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2021年  第36卷  第12期

科研
新型装配式波纹钢板-聚氨酯组合剪力墙抗震性能有限元分析
徐强, 刘浩文, 乔文涛, 王潮
2021, 36(12): 1-8. doi: 10.13206/j.gjgS21051102
摘要:
聚氨酯具有很好的黏结性和抗拉、压以及抗剪强度,除了具有较好的保温隔热作用外,与波纹钢板相结合使用还可以起到限制钢板面外屈曲的作用。同时在聚氨酯外侧放置加压水泥板,可以起到一定的防火作用。鉴于此,提出了一种新型装配式波纹钢板-聚氨酯组合剪力墙。为研究其在低周反复荷载作用下的受力性能、破坏过程,以及不同参数对其抗震性能的影响,采用ABAQUS有限元分析软件建立了19个波纹钢板-聚氨酯组合剪力墙有限元分析模型,分析了不同轴压比、钢板宽高比、墙体厚度、钢板厚度、柱子柔度系数等主要设计参数对其抗震性能的影响规律。
分析结果表明:随着钢板厚度的增加,墙体的峰值承载力也会提高,但是其延性会有所下降,变形能力也会变差;随着轴压比的增大,墙体的峰值承载力、延性系数以及极限位移都会降低,变形能力也会降低,因此建议轴压比取值不大于0.2;随着钢板宽高比的增大,墙体的峰值承载力有大幅度的增加,同时其延性也会增加,变形能力增强,但是极限位移会变小,为了能够充分利用钢板,更好发挥其性能,建议波纹钢板宽高比应控制在0.8~1.2;在钢板两侧填充一定厚度的聚氨酯,可以减小钢板的面外屈曲变形,且随着聚氨酯填充厚度的增加,墙体的峰值承载力会有提高,且当墙体厚度小于200 mm时,墙体的延性系数会随着聚氨酯填充厚度的增加而增大,但是当墙体厚度为240 mm时,与厚度为200 mm的墙体相比较,其延性系数出现了下降,变形能力变差。因此,建议聚氨酯填充厚度不大于200 mm;随着边框柱柔度系数的减小,墙体的峰值承载力以及延性系数都会有所提高,但是当柔度系数小于2.87时,随着柔度系数的减小,构件延性提高程度会减小。
轴压比对薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙性能影响分析
徐帅, 李妍
2021, 36(12): 9-14. doi: 10.13206/j.gjgS21040602
摘要:
薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙结构作为一种新型剪力墙体系,避免了装配式剪力墙抽芯困难的问题,同时用钢量增加不多,在提高生产效率的同时兼具十分良好的经济性。为研究轴压比对薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙性能的影响,针对墙体高度为2 600 mm、截面尺寸为1 100 mm×200 mm的二级剪力墙试件进行数值模拟,试件按照整体建模,假定墙体上下两端与加载梁和基础梁固接。加载过程中,首先在模型顶部施加竖向均布荷载,试件顶部的水平位移由1.3 mm逐步加载至26.0 mm,有效模拟出试件从弹性受力阶段到最终达到失效的全过程。同时对比薄壁灌芯钢管剪力墙试件在轴压比0.3~0.5范围内试件的破坏形态和滞回性能的差别。
通过对不同模型的数值分析可以看出:5个试件最终破坏形态均属于压弯作用下大偏压构件的受弯破坏,在往复荷载作用下,模型靠近底部位置均出现水平方向较大的变形,最终因丧失承载力而导致破坏。根据模拟试件的应力云图,在往复荷载作用下,位于试件两端的薄壁钢管率先出现屈服,随后靠近底部两侧的薄壁钢管外部的混凝土开始达到其抗拉强度,从而薄壁钢管外侧的混凝土并逐步失效。在内侧的混凝土由于受到薄壁钢管的约束,使得试件可以继续承担荷载。薄壁钢管混凝土可以承受荷载反复作用,在模拟过程中薄壁钢管与管间混凝土没有出现剪切滑移的情况,而是保持一种稳定状态,使试件在受到竖向均布荷载作用的同时具备良好的塑性变形能力。模型滞回曲线均为比较饱满的梭形,无明显捏拢现象,并且随着轴压比的增加,薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙试件滞回曲线包络的面积更大,呈现的梭形曲线更为饱满,耗散的能量更多,同时极限承载力有一定程度提高。从骨架曲线来看,当轴压比超过0.35后,随着轴压比增加,延性系数有所降低。根据各个模型的累积耗能系数情况可知,随着轴压比的增加,薄壁钢管混凝土剪力墙的耗能能力有一定提升。在轴压比0.3~0.5的情况下,薄壁钢管灌芯混凝土剪力墙延性系数均超过3.0,说明这种结构有很好的变形性能和延性性能,均可以满足抗震设计的要求。
接头偏移对弧形管桁架结构受力性能的影响研究
刘佳辰, 龚景海
2021, 36(12): 15-22. doi: 10.13206/j.gjgS20121301
摘要:
在空间管桁架结构中,施工时为避免弦杆杆件连接接头与腹杆的相贯节点重合导致焊缝集中,常采用将弦杆接头按需要进行偏移的施工方法。当结构中存在不同曲率的弧段时,接头偏移将导致结构局部发生改变,与设计模型产生偏差,且会影响变曲率弧形管桁架的受力性能。为探究接头偏移对弧形管桁架结构受力性能的具体影响,选择实际工程项目模型,按照常用施工方案对弦杆接头部分进行偏移处理,并计算对比偏移前后模型的受力情况。选择结构中不同位置、具有代表性的两榀桁架模型进行分析,在弧段曲率改变处选择合适的杆件,根据腹杆相贯情况,计算理论最小偏移量,并添加安全距离,取整得到接头处实际最小偏移量。分别按照最小偏移量、2倍最小偏移量、3倍最小偏移量调整原模型,并考察在自重工况和最不利组合工况下接头处上下弦杆、腹杆和接头相邻弦杆的轴力、弯矩、应力情况。
结果表明:杆件轴力主要受整体结构设计和杆件截面的影响,不因接头偏移产生明显改变;接头两端弧段曲率不同时,当接头偏移后,其位置与杆件原位置产生偏心距,该偏心距导致接头两端杆件所受轴力在此产生弯矩,使接头处弦杆受到的弯矩增加;在轴力无显著变化的情况下,弯矩增加,杆件应力对应增大;最小偏移量时,杆件弯矩增幅最高可达200%,应力可增加10%~15%;3倍最小偏移量时,接头处弦杆的应力在自重工况下增幅达到70%,最不利组合工况下增幅达到100%;偏心增大时,弦杆弯矩大幅提升,在3倍最小偏移量时,接头处个别弦杆应力比超过1,此时对应的接头偏移导致的偏心距为0.15~0.3 m,且在各种工况下,该危险杆件的应力都有明显增幅,在最不利荷载组合工况下有破坏危险。得到结论,接头偏移对变曲率弧形管桁架结构的受力性能造成影响,表现在弧段曲率改变处杆件受接头偏移影响与原设计模型产生偏心距,部分杆件弯矩大幅增加,应力增大。当接头偏移量增大时,较大偏心可能会导致部分杆件破坏,对整体结构造成安全隐患,施工时应对实际弦杆接头偏移情况进行验算或在设计阶段考虑接头偏移情况,消除结构的潜在危险。
得到结论:1)接头偏移对变曲率弧形管桁架结构杆件轴力无明显影响;2)弯矩随接头偏移带来的偏心距的增加大幅增大;3)轴力与弯矩共同作用下,接头偏移使杆件应力对应增大,对整体结构造成安全隐患。施工时应对实际弦杆接头偏移情况进行验算或在设计阶段考虑接头偏移影响,消除结构的潜在危险。
钢管混凝土柱转换托架式节点有限元研究
姜俊铭, 刘洪亮, 陈桥生
2021, 36(12): 23-31. doi: 10.13206/j.gjgS21021802
摘要:
目前在钢箱梁的节点连接中,一般是将钢箱梁末端直接焊接到支撑钢构件的表面,这种连接方式不仅对焊接的技术要求很高,而且焊缝处也容易产生缺陷,造成焊缝开裂。针对钢箱梁焊接时存在的问题,研究了一种新型的装配式钢箱梁节点连接类型——转换托架式节点,它采用螺栓连接而非焊接的方式实现钢箱梁的安装,其中节点中所用螺栓为单边螺栓。转换托架式节点是在钢箱梁和钢管混凝土柱之间引入一个转换托架,其基本组成构件包括一个较短的中连梁和在中连梁两端分别焊接的一块端板,包括与钢箱梁连接的前端板和与钢管混凝土柱连接的后端板。根据连接方式的不同,转换托架式节点可分为牛腿式和外伸后端板式两种形式。
首先给出了节点的详细构造,并验证了节点有限元模型的有效性;其次进行了细致的参数分析,研究了中连梁长度、翼缘厚度和宽度、端板厚度对节点性能的影响,并对比分析了两类节点的破坏模式。
结果表明:转换托架式节点可能的破坏模式包括中连梁的大面积屈服破坏、下翼缘的受压屈曲、钢箱梁的屈服破坏、前端板的受拉破坏、后端板的受拉屈服变形过大、螺栓的受拉屈服;中连梁长度的增加对节点初始刚度和承载力的影响较小,但中连梁的长度会影响到梁上的应力分布,当长度增加时,梁上的应力水平会降低;但中连梁过长并不能有效提升节点的性能,故中连梁长度最小应能保证扭矩扳手的操作空间,最大不应影响钢箱梁力学性能的发挥;提高中连梁截面尺寸能够提高节点的承载力,随着截面尺寸的增大,梁的塑性铰会逐渐向钢箱梁上转移,通过改变中连梁的截面尺寸,可以达到控制塑性铰出现位置的目的;牛腿式节点中的后端板和外伸后端板式节点的前端板的厚度对节点性能的影响较小,而牛腿式节点中的前端板和外伸后端板式节点的后端板的厚度对节点性能的影响较大,板厚度不同时,节点的承载力曲线往往有较大差别。
设计
绍兴会展异形大跨展馆钢结构-金属屋面一体化设计
叶翔, 李璐, 郦宏伟, 刘中华, 管世林
2021, 36(12): 32-43. doi: 10.13206/j.gjgS21012802
摘要:
绍兴国际会展中心一期B区工程1号展厅为韵律错台屋面造型,展厅无柱跨度72 m,钢结构及金属屋面系统设计、施工难度大;1号展厅要求当年开工、当年投用,工期异常紧张。针对项目难题,本工程充分利用EPC模式的特点,设计、施工主体共同参与设计方案会商,将准期要付要求、现场施工效率及跨专业的衔接配合作为设计管理的重点,对主体、屋面设计方案进行研究比选并付诸实施,取得了良好的效果。其具体内容为:
1)针对大跨异形建筑形态,创新性地提出一种贴合韵律错台单斜屋面的大跨钢结构方案,利用错台部位布置巨型桁架,提高屋盖整体刚度及结构效率,实现屋面造型与可靠结构的有机结合。经分析验证,该结构方案承载能力强、抗震性能优良,结构经济、可靠、适用、美观,大幅降低了金属屋面的设计与施工难度,为确保本工程工期目标打下了良好的基础,可为同类/矩齿造型屋面结构方案的选择提供一种有益参考。
2)针对常规反打底板金属屋面系统施工效率低、施工安全性差、闭水时间晚的特点,创新性地提出一种"直铺大跨底板与檩条系统分离承重式构造"金属屋面系统,将屋面底板支承部件集成至主钢结构,减少屋面系统高空作业工序;利用高波钢承板跨跃4.5 m跨度直接正向铺设于钢结构完成面,改变传统金属屋面系统先檩条系统后底板的作业方式,大幅提升金属屋面系统作业效率及施工安全性;屋面底板与檩条系统分离承重,由屋面底板直接将构造层自重传递至主钢结构,提高主钢结构利用率,檩条系统仅支承屋面板,檩条系统受力小,用钢省;除屋面檩托外,无其他零部件穿透TPO防水层,使之形成真正的"两道防水",提升金属屋面防水效果。
本工程最终耗时112 d完成钢结构及金属屋面系统施工,相比同类项目工期缩短近4个月;工程目前顺利通过主体及屋面工程验收,实现准期交付并试投运,且钢结构工程获"中国建筑钢结构金奖",金属屋面工程获"中国建筑防水行业金禹奖金奖",并形成多项科技成果及专利技术,社会经济效益显著,体现了EPC模式的巨大优势,其一体化设计思想及实践可为类似工程建设提供有益借鉴。
中美钢结构规范对比研究
中美建筑钢结构设计方法比较——端板连接
石永久, 余香林
2021, 36(12): 44-72. doi: 10.13206/j.gjgS21110202
摘要:
螺栓端板连接节点是装配式钢结构和组合结构的主要连接构造形式之一,广泛应用于多层钢框架结构和门式刚架钢结构构件的连接和安装。螺栓端板连接具有螺栓用量少、构件拼装简单、工厂焊接量少、现场全螺栓连接、现场安装不受季节影响、容易拆装等综合优势,适用于构件拼接、梁柱连接、支撑连接,以及钢板剪力墙连接。螺栓端板连接可以设计成刚接节点、半刚接节点或铰接节点。现行美国ANSI/AISC 360-16《建筑钢结构标准》和中国GB 50017—2017《钢结构设计标准》都积极推荐采用端板连接节点。中美其他钢结构技术标准,如GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》、JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规范》、ANSI/AISC 341-16《建筑钢结构抗震规定》、ANSI/AISC 358-16《抗震用特殊和中等钢力矩框架用预鉴定连接件》等,详细规定了端板连接节点的设计方法和构造要求。通过对现行中美两国建筑钢结构技术标准中有关端板连接的条文和计算公式进行分析对比,详细讨论了端板连接节点的构造形式、刚度特征、螺栓计算方法、端板计算方法,以及连接的梁柱构件在节点域的局部承载力计算,重点分析了采用端板连接实现"强节点"的设计理念、计算内容和构造要求。在总结中美两国的端板连接节点设计方法的基础上,通过算例定量分析了两国技术标准在螺栓端板连接节点承载力计算方面的异同。
分析结果表明:中国和美国现行的钢结构技术标准都已给出了完整的螺栓端板连接设计方法,计算内容和构造要求相近,但按美国标准计算的单个高强度螺栓的承载力设计值要高于中国标准的计算结果,按中国标准设计的"强节点"需要采用较厚的端板和较多的螺栓数量。
钢结构热点探析
高强螺栓可以焊接和镀锌吗?
邹安宁
2021, 36(12): 73-73.
摘要:
总目次
《钢结构(中英文)》2021年总目次
2021, 36(12): 74-77.
摘要: