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2023年 第38卷 第11期
2023, 38(11): 1-9.
doi: 10.13206/j.gjgS22110501
摘要
PDF (14106KB)
摘要:
钢结构因其具有工厂化生产、抗震性能良好、可回收利用、绿色环保等优点，被广泛地运用于装配式建筑之中。在钢结构建筑中，内嵌围护墙板常作为钢框架结构建筑填充墙使用，但在现有的结构设计理论中，一般采用周期折减系数考虑内嵌围护墙板对钢框架结构抗侧刚度的影响，有时会造成模拟框架抗侧刚度与实际相差较大，不利于工程精细化设计，因此需要深入研究内嵌围护墙板对钢框架抗侧刚度的影响。在该背景下，为进一步研究内嵌围护墙板与钢框架在离散连接情况下，不同影响因素引起的钢框架结构抗侧刚度的变化，运用ABAQUS有限元软件建立带内嵌蒸压加气混凝土（ALC）墙板钢框架的结构模型，考虑了ALC墙板与框架梁连接、与框架柱连接以及与框架梁柱共同连接时，连接节点数量和墙板与钢框架的刚度比对带内嵌围护墙板钢框架结构（Embedded Wallboard Steel Frame Structure，简称EWSF结构）抗侧刚度的影响。
结果表明：EWSF结构的抗侧刚度与无墙板的钢框架相比有较大幅度的提高，根据不同的连接条件，其提高程度分别可达4倍以上；多参数分析结果显示连接工况的变化对EWSF结构整体抗侧刚度有较大的影响，随着连接节点数量的增多，ALC墙板与框架梁连接比与框架柱连接时EWSF结构初始抗侧刚度的提高更加明显；与ALC墙板和框架梁柱分别连接时的情况相比，ALC墙板与框架梁柱共同连接对提高EWSF结构抗侧刚度的效果更加显著；连接节点数量较少时，梁柱连接变化对EWSF结构抗侧刚度的影响较小；EWSF结构的抗侧刚度随墙板与钢框架刚度比的减小而增大。基于连接节点数量和刚度比等影响因素对结构初始抗侧刚度影响的模型分析和理论推导，分别引入墙板与钢框架完全刚接时结构初始抗侧刚度影响系数β和离散连接时结构初始抗侧刚度的影响系数α，提出了该结构初始抗侧刚度计算表达式，其计算结果与有限元分析结果相吻合。
钢结构因其具有工厂化生产、抗震性能良好、可回收利用、绿色环保等优点，被广泛地运用于装配式建筑之中。在钢结构建筑中，内嵌围护墙板常作为钢框架结构建筑填充墙使用，但在现有的结构设计理论中，一般采用周期折减系数考虑内嵌围护墙板对钢框架结构抗侧刚度的影响，有时会造成模拟框架抗侧刚度与实际相差较大，不利于工程精细化设计，因此需要深入研究内嵌围护墙板对钢框架抗侧刚度的影响。在该背景下，为进一步研究内嵌围护墙板与钢框架在离散连接情况下，不同影响因素引起的钢框架结构抗侧刚度的变化，运用ABAQUS有限元软件建立带内嵌蒸压加气混凝土（ALC）墙板钢框架的结构模型，考虑了ALC墙板与框架梁连接、与框架柱连接以及与框架梁柱共同连接时，连接节点数量和墙板与钢框架的刚度比对带内嵌围护墙板钢框架结构（Embedded Wallboard Steel Frame Structure，简称EWSF结构）抗侧刚度的影响。
结果表明：EWSF结构的抗侧刚度与无墙板的钢框架相比有较大幅度的提高，根据不同的连接条件，其提高程度分别可达4倍以上；多参数分析结果显示连接工况的变化对EWSF结构整体抗侧刚度有较大的影响，随着连接节点数量的增多，ALC墙板与框架梁连接比与框架柱连接时EWSF结构初始抗侧刚度的提高更加明显；与ALC墙板和框架梁柱分别连接时的情况相比，ALC墙板与框架梁柱共同连接对提高EWSF结构抗侧刚度的效果更加显著；连接节点数量较少时，梁柱连接变化对EWSF结构抗侧刚度的影响较小；EWSF结构的抗侧刚度随墙板与钢框架刚度比的减小而增大。基于连接节点数量和刚度比等影响因素对结构初始抗侧刚度影响的模型分析和理论推导，分别引入墙板与钢框架完全刚接时结构初始抗侧刚度影响系数β和离散连接时结构初始抗侧刚度的影响系数α，提出了该结构初始抗侧刚度计算表达式，其计算结果与有限元分析结果相吻合。
2023, 38(11): 10-19.
doi: 10.13206/j.gjgs22053002
摘要:
简易刚性悬索桥具有跨度大、施工快以及对环境要求低等特点，是我国西南地区常考虑的桥型之一。然而随着交通基础建设的快速发展，人们对桥梁运行时的舒适性及安全性的要求越来越高，桥梁在汽车和路面不平整度等因素的共同作用下会对车辆的行驶体验产生一定的影响。利用有限元软件ANSYS对山区的某简易刚性悬索桥梁进行模拟建模分析，并提取结构的自振频率和振型。参考功率谱统计法，利用谐波叠加法理论在MATLAB软件上模拟了路面不平度，分析路面不平度对车桥耦合振动响应的影响。同时参考云南地区低等级公路交通载荷特性，选取合适的车辆行驶速度、车重等车辆参数，通过位移耦合法建立车桥耦合模型，利用控制变量法改变车辆单一参数来分析不同车辆特性作用下桥梁的振动响应情况。以不同参数下悬索桥主要位置节点的竖向位移、加速度等响应的时程曲线，来分析路面不平度、车重、行驶车速等对悬索桥振动响应影响的规律。结果表明：车辆车速的增大、车辆车重的增加和路面粗糙等级增加，都会加大桥梁的振动响应，其中车速是影响桥梁竖向加速度振动响应主要的因素，车重是影响桥梁竖向位移响应的主要因素，路面不平度对桥梁的竖向加速度振动响应和竖向位移响应都有影响。并且，随着车辆速度的增加，路面不平度对结构的振动响应也会增加。基于此，可以为分析车致桥梁振动影响行人行走的舒适度及安全性提供理论基础，以选择合适的荷载工况来计算结构的振动响应，进而对桥梁舒适性进行评估。
简易刚性悬索桥具有跨度大、施工快以及对环境要求低等特点，是我国西南地区常考虑的桥型之一。然而随着交通基础建设的快速发展，人们对桥梁运行时的舒适性及安全性的要求越来越高，桥梁在汽车和路面不平整度等因素的共同作用下会对车辆的行驶体验产生一定的影响。利用有限元软件ANSYS对山区的某简易刚性悬索桥梁进行模拟建模分析，并提取结构的自振频率和振型。参考功率谱统计法，利用谐波叠加法理论在MATLAB软件上模拟了路面不平度，分析路面不平度对车桥耦合振动响应的影响。同时参考云南地区低等级公路交通载荷特性，选取合适的车辆行驶速度、车重等车辆参数，通过位移耦合法建立车桥耦合模型，利用控制变量法改变车辆单一参数来分析不同车辆特性作用下桥梁的振动响应情况。以不同参数下悬索桥主要位置节点的竖向位移、加速度等响应的时程曲线，来分析路面不平度、车重、行驶车速等对悬索桥振动响应影响的规律。结果表明：车辆车速的增大、车辆车重的增加和路面粗糙等级增加，都会加大桥梁的振动响应，其中车速是影响桥梁竖向加速度振动响应主要的因素，车重是影响桥梁竖向位移响应的主要因素，路面不平度对桥梁的竖向加速度振动响应和竖向位移响应都有影响。并且，随着车辆速度的增加，路面不平度对结构的振动响应也会增加。基于此，可以为分析车致桥梁振动影响行人行走的舒适度及安全性提供理论基础，以选择合适的荷载工况来计算结构的振动响应，进而对桥梁舒适性进行评估。
2023, 38(11): 20-27.
doi: 10.13206/j.gjgs23052301
摘要:
超高层、异形的钢结构或钢-混组合结构不仅在结构使用阶段受力非常复杂，而且施工过程中结构的变形和受力也特别复杂。该工程为具有特殊形体的钢框架-核心筒结构，存在较多的斜向桁架结构，其顶部与对侧的巨型桁架或核心筒通过水平构件强连接，形成“巨型结构”。在整体结构合龙前后，钢桁架主要构件受力形态差异很大。因此，考虑竖直构件及相应楼盖按常规顺序逐层施工，而斜向钢桁架需先行拼装就位，整体结构形成后再拆除临时支撑，并施加重力荷载。另外，因核心筒与桁架竖向刚度差异较大，两者之间的竖向变形差造成与核心筒相连的构件存在较大的内力。为此，在参考了超高层中伸臂桁架的处理方式后，设计采取“放”的手段，即，与核心筒相邻的构件采取后固接和后安装的做法，以减小竖向变形差的不利影响。为减小施工过程中产生的结构初始变形及内力，同时实现上述“放”的要求，根据受力需要，结合施工上的可行性和经济性，设计拟定了精确模拟和简化模拟两种施工拼装方案，并利用有限元程序SAP 2000进行计算和比较。精确模拟方案是指完全严格按照施工顺序，充分考虑构件拼装过程中的变形和应力，并累计到最终内力计算与变形控制中；简化模拟是指将大部分构件在计算模型中一次成型，将分析的重点聚焦在部分构件后安装及后固接对整体结构和相关构件的影响上。两种方案的差异主要在于，方案A考虑了在施工未完成前，新拼装的钢桁架有一段时间处于悬臂状态，而方案B未考虑这部分的影响。
以一榀典型钢桁架为例，具体分析对比两种方案的杆件内力和节点位移等计算结果。由于该工程施工方案的特殊性，设计时对计算模型及参数进行了特殊处理，以实现施工方案中的部分步骤的准确模拟。
结果表明，两种模拟方案最终状态的内力及变形无显著差异，变形形态与内力分布类同，多数构件最终状态下内力的变化幅度小于3%。根据分析结果，在保证计算精度的前提下，选择简化模拟方案，以提高分析效率。
超高层、异形的钢结构或钢-混组合结构不仅在结构使用阶段受力非常复杂，而且施工过程中结构的变形和受力也特别复杂。该工程为具有特殊形体的钢框架-核心筒结构，存在较多的斜向桁架结构，其顶部与对侧的巨型桁架或核心筒通过水平构件强连接，形成“巨型结构”。在整体结构合龙前后，钢桁架主要构件受力形态差异很大。因此，考虑竖直构件及相应楼盖按常规顺序逐层施工，而斜向钢桁架需先行拼装就位，整体结构形成后再拆除临时支撑，并施加重力荷载。另外，因核心筒与桁架竖向刚度差异较大，两者之间的竖向变形差造成与核心筒相连的构件存在较大的内力。为此，在参考了超高层中伸臂桁架的处理方式后，设计采取“放”的手段，即，与核心筒相邻的构件采取后固接和后安装的做法，以减小竖向变形差的不利影响。为减小施工过程中产生的结构初始变形及内力，同时实现上述“放”的要求，根据受力需要，结合施工上的可行性和经济性，设计拟定了精确模拟和简化模拟两种施工拼装方案，并利用有限元程序SAP 2000进行计算和比较。精确模拟方案是指完全严格按照施工顺序，充分考虑构件拼装过程中的变形和应力，并累计到最终内力计算与变形控制中；简化模拟是指将大部分构件在计算模型中一次成型，将分析的重点聚焦在部分构件后安装及后固接对整体结构和相关构件的影响上。两种方案的差异主要在于，方案A考虑了在施工未完成前，新拼装的钢桁架有一段时间处于悬臂状态，而方案B未考虑这部分的影响。
以一榀典型钢桁架为例，具体分析对比两种方案的杆件内力和节点位移等计算结果。由于该工程施工方案的特殊性，设计时对计算模型及参数进行了特殊处理，以实现施工方案中的部分步骤的准确模拟。
结果表明，两种模拟方案最终状态的内力及变形无显著差异，变形形态与内力分布类同，多数构件最终状态下内力的变化幅度小于3%。根据分析结果，在保证计算精度的前提下，选择简化模拟方案，以提高分析效率。
2023, 38(11): 28-34.
doi: 10.13206/j.gjgS23021201
摘要:
近年来，大跨高空连体钢结构被广泛应用在各类复杂的大型公共建筑中，例如北京央视新总部大楼、重庆来福士广场、新加坡滨海湾金沙酒店等，其施工复杂，难度大。埃及新行政首都中央商务区中区酒店项目设计采用了高空大跨度钢结构连廊的形式，连廊平面呈圆弧形，共2层，一层高9.0 m，二层高6.5 m，外弧最大跨度为43 m，宽为24 m，钢结构总质量约600 t。根据钢结构连廊特点，结合国内外大跨度高空连体钢结构施工方法经分析提出了两种施工吊装方案：方案1采取“分片吊装、高空连接”的方式，在地面分片安装完成后，按照合理的顺序分片吊装，并在空中完成整体连接；方案2采取“高空悬臂散装”方式，同时从两端支座位置开始逐根吊装钢桁架构件，并于跨中位置对接合龙，形成空间桁架。综合考虑工期要求、成本要求、质量要求、安全性要求以及属地工人能力等因素，确定采用方案1“分片吊装、高空连接”的施工方法。
通过施工过程数值模拟法对方案1进行计算分析，结果表明，钢结构安装过程中主体桁架竖向位移和构件应力比均很小，吊装顺序合理，侧向支撑有效，可以满足施工过程中钢构件稳定性和施工精度控制的要求，方案可行。同时，为了确保施工过程中的安全和质量，采取了多项关键控制措施，如采用大型履带吊保证吊装过程安全、设置临时支撑保证施工过程中构件稳定、设置可调节式拉杆控制构件水平度、严格控制每天作业时间以避免温差影响安装精度等。
近年来，大跨高空连体钢结构被广泛应用在各类复杂的大型公共建筑中，例如北京央视新总部大楼、重庆来福士广场、新加坡滨海湾金沙酒店等，其施工复杂，难度大。埃及新行政首都中央商务区中区酒店项目设计采用了高空大跨度钢结构连廊的形式，连廊平面呈圆弧形，共2层，一层高9.0 m，二层高6.5 m，外弧最大跨度为43 m，宽为24 m，钢结构总质量约600 t。根据钢结构连廊特点，结合国内外大跨度高空连体钢结构施工方法经分析提出了两种施工吊装方案：方案1采取“分片吊装、高空连接”的方式，在地面分片安装完成后，按照合理的顺序分片吊装，并在空中完成整体连接；方案2采取“高空悬臂散装”方式，同时从两端支座位置开始逐根吊装钢桁架构件，并于跨中位置对接合龙，形成空间桁架。综合考虑工期要求、成本要求、质量要求、安全性要求以及属地工人能力等因素，确定采用方案1“分片吊装、高空连接”的施工方法。
通过施工过程数值模拟法对方案1进行计算分析，结果表明，钢结构安装过程中主体桁架竖向位移和构件应力比均很小，吊装顺序合理，侧向支撑有效，可以满足施工过程中钢构件稳定性和施工精度控制的要求，方案可行。同时，为了确保施工过程中的安全和质量，采取了多项关键控制措施，如采用大型履带吊保证吊装过程安全、设置临时支撑保证施工过程中构件稳定、设置可调节式拉杆控制构件水平度、严格控制每天作业时间以避免温差影响安装精度等。
2023, 38(11): 35-42.
doi: 10.13206/j.gjgs23050502
摘要:
钢桁架作为一种轻型高强度结构体系，具有优异的抗震性能。将钢桁架应用于住宅的转换层，可以大幅提高整个住宅结构的抗震能力，提供更加安全的居住环境；相对于传统混凝土结构来说更加轻盈，自重较小，施工速度快且能够实现大跨度无柱设计，提供更加灵活的空间布局，提高空间利用率。因此，钢桁架被广泛应用于现代住宅结构中。然而由于钢桁架庞大的体量和对提升的高精度要求，其提升作业面临着巨大的挑战。目前，对高层钢桁架提升领域系统性和规范性的研究相对较少，因此有必要对钢桁架在提升过程中关键部位的应力及变形进行研究，为提升过程提供科学依据和指导，以提升作业效率及安全性。
依托秦皇岛金梦海湾二期住宅钢桁架转换层工程，通过有限元软件ABAQUS建立精确的三维有限元模型，在钢桁架两端设置提升吊点，其约束方式为铰接，对工程提升方案进行了仿真分析。通过有限元仿真，可以模拟钢桁架在提升过程中的受力和变形，为施工过程中关键部位的测点选取提供依据。对提升过程中的关键构件的应力、应变进行实时监测，并对模拟结果与实际监测数据进行对比分析。研究结果表明：模拟所得应力最大值位于第二榀桁架左侧吊点附近，桁架整体构件应力水平远低于构件屈服应力，钢桁架具有足够的强度来抵抗所受的荷载；竖向变形最大值位于桁架跨中位置，满足工程规范要求，钢桁架的变形控制在合理范围之内；在提升过程中，由于不同吊点受到不同的提升反力，提升反力较大的吊点会导致液压系统中的液压缸在承受压力时响应不同，从而产生不同步提升应力，造成吊点处应力集中，但其应力仍在安全范围之内；对桁架提升过程进行实时监测可以准确获得关键部位的应力、变形，便于在提升过程中进行微调，保证了提升的安全性及精确性；监测值略小于模拟值，工程实际提升比仿真分析更加安全，验证了有限元分析和提升方案的准确性，为提升工程的安全性和稳定性提供了有益的经验。
钢桁架作为一种轻型高强度结构体系，具有优异的抗震性能。将钢桁架应用于住宅的转换层，可以大幅提高整个住宅结构的抗震能力，提供更加安全的居住环境；相对于传统混凝土结构来说更加轻盈，自重较小，施工速度快且能够实现大跨度无柱设计，提供更加灵活的空间布局，提高空间利用率。因此，钢桁架被广泛应用于现代住宅结构中。然而由于钢桁架庞大的体量和对提升的高精度要求，其提升作业面临着巨大的挑战。目前，对高层钢桁架提升领域系统性和规范性的研究相对较少，因此有必要对钢桁架在提升过程中关键部位的应力及变形进行研究，为提升过程提供科学依据和指导，以提升作业效率及安全性。
依托秦皇岛金梦海湾二期住宅钢桁架转换层工程，通过有限元软件ABAQUS建立精确的三维有限元模型，在钢桁架两端设置提升吊点，其约束方式为铰接，对工程提升方案进行了仿真分析。通过有限元仿真，可以模拟钢桁架在提升过程中的受力和变形，为施工过程中关键部位的测点选取提供依据。对提升过程中的关键构件的应力、应变进行实时监测，并对模拟结果与实际监测数据进行对比分析。研究结果表明：模拟所得应力最大值位于第二榀桁架左侧吊点附近，桁架整体构件应力水平远低于构件屈服应力，钢桁架具有足够的强度来抵抗所受的荷载；竖向变形最大值位于桁架跨中位置，满足工程规范要求，钢桁架的变形控制在合理范围之内；在提升过程中，由于不同吊点受到不同的提升反力，提升反力较大的吊点会导致液压系统中的液压缸在承受压力时响应不同，从而产生不同步提升应力，造成吊点处应力集中，但其应力仍在安全范围之内；对桁架提升过程进行实时监测可以准确获得关键部位的应力、变形，便于在提升过程中进行微调，保证了提升的安全性及精确性；监测值略小于模拟值，工程实际提升比仿真分析更加安全，验证了有限元分析和提升方案的准确性，为提升工程的安全性和稳定性提供了有益的经验。
2023, 38(11): 43-45.
doi: 10.13206/j.gjgS23022720
摘要:
论述框架、压撑和拉撑各自的静力抗侧力性能，特别强调了随侧移增大抗侧承载力的退化；介绍了框架和支撑的抗侧承载力按照1：1和1：3的比例组成双重抗侧力结构后的抗侧力-侧移角曲线。结果表明：1：1比例的双重抗侧力体系的抗侧力随侧移角增加，虽然压撑承载力在退化，但是框架的承载力在不断发挥作用，总的抗侧力不发生退化；1：3比例的算例中因为框架承载力的增加不足以补偿压撑承载力的退化，期间总承载力会达到20%的退化，即退化20%是抗震性能优良的结构能够容许的最大值，这表明框架承载力占比低于25%时，双重抗侧力结构抗震性能将低于期望。
论述框架、压撑和拉撑各自的静力抗侧力性能，特别强调了随侧移增大抗侧承载力的退化；介绍了框架和支撑的抗侧承载力按照1：1和1：3的比例组成双重抗侧力结构后的抗侧力-侧移角曲线。结果表明：1：1比例的双重抗侧力体系的抗侧力随侧移角增加，虽然压撑承载力在退化，但是框架的承载力在不断发挥作用，总的抗侧力不发生退化；1：3比例的算例中因为框架承载力的增加不足以补偿压撑承载力的退化，期间总承载力会达到20%的退化，即退化20%是抗震性能优良的结构能够容许的最大值，这表明框架承载力占比低于25%时，双重抗侧力结构抗震性能将低于期望。
