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2022年 第37卷 第3期
2022, 37(3): 1-9.
doi: 10.13206/j.gjgS21100101
摘要
PDF (17368KB)
摘要:
波纹钢板是模块化钢结构中常用的抗侧力构件，由于建筑功能的要求，常常需要在波纹钢板上开设门窗洞口。然而，目前对开洞波纹钢板剪力墙抗侧性能及设计方法的研究比较匮乏，一定程度上制约了模块化钢结构的推广和应用。
基于已完成的开洞波纹钢板剪力墙抗震性能试验，利用通用有限元软件ABAQUS建立开洞波纹钢板剪力墙精细化有限元分析模型，考虑了几何非线性、材料非线性和初始几何缺陷的影响。通过与试件在低周往复荷载作用下的试验结果对比，验证所建立有限元模型的可靠性，揭示了试件的破坏机理。结果表明：所建立的有限元模型可以良好模拟开洞波纹钢板剪力墙在低周往复荷载作用下的初始抗侧刚度、极限抗剪承载力和破坏模式。由于地震作用下洞口四角存在较强的应力集中，为保证开洞波纹钢板剪力墙具有良好的延性和变形能力，门窗洞口应避免设在试件对角线的端部。
建立了开洞波纹钢板剪力墙理论计算模型，将开洞波纹钢板剪力墙等效为若干不开洞波纹钢板组成的一系列串并联弹簧模型，推导了开洞波纹钢板剪力墙抗侧刚度计算式，并与相关试验和数值模拟结果对比验证所推导的计算式。结果表明：所推导的计算式具有较好的精度，可以良好预测开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度。通过参数分析给出了不同波纹钢板厚度、不同波峰高度、不同开洞位置对开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度的影响规律。结果表明：开洞位置显著影响开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度，为使开洞波纹钢板剪力墙具有较高的抗侧刚度，洞口位置宜靠近框架外边缘。基于上述研究工作，给出开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度计算方法，建议了合理的开洞位置。
波纹钢板是模块化钢结构中常用的抗侧力构件，由于建筑功能的要求，常常需要在波纹钢板上开设门窗洞口。然而，目前对开洞波纹钢板剪力墙抗侧性能及设计方法的研究比较匮乏，一定程度上制约了模块化钢结构的推广和应用。
基于已完成的开洞波纹钢板剪力墙抗震性能试验，利用通用有限元软件ABAQUS建立开洞波纹钢板剪力墙精细化有限元分析模型，考虑了几何非线性、材料非线性和初始几何缺陷的影响。通过与试件在低周往复荷载作用下的试验结果对比，验证所建立有限元模型的可靠性，揭示了试件的破坏机理。结果表明：所建立的有限元模型可以良好模拟开洞波纹钢板剪力墙在低周往复荷载作用下的初始抗侧刚度、极限抗剪承载力和破坏模式。由于地震作用下洞口四角存在较强的应力集中，为保证开洞波纹钢板剪力墙具有良好的延性和变形能力，门窗洞口应避免设在试件对角线的端部。
建立了开洞波纹钢板剪力墙理论计算模型，将开洞波纹钢板剪力墙等效为若干不开洞波纹钢板组成的一系列串并联弹簧模型，推导了开洞波纹钢板剪力墙抗侧刚度计算式，并与相关试验和数值模拟结果对比验证所推导的计算式。结果表明：所推导的计算式具有较好的精度，可以良好预测开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度。通过参数分析给出了不同波纹钢板厚度、不同波峰高度、不同开洞位置对开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度的影响规律。结果表明：开洞位置显著影响开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度，为使开洞波纹钢板剪力墙具有较高的抗侧刚度，洞口位置宜靠近框架外边缘。基于上述研究工作，给出开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度计算方法，建议了合理的开洞位置。
2022, 37(3): 10-19.
doi: 10.13206/j.gjgS21100801
摘要:
桁式钢管混凝土组合结构由于传力明确、整体性能好，具备优越的结构性能与经济优势，在腐蚀环境下服役的跨海特大桥梁、沿海塔架、海洋平台等大型基础设施中得到广泛的应用。在此类结构中，主要承重构件与关键连接节点受到荷载与腐蚀长期耦合作用的影响，对结构的安全性与可靠性提出了严峻的挑战。在实际工程中，钢材表面的腐蚀作用通常以随机分布的局部腐蚀为主；以往，受试验条件与数值模拟技术的限制，对随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土关键节点力学性能研究尚不多见，在一定程度上制约了对此类主体结构全寿命服役性能的认识及其科学设计方法的制定。基于此，对随机局部腐蚀与长期荷载耦合作用下钢管混凝土K形节点这一典型桁式组合节点的全过程力学性能展开深入研究。
建立了可以考虑钢管外壁随机局部腐蚀及其对材料非线性约束作用的复杂时变影响的钢管混凝土K形节点精细化有限元分析模型。基于实际环境中海工钢结构随机局部腐蚀的分布规律，通过Python与ABAQUS的模型搭建，进行随机蚀坑分布生成、腐蚀单元识别与蚀坑区域自动化网格划分，实现了对弦、腹杆钢管外壁的随机局部腐蚀的模拟。此外，模型中考虑了腐蚀过程中材料间非线性约束作用的时变劣化以及核心混凝土的长期变形特性，且模型的准确性得到系列试验结果的验证。利用有限元模型，深入分析了节点在局部腐蚀作用下的破坏模态、全过程荷载-变形关系与剩余极限承载力；明晰了腐蚀类型（均匀分布或随机局部分布）、体积腐蚀率等重要参数对节点力学行为的影响规律。考察了随机局部腐蚀作用下影响钢管混凝土K形节点力学性能的重要参数，包括体积腐蚀率、材料强度、弦杆径厚比、腹弦杆管径比等。在参数分析结果的基础上，提出了钢管混凝土K形节点腐蚀后剩余强度的简化计算方法，结合有限元结果验证了公式的有效性。
分析结果表明：随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土K形节点的破坏模态主要为受压腹杆的局部屈曲，在受压腹杆的蚀坑集中区域往往会出现应力集中而发生局部屈曲失效；由于弦杆内填充混凝土，节点区域力学性能得以改善；与均匀腐蚀相比，局部腐蚀对钢管混凝土K形节点力学性能的影响更为显著，且局部腐蚀的随机分布会进一步降低节点的承载力，即当体积腐蚀率一定时，随机局部腐蚀节点承载力比非随机局部腐蚀情况多降低2%~5%；腹杆体积腐蚀率对节点承载力起控制作用。
桁式钢管混凝土组合结构由于传力明确、整体性能好，具备优越的结构性能与经济优势，在腐蚀环境下服役的跨海特大桥梁、沿海塔架、海洋平台等大型基础设施中得到广泛的应用。在此类结构中，主要承重构件与关键连接节点受到荷载与腐蚀长期耦合作用的影响，对结构的安全性与可靠性提出了严峻的挑战。在实际工程中，钢材表面的腐蚀作用通常以随机分布的局部腐蚀为主；以往，受试验条件与数值模拟技术的限制，对随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土关键节点力学性能研究尚不多见，在一定程度上制约了对此类主体结构全寿命服役性能的认识及其科学设计方法的制定。基于此，对随机局部腐蚀与长期荷载耦合作用下钢管混凝土K形节点这一典型桁式组合节点的全过程力学性能展开深入研究。
建立了可以考虑钢管外壁随机局部腐蚀及其对材料非线性约束作用的复杂时变影响的钢管混凝土K形节点精细化有限元分析模型。基于实际环境中海工钢结构随机局部腐蚀的分布规律，通过Python与ABAQUS的模型搭建，进行随机蚀坑分布生成、腐蚀单元识别与蚀坑区域自动化网格划分，实现了对弦、腹杆钢管外壁的随机局部腐蚀的模拟。此外，模型中考虑了腐蚀过程中材料间非线性约束作用的时变劣化以及核心混凝土的长期变形特性，且模型的准确性得到系列试验结果的验证。利用有限元模型，深入分析了节点在局部腐蚀作用下的破坏模态、全过程荷载-变形关系与剩余极限承载力；明晰了腐蚀类型（均匀分布或随机局部分布）、体积腐蚀率等重要参数对节点力学行为的影响规律。考察了随机局部腐蚀作用下影响钢管混凝土K形节点力学性能的重要参数，包括体积腐蚀率、材料强度、弦杆径厚比、腹弦杆管径比等。在参数分析结果的基础上，提出了钢管混凝土K形节点腐蚀后剩余强度的简化计算方法，结合有限元结果验证了公式的有效性。
分析结果表明：随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土K形节点的破坏模态主要为受压腹杆的局部屈曲，在受压腹杆的蚀坑集中区域往往会出现应力集中而发生局部屈曲失效；由于弦杆内填充混凝土，节点区域力学性能得以改善；与均匀腐蚀相比，局部腐蚀对钢管混凝土K形节点力学性能的影响更为显著，且局部腐蚀的随机分布会进一步降低节点的承载力，即当体积腐蚀率一定时，随机局部腐蚀节点承载力比非随机局部腐蚀情况多降低2%~5%；腹杆体积腐蚀率对节点承载力起控制作用。
2022, 37(3): 20-27.
doi: 10.13206/j.gjgS21103101
摘要:
带翼缘十字形截面构件在轴心压力作用下可能发生弯曲屈曲和扭转屈曲。为研究拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形截面构件在轴心荷载作用下的破坏模式和极限承载力，设计了三种截面尺寸的拼合柱，利用有限元软件ABAQUS对不同长细比和螺栓间距的拼合柱进行了数值模拟。所研究的拼合柱的螺栓间距分别为150，300，450 mm，弯曲长细比范围为20~140，间隔为20。为考察拼合作用对此类拼合截面柱承载力的影响，将其与同尺寸的整体截面柱进行对比。
数值分析结果表明：拼合柱的长细比决定了拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形截面柱失稳模式，当弯曲长细比小于换算长细比，即λx<λω时，拼合柱发生整体扭转失稳，反之，则发生整体弯曲失稳；长细比显著影响其极限承载力，相同截面尺寸下，极限承载力随着长细比增大而降低；增大螺栓间距会使试件刚度与稳定承载力下降，但在常见范围内降低幅度很小，且不影响失稳模式；由于拼合作用的影响，拼合截面柱对比相同尺寸的整体截面柱，其力学性能有所下降，且拼合作用对拼合柱扭转失稳承载力的影响比对弯曲失稳承载力的影响更显著。
带翼缘十字形截面构件在轴心压力作用下可能发生弯曲屈曲和扭转屈曲。为研究拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形截面构件在轴心荷载作用下的破坏模式和极限承载力，设计了三种截面尺寸的拼合柱，利用有限元软件ABAQUS对不同长细比和螺栓间距的拼合柱进行了数值模拟。所研究的拼合柱的螺栓间距分别为150，300，450 mm，弯曲长细比范围为20~140，间隔为20。为考察拼合作用对此类拼合截面柱承载力的影响，将其与同尺寸的整体截面柱进行对比。
数值分析结果表明：拼合柱的长细比决定了拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形截面柱失稳模式，当弯曲长细比小于换算长细比，即λx<λω时，拼合柱发生整体扭转失稳，反之，则发生整体弯曲失稳；长细比显著影响其极限承载力，相同截面尺寸下，极限承载力随着长细比增大而降低；增大螺栓间距会使试件刚度与稳定承载力下降，但在常见范围内降低幅度很小，且不影响失稳模式；由于拼合作用的影响，拼合截面柱对比相同尺寸的整体截面柱，其力学性能有所下降，且拼合作用对拼合柱扭转失稳承载力的影响比对弯曲失稳承载力的影响更显著。
2022, 37(3): 28-34.
doi: 10.13206/j.gjgS21052501
摘要:
广州秀场位于广州市花都区，为特定主题演出秀场，总建筑面积为5.02万m2。内部主体结构采用框架-核心筒结构；钢屋盖为自由曲面的单层网格结构，其投影直径约为105 m，竖向高度约为29.1 m。为适应幕墙需求钢屋盖结构划分成边长为3 m左右的四边形和三角形网格；全部网格数为4000个左右。
由于屋盖杆件和节点数量多，若全部杆件作为主受力构件，会使得结构传力路径复杂、施工难度增加。为确定更优的结构方案，对比分析了非主次网格和主次网格两种方案；为更高效地布置混凝土楼板和钢屋面的连接节点，对不同边界情况进行了对比分析；为确定钢屋盖与下部混凝土支承结构受力的相互作用影响大小，对合体模型和独立模型进行了对比计算分析；并进一步对整体结构进行了动力分析和静力分析，确保结构的振型、周期以及变形均在合理范围。采用屈曲分析计算杆件的临界荷载并反算其计算长度，从而较精确地对其强度进行验算。
结果表明：1）因主次网格方案有受力性能好、材料用量少和施工难度较小等优点，故确定采用主次网格方案。2）主网格、次网格和屋面支撑杆件的最大应力比分别为0.78、0.85和0.72。3）采用ANSYS对结构进行了考虑材料和几何双非线性的整体稳定分析，根据荷载位移曲线可知：荷载加至荷载标准值1.8倍以前，结构基本处于线弹性状态；结构的极限荷载约为荷载标准值的4.6倍，满足JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》中的极限承载力系数K>2的要求。最后针对计算采用的边界假定，对主要连接节点进行了专门设计，保证节点构造满足边界假定要求。4）确定仅F1、F3和F5层混凝土楼板与钢屋盖进行铰接连接。5）合体模型和独立模型在静力荷载作用下的变形和动力特性均存在一定差异，故计算钢屋盖时需采用合体模型进行计算。
广州秀场位于广州市花都区，为特定主题演出秀场，总建筑面积为5.02万m2。内部主体结构采用框架-核心筒结构；钢屋盖为自由曲面的单层网格结构，其投影直径约为105 m，竖向高度约为29.1 m。为适应幕墙需求钢屋盖结构划分成边长为3 m左右的四边形和三角形网格；全部网格数为4000个左右。
由于屋盖杆件和节点数量多，若全部杆件作为主受力构件，会使得结构传力路径复杂、施工难度增加。为确定更优的结构方案，对比分析了非主次网格和主次网格两种方案；为更高效地布置混凝土楼板和钢屋面的连接节点，对不同边界情况进行了对比分析；为确定钢屋盖与下部混凝土支承结构受力的相互作用影响大小，对合体模型和独立模型进行了对比计算分析；并进一步对整体结构进行了动力分析和静力分析，确保结构的振型、周期以及变形均在合理范围。采用屈曲分析计算杆件的临界荷载并反算其计算长度，从而较精确地对其强度进行验算。
结果表明：1）因主次网格方案有受力性能好、材料用量少和施工难度较小等优点，故确定采用主次网格方案。2）主网格、次网格和屋面支撑杆件的最大应力比分别为0.78、0.85和0.72。3）采用ANSYS对结构进行了考虑材料和几何双非线性的整体稳定分析，根据荷载位移曲线可知：荷载加至荷载标准值1.8倍以前，结构基本处于线弹性状态；结构的极限荷载约为荷载标准值的4.6倍，满足JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》中的极限承载力系数K>2的要求。最后针对计算采用的边界假定，对主要连接节点进行了专门设计，保证节点构造满足边界假定要求。4）确定仅F1、F3和F5层混凝土楼板与钢屋盖进行铰接连接。5）合体模型和独立模型在静力荷载作用下的变形和动力特性均存在一定差异，故计算钢屋盖时需采用合体模型进行计算。
2022, 37(3): 35-42.
doi: 10.13206/j.gjgS21101603
摘要:
空间钢结构形式多样，造型优美，是一种具有三维空间形体、三维受力特性的结构。然而随着建造技术的提升，国内出现了许多异形柱、变标高空间桁架、大跨度桁架等安装施工难度较大的钢结构形式，呈现出跨度大，受力复杂的特点。以南阳南站工程中大跨不等高桁架屋盖为载体开展研究，由于不等高大跨空间桁架施工工艺复杂，加之有较大悬挑跨度，使得下部V形柱产生了较大变形及高应力。该工程为空间倒三角钢桁架结构，悬挑部分达到25 m，属于大跨度悬挑结构。由结构受力方面分析可知，大跨度悬挑结构受力不利。首先，在竖向力及水平力的作用下，悬挑根部的弯矩及剪力都很大，根部的节点受力复杂，容易成为薄弱点，一旦此处因为应力较大而破坏，将会使整个结构形成机构造成整体结构的坍塌或倾覆。其次，悬挑结构对竖向抗震十分敏感，若是悬挑长度大且悬挑部分自重大，这种效应将会十分明显。第三，悬挑结构的整体稳定性较差，需要对结构的抗倾覆性进行验算，并有针对性地采取一些平衡措施。
综合考虑适合本工程的方案，宜采用常规的分段吊装方法，其具有可操作性强、安全系数高等优点。为此采用MIDAS分析软件对V形柱高空散拼的施工过程进行有限元模拟，以保证后续施工的安全和效率；并采用ANSYS分析软件对V形柱的关键连接点进行计算分析，通过增加y型补强板的补强措施，保证工程的安全和质量。
结果表明：1）柱装配过程中结构应力变化为从第一段安装的8.65 MPa逐步增加到31.9 MPa，位于柱脚底部，处于弹性工作状态。2）柱装配过程中结构最大变形位于悬挑区，其值为9.54 mm，小于挠度规定限值，且应力为31.9 MPa，满足要求。3）柱在拼接过程中，最大变形和最大应力均在柱悬挑区装配过程中产生，通过构造加强后，节点应力及变形能更好满足“强节点弱杆件”的设计准则。
空间钢结构形式多样，造型优美，是一种具有三维空间形体、三维受力特性的结构。然而随着建造技术的提升，国内出现了许多异形柱、变标高空间桁架、大跨度桁架等安装施工难度较大的钢结构形式，呈现出跨度大，受力复杂的特点。以南阳南站工程中大跨不等高桁架屋盖为载体开展研究，由于不等高大跨空间桁架施工工艺复杂，加之有较大悬挑跨度，使得下部V形柱产生了较大变形及高应力。该工程为空间倒三角钢桁架结构，悬挑部分达到25 m，属于大跨度悬挑结构。由结构受力方面分析可知，大跨度悬挑结构受力不利。首先，在竖向力及水平力的作用下，悬挑根部的弯矩及剪力都很大，根部的节点受力复杂，容易成为薄弱点，一旦此处因为应力较大而破坏，将会使整个结构形成机构造成整体结构的坍塌或倾覆。其次，悬挑结构对竖向抗震十分敏感，若是悬挑长度大且悬挑部分自重大，这种效应将会十分明显。第三，悬挑结构的整体稳定性较差，需要对结构的抗倾覆性进行验算，并有针对性地采取一些平衡措施。
综合考虑适合本工程的方案，宜采用常规的分段吊装方法，其具有可操作性强、安全系数高等优点。为此采用MIDAS分析软件对V形柱高空散拼的施工过程进行有限元模拟，以保证后续施工的安全和效率；并采用ANSYS分析软件对V形柱的关键连接点进行计算分析，通过增加y型补强板的补强措施，保证工程的安全和质量。
结果表明：1）柱装配过程中结构应力变化为从第一段安装的8.65 MPa逐步增加到31.9 MPa，位于柱脚底部，处于弹性工作状态。2）柱装配过程中结构最大变形位于悬挑区，其值为9.54 mm，小于挠度规定限值，且应力为31.9 MPa，满足要求。3）柱在拼接过程中，最大变形和最大应力均在柱悬挑区装配过程中产生，通过构造加强后，节点应力及变形能更好满足“强节点弱杆件”的设计准则。
2022, 37(3): 43-49.
doi: 10.13206/j.gjgS21052502
摘要:
为满足斜拉索、主塔、主梁的受力要求，使斜拉桥结构实际线型趋向于理论线型，同时又能保证桥梁结构合龙施工的安全，根据石首长江公路大桥桥梁结构特点、力学特性、预计合龙时间以及工艺实施的风险等诸多因素，在理论分析的基础上制定了几何控制法的合龙方案。
首先，通过综合比较几何控制法、温度配切法两种施工工艺的优缺点后，采用了几何控制法进行合龙施工。其次，研究中跨顶推合龙方案。先找到与中跨合龙有关的特殊条件，再找出顶推合龙工艺实施控制条件，比如：安排好合龙时间、计算出合龙段长度和顶推位移量等，此后，再对顶推进行分析。再次，按步骤1~8对中跨进行合龙施工。最后，对中跨合龙关键技术进行了分析：1）合龙之前进行南塔的纵向顶推装置安装，顶推装置不仅要设置正向顶推千斤顶，亦要设置反向顶推千斤顶。2）合龙时，需预先通过前期控制过程将两侧钢箱梁调整在允许范围内，而不会在合龙时去调整整体偏差。3）合龙口的锁定装置需具有良好的竖向及横向抗弯刚度，能够保证在顶推完毕后主梁的轴线偏位符合要求、合龙口形状能够保持调整后的状态。合龙口形态调整完后，安装拉杆，完成合龙段的锁定，限制合龙段的横、竖向自由度，同时承受合龙段的部分重量，以满足合龙段环缝焊接施工要求。
通过对合龙口施加顶推力，将单侧起吊合龙段嵌入合龙口，消除了由于温度影响而引起的合龙段长度与合龙口宽度的差值及合龙操作空间不足等问题，安全、快速、精确地实现了全桥合龙施工。
为满足斜拉索、主塔、主梁的受力要求，使斜拉桥结构实际线型趋向于理论线型，同时又能保证桥梁结构合龙施工的安全，根据石首长江公路大桥桥梁结构特点、力学特性、预计合龙时间以及工艺实施的风险等诸多因素，在理论分析的基础上制定了几何控制法的合龙方案。
首先，通过综合比较几何控制法、温度配切法两种施工工艺的优缺点后，采用了几何控制法进行合龙施工。其次，研究中跨顶推合龙方案。先找到与中跨合龙有关的特殊条件，再找出顶推合龙工艺实施控制条件，比如：安排好合龙时间、计算出合龙段长度和顶推位移量等，此后，再对顶推进行分析。再次，按步骤1~8对中跨进行合龙施工。最后，对中跨合龙关键技术进行了分析：1）合龙之前进行南塔的纵向顶推装置安装，顶推装置不仅要设置正向顶推千斤顶，亦要设置反向顶推千斤顶。2）合龙时，需预先通过前期控制过程将两侧钢箱梁调整在允许范围内，而不会在合龙时去调整整体偏差。3）合龙口的锁定装置需具有良好的竖向及横向抗弯刚度，能够保证在顶推完毕后主梁的轴线偏位符合要求、合龙口形状能够保持调整后的状态。合龙口形态调整完后，安装拉杆，完成合龙段的锁定，限制合龙段的横、竖向自由度，同时承受合龙段的部分重量，以满足合龙段环缝焊接施工要求。
通过对合龙口施加顶推力，将单侧起吊合龙段嵌入合龙口，消除了由于温度影响而引起的合龙段长度与合龙口宽度的差值及合龙操作空间不足等问题，安全、快速、精确地实现了全桥合龙施工。
