投影不规则的建筑中。其平面投影轮廓轴线由八段圆弧组成，长轴尺寸89.89 m，短轴尺寸82.674 m，短轴方向矢高4.104 m，长轴方向矢高4.876 m。上层单层网壳采用K8+联方型网格布置，共设置了五道环索和撑杆。
研究了矢跨比、撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度等参数变化对该新型弦支穹顶结构的结构位移、杆件内力和支座反力等静力性能的影响规律。研究结果表明：1）随着短轴矢跨比、撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度的增大，新型球面弦支穹顶结构最大竖向位移减小。2）网壳最大轴力随着撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度的增大而减小，不随短轴矢跨比变化。撑杆内力和环索内力随着短轴矢跨比和支座水平刚度的增大而减小，随着环索初拉力的增大而增大，随着撑杆长度和环索截面积变化复杂。环索节点不平衡力随着短轴矢跨比、撑杆长度和支座水平刚度的增大而减小，随着环索初拉力和环索截面积的增大而增大。3）随着短轴矢跨比增大，支座水平反力基本不变，而支座竖向反力减小；随着撑杆长度和环索截面积的增加，支座水平反力减小，而支座竖向反力增加；随着环索初拉力的增大，支座水平反力、支座竖向反力值减小；随着支座水平刚度的增大，支座水平反力增大，而支座竖向反力减小。
2021, 36(4): 11-19.
doi: 10.13206/j.gjgS21010601
摘要:
双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件由两侧放置的闭口型压型钢板和内部填充混凝土组成，内嵌于混凝土中的闭口型板肋既可作为钢板与混凝土之间的连接件，保证两者的共同工作，又能有效降低钢板的宽厚比，提高闭口型压型钢板的屈曲承载力。相比传统的双钢板混凝土组合构件，双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件无需额外的连接件即可实现钢板和混凝土的共同工作，增加了施工的便利性和高效性，同时保持了双钢板-混凝土组合构件的性能优势，在工程中具有广阔的应用前景。
采用有限元方法分析了闭口型压型钢板混凝土组合构件在轴压荷载作用下的受力全过程，包括混凝土截面的应力分布、压型钢板板带的应力发展过程及屈曲性能；通过试验结果和理论分析明确了板肋在混凝土中的嵌固作用；研究了压型钢板布置形式、混凝土强度等级、钢材屈服强度、钢板厚度（板带宽厚比）和构件厚度等参数对双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件轴压性能影响规律。
通过对双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件受力全过程的分析，可以得到以下结论：闭口型板肋将压型钢板分成若干个板带，各板带单独发生受压屈曲，改变了钢板整体受压屈曲的方式；混凝土能够对嵌入的闭口型板肋提供足够的嵌固作用，使得压型钢板与混凝土能够共同工作；嵌入混凝土中的闭口型板肋为压型钢板板带提供了可靠的边缘嵌固和支撑，使得闭口型压型钢板仅在板带上发生局部弹性屈曲，且能够发展屈曲后强度，压型钢板板带的屈曲后强度可以采用有效宽度法计算；闭口型板肋嵌于混凝土中使得板肋附近混凝土的应力分布不均匀，并对两侧板肋之间的混凝土产生一定的约束作用，但截面上并未形成明显的约束区和非约束区；双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件轴压承载力可由混凝土抗压承载力和考虑屈曲后强度的压型钢板承载力叠加获得；压型钢板布置方式对构件的轴压承载力没有明显影响，构件各组成部分的材料强度、墙体厚度和压型钢板厚度对其轴压承载力和延性影响明显。
双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件由两侧放置的闭口型压型钢板和内部填充混凝土组成，内嵌于混凝土中的闭口型板肋既可作为钢板与混凝土之间的连接件，保证两者的共同工作，又能有效降低钢板的宽厚比，提高闭口型压型钢板的屈曲承载力。相比传统的双钢板混凝土组合构件，双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件无需额外的连接件即可实现钢板和混凝土的共同工作，增加了施工的便利性和高效性，同时保持了双钢板-混凝土组合构件的性能优势，在工程中具有广阔的应用前景。
采用有限元方法分析了闭口型压型钢板混凝土组合构件在轴压荷载作用下的受力全过程，包括混凝土截面的应力分布、压型钢板板带的应力发展过程及屈曲性能；通过试验结果和理论分析明确了板肋在混凝土中的嵌固作用；研究了压型钢板布置形式、混凝土强度等级、钢材屈服强度、钢板厚度（板带宽厚比）和构件厚度等参数对双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件轴压性能影响规律。
通过对双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件受力全过程的分析，可以得到以下结论：闭口型板肋将压型钢板分成若干个板带，各板带单独发生受压屈曲，改变了钢板整体受压屈曲的方式；混凝土能够对嵌入的闭口型板肋提供足够的嵌固作用，使得压型钢板与混凝土能够共同工作；嵌入混凝土中的闭口型板肋为压型钢板板带提供了可靠的边缘嵌固和支撑，使得闭口型压型钢板仅在板带上发生局部弹性屈曲，且能够发展屈曲后强度，压型钢板板带的屈曲后强度可以采用有效宽度法计算；闭口型板肋嵌于混凝土中使得板肋附近混凝土的应力分布不均匀，并对两侧板肋之间的混凝土产生一定的约束作用，但截面上并未形成明显的约束区和非约束区；双侧闭口型压型钢板混凝土组合构件轴压承载力可由混凝土抗压承载力和考虑屈曲后强度的压型钢板承载力叠加获得；压型钢板布置方式对构件的轴压承载力没有明显影响，构件各组成部分的材料强度、墙体厚度和压型钢板厚度对其轴压承载力和延性影响明显。
2021, 36(4): 20-25.
doi: 10.13206/j.gjgS19102103
摘要:
钢-混凝土板组合梁桥预制装配技术是一种在工厂预制墩柱、盖梁、钢梁和混凝土桥面板，再运至施工现场进行快速装配施工的一种新型组合桥梁施工技术。目前针对钢混组合梁桥的主梁预制装配施工的研究较多，而对桥梁墩柱、盖梁和主梁全预制装配施工综合分析的研究较少，故对桥梁主体结构全预制装配施工关键技术的研究具有重要意义。
以全国首例多主梁预制钢混组合梁桥为实例，对桥梁墩柱、盖梁和钢混组合梁的制作、运输和现场拼装等施工关键技术进行了研究。通过总结现场施工经验，确定了钢混组合梁桥主体结构现场拼装的标准化施工工艺；钢混组合梁施工工艺：临时支撑搭设、梁段现场吊装、组合梁精调定位、顶层混凝土桥面板施工、永久支座锚栓孔灌浆施工、组合梁焊接、落梁至永久支座、墩顶横梁混凝土施工；墩柱施工工艺：承台表面清理、坐浆挡板安装、墩柱翻身吊装、墩柱安装对位、墩柱精调、承台顶面坐浆、墩柱微调及套筒灌浆；盖梁施工工艺：盖梁支架安装、坐浆挡板安装、盖梁安装、墩柱顶坐浆、盖梁微调及套筒灌浆、湿接缝施工、预应力施工。研究表明：桥梁主梁采用11片工字钢梁与预制混凝土板组成的组合梁，改善了桥梁结构自重、解决了运输问题，是对钢混组合梁结构的优化设计；墩柱、盖梁、钢混梁吊装施工中研制的标准化临时支撑结构、吊装方案和施工工序，提高了施工现场管理水平，促进了管理的精细化；预制墩柱与现浇承台、预制盖梁之间通过灌浆套筒进行连接，其标准化的施工工艺解决了预制装配施工的关键技术问题；桥梁主体结构采用预制装配技术，改变了传统的施工工艺，产生了良好的社会效益，是桥梁发展的必然趋势。
钢-混凝土板组合梁桥预制装配技术是一种在工厂预制墩柱、盖梁、钢梁和混凝土桥面板，再运至施工现场进行快速装配施工的一种新型组合桥梁施工技术。目前针对钢混组合梁桥的主梁预制装配施工的研究较多，而对桥梁墩柱、盖梁和主梁全预制装配施工综合分析的研究较少，故对桥梁主体结构全预制装配施工关键技术的研究具有重要意义。
以全国首例多主梁预制钢混组合梁桥为实例，对桥梁墩柱、盖梁和钢混组合梁的制作、运输和现场拼装等施工关键技术进行了研究。通过总结现场施工经验，确定了钢混组合梁桥主体结构现场拼装的标准化施工工艺；钢混组合梁施工工艺：临时支撑搭设、梁段现场吊装、组合梁精调定位、顶层混凝土桥面板施工、永久支座锚栓孔灌浆施工、组合梁焊接、落梁至永久支座、墩顶横梁混凝土施工；墩柱施工工艺：承台表面清理、坐浆挡板安装、墩柱翻身吊装、墩柱安装对位、墩柱精调、承台顶面坐浆、墩柱微调及套筒灌浆；盖梁施工工艺：盖梁支架安装、坐浆挡板安装、盖梁安装、墩柱顶坐浆、盖梁微调及套筒灌浆、湿接缝施工、预应力施工。研究表明：桥梁主梁采用11片工字钢梁与预制混凝土板组成的组合梁，改善了桥梁结构自重、解决了运输问题，是对钢混组合梁结构的优化设计；墩柱、盖梁、钢混梁吊装施工中研制的标准化临时支撑结构、吊装方案和施工工序，提高了施工现场管理水平，促进了管理的精细化；预制墩柱与现浇承台、预制盖梁之间通过灌浆套筒进行连接，其标准化的施工工艺解决了预制装配施工的关键技术问题；桥梁主体结构采用预制装配技术，改变了传统的施工工艺，产生了良好的社会效益，是桥梁发展的必然趋势。
2021, 36(4): 26-31.
doi: 10.13206/j.gjgG20052501
摘要:
以光谷科技大厦裙楼大悬挑钢结构安装施工为例，介绍了无支撑高空原位安装施工技术在悬挑钢结构安装中的应用。由于该项目悬挑钢结构的安装需待裙楼非悬挑区域安装完成后实施，届时现场施工场地狭小，且提升点设置困难，无法进行地面拼装和整体提升施工；另外，悬挑结构安装位置较高，设置安装用临时支撑架成本较高，且支撑架本身稳定性难以确保。因此采用无支撑高空原位安装施工方法，分析及利用悬挑结构自身受力特点，借助临时拉杆辅助超重构件定位及稳定，并采用有限元软件对吊装过程中的内力及变形进行模拟，制定先主后辅、由内而外的构件吊装顺序，逐步形成悬挑结构自身受力体系，完成大悬挑钢结构安装施工，确保了施工安全，节约了成本。同时对施工过程中的质量控制及监测、工序衔接、施工安全保障进行了阐述。悬挑钢结构安装精度满足设计及规范要求，方案的科学性及安全性在具体施工中得到验证。
以光谷科技大厦裙楼大悬挑钢结构安装施工为例，介绍了无支撑高空原位安装施工技术在悬挑钢结构安装中的应用。由于该项目悬挑钢结构的安装需待裙楼非悬挑区域安装完成后实施，届时现场施工场地狭小，且提升点设置困难，无法进行地面拼装和整体提升施工；另外，悬挑结构安装位置较高，设置安装用临时支撑架成本较高，且支撑架本身稳定性难以确保。因此采用无支撑高空原位安装施工方法，分析及利用悬挑结构自身受力特点，借助临时拉杆辅助超重构件定位及稳定，并采用有限元软件对吊装过程中的内力及变形进行模拟，制定先主后辅、由内而外的构件吊装顺序，逐步形成悬挑结构自身受力体系，完成大悬挑钢结构安装施工，确保了施工安全，节约了成本。同时对施工过程中的质量控制及监测、工序衔接、施工安全保障进行了阐述。悬挑钢结构安装精度满足设计及规范要求，方案的科学性及安全性在具体施工中得到验证。
2021, 36(4): 32-49.
doi: 10.13206/j.gjgS20071302
摘要:
端板节点是一种钢结构多层建筑中常用的节点，在美国应用较为普遍，在我国应用不多。针对此现象，将国标和美标规范进行了对比。通过对比发现，美国标准对端板节点的研究很完善，AISC DG4和DG16都是对端板节点的设计指导，DG4设计流程适用于风和地震作用下的端板外伸式梁柱节点（即刚接节点），梁柱节点域的计算参见DG13；DG16适用于非地震或风作用时的平端板和外伸端板计算（即半刚接节点）。相比之下，国标规范对端板节点的核算就较为简单，在JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（简称《螺栓规程》）和GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（简称《门刚规范》）中均涉及到了端板节点的计算，但《螺栓规程》中未给出板厚计算方法，仅按构造要求板厚不小于16 mm且不小于螺栓直径；而《门刚规范》未给出螺栓计算方法，仅给出了板厚的计算。可见：两个规范对此类节点的计算都不够完整。
为了论证国标规范对螺栓及端板厚度的选取是否合理，也为了判断按照国标规范设计端板节点是否可以作为刚接节点，选取AISC DG4与国标规范进行对比，从基础理论开始，简单论述了美国对于端板节点的研究历史以及美标DG4 的计算原理、计算假定，然后以实例的形式按照DG4的设计流程对该实例进行了详细的解答，并与《螺栓规程》《门刚规范》的计算结果对比，分析两国规范的计算原理和结果的不同之处。
通过对比发现，两国规范对受拉翼缘受力的计算原理相同，受拉翼缘所承受的拉力由受拉区螺栓承担，对受拉区螺栓的受力计算，两国规范有所差异，但差异不大，不至于影响螺栓规格选取；只是对端板厚度的计算方法差异较大，美标采用屈服线理论，利用了板的塑性抗弯强度，国标规范仍在板的弹性范围内计算，国标计算方法偏于保守。
DG4中附录B是端板节点的初步设计表格，通过分析表格内的数据，发现绝大多数情况下，螺栓直径大于端板厚度，尤其是采用50 ksi强度（即345 MPa）板材时，板厚全部小于螺栓直径。国标规范中虽然没有给出一个明确的端板计算标准流程，但是通过构造措施，比如端板厚度不小于螺栓直径，柱翼缘厚度不小于端板厚度，端板外伸部位设置加劲等措施，也可以达到端板的承载力不小于螺栓承载力的要求，满足厚板的条件。
通过以上研究对比，美标DG4理论较为清晰，且有实际工程和试验数据支撑，在有抗震要求的情况下，当需要计算端板节点时，若工程师判定国标规范的理论不适用，可按照美标进行计算。如果是非抗震设计，国标中的构造措施已经足够安全。
端板节点是一种钢结构多层建筑中常用的节点，在美国应用较为普遍，在我国应用不多。针对此现象，将国标和美标规范进行了对比。通过对比发现，美国标准对端板节点的研究很完善，AISC DG4和DG16都是对端板节点的设计指导，DG4设计流程适用于风和地震作用下的端板外伸式梁柱节点（即刚接节点），梁柱节点域的计算参见DG13；DG16适用于非地震或风作用时的平端板和外伸端板计算（即半刚接节点）。相比之下，国标规范对端板节点的核算就较为简单，在JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（简称《螺栓规程》）和GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（简称《门刚规范》）中均涉及到了端板节点的计算，但《螺栓规程》中未给出板厚计算方法，仅按构造要求板厚不小于16 mm且不小于螺栓直径；而《门刚规范》未给出螺栓计算方法，仅给出了板厚的计算。可见：两个规范对此类节点的计算都不够完整。
为了论证国标规范对螺栓及端板厚度的选取是否合理，也为了判断按照国标规范设计端板节点是否可以作为刚接节点，选取AISC DG4与国标规范进行对比，从基础理论开始，简单论述了美国对于端板节点的研究历史以及美标DG4 的计算原理、计算假定，然后以实例的形式按照DG4的设计流程对该实例进行了详细的解答，并与《螺栓规程》《门刚规范》的计算结果对比，分析两国规范的计算原理和结果的不同之处。
通过对比发现，两国规范对受拉翼缘受力的计算原理相同，受拉翼缘所承受的拉力由受拉区螺栓承担，对受拉区螺栓的受力计算，两国规范有所差异，但差异不大，不至于影响螺栓规格选取；只是对端板厚度的计算方法差异较大，美标采用屈服线理论，利用了板的塑性抗弯强度，国标规范仍在板的弹性范围内计算，国标计算方法偏于保守。
DG4中附录B是端板节点的初步设计表格，通过分析表格内的数据，发现绝大多数情况下，螺栓直径大于端板厚度，尤其是采用50 ksi强度（即345 MPa）板材时，板厚全部小于螺栓直径。国标规范中虽然没有给出一个明确的端板计算标准流程，但是通过构造措施，比如端板厚度不小于螺栓直径，柱翼缘厚度不小于端板厚度，端板外伸部位设置加劲等措施，也可以达到端板的承载力不小于螺栓承载力的要求，满足厚板的条件。
通过以上研究对比，美标DG4理论较为清晰，且有实际工程和试验数据支撑，在有抗震要求的情况下，当需要计算端板节点时，若工程师判定国标规范的理论不适用，可按照美标进行计算。如果是非抗震设计，国标中的构造措施已经足够安全。
