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2023年  第38卷  第10期

科研
空间结构地震损伤评价指标与等级划分
代传春, 丁阳
2023, 38(10): 1-9. doi: 10.13206/j.gjgs23080402
摘要:
大跨空间结构广泛应用于航站楼、高铁站和会展中心等大型公共建筑,这些建筑中人群密集,而且投资大,地震作用下不仅要保证其抗震安全性,还要考虑其可能的地震损伤程度和造成的经济损失,即进行性能化抗震设计。我国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中关于抗震性能化设计的基本原则主要基于混凝土结构确定,不适合大跨空间结构。因此,以单层球面网壳、单层柱面网壳和桁架三种工程常用的空间结构为例,采用有限元方法分析其地震响应特征和破坏模式,确定适合的地震损伤评价指标,划分其地震损伤等级,为大跨度空间结构性能化抗震设计提供支撑。根据JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》,采用设计软件3D3S设计了不同跨度、不同矢跨比的15个单层球面网壳结构、9个单层柱面网壳结构和16个管桁架结构;采用有限元软件ABAQUS分别建立这些结构有限元模型,根据GB 50011—2010的规定,从太平洋地震工程研究中心地震动数据库中选取符合结构目标反应谱的34条地震动,对结构输入按照1∶0.85∶0.65进行三向调幅的地震动,分析结构在不同强度的不同地震动下的响应,总结结构的地震响应特征和破坏模式。
结果表明:对于单层球面网壳结构,节点最大位移随地震动强度变化明显,塑性应变能可充分反映结构的损伤程度,因此采用节点最大位移和反映地震损伤程度的塑性应变能2个参数作为结构地震损伤评价指标,根据考虑两者不同权重的损伤指数提出了单层球面网壳结构地震损伤等级划分准则;对于单层柱面网壳结构,二次静力分析的结构变形与结构地震位移响应相似,说明震后结构在静力作用下的损伤是在其地震损伤上进一步发展的,因此采用地震作用前后结构的静力极限承载力作为结构地震损伤评价指标,根据考虑静力极限承载力变化的损伤指数提出了单层柱面网壳结构地震损伤等级划分准则;对于管桁架结构,主桁架跨中区域和支座附近杆件发生了较大塑性变形,结构刚度显著降低,采用塑性应变作为较大塑性变形杆件地震损伤评价指标并划分其损伤等级,根据不同损伤等级杆件所占比例提出了管桁架结构地震损伤等级划分准则。单层球面网壳结构和单层柱面网壳结构的最大位移与跨度之比均与损伤指数正相关,因此,也可根据最大位移与跨度比来划分结构的地震损伤等级,更简单快捷。
基于点云和BIM的大跨钢桁架虚拟预拼装应用研究
黎翔, 呼辉峰, 陈天国, 刘界鹏, 余鹏, 赵国军
2023, 38(10): 10-15. doi: 10.13206/j.gjgs23081201
摘要:
大型复杂钢结构具有构/部件数量多,焊接、栓接工作量大,施工工序多等特点。传统的预拼装方法成本高、效率低,难以满足大型复杂空间结构的要求。针对该问题,提出基于BIM和三维激光扫描技术的大型复杂钢结构虚拟预拼装方法。以西部(重庆)科学城科学会堂项目为工程背景,对屋面圆管桁架和大跨度楼面桁架智能化施工流程进行研究,提出了技术路线和方法流程。针对工程常见的圆管桁架,提出采用基于随机采样一致性算法、拉普拉斯-滚球混合检测算法的拼接控制点提取方法;针对形状规则的楼面工字钢桁架和牛腿,提出采用有向包围盒法获取拼接控制点;为获取施工质量检测数据,提出采用基于k近邻算法、主成分分析算法和基于区域准则的边缘检测算法完成对接口角点的智能提取。
结果表明:将BIM和三维激光扫描技术相结合的技术路线对圆管桁架和工字钢桁架的虚拟预拼装均取得了较准确结果;采用提出方法获取的圆管桁架基准点,配合基准点全排列算法进行粗配准,再通过迭代最近邻算法进行精配准,从而获得较高的配准质量。
模拟工业海洋大气环境下Q345qDNH钢锈蚀行为研究
李怀峰, 贾鑫, 王宏博, 葛汉彬, 张建东
2023, 38(10): 16-24. doi: 10.13206/j.gjgs23051701
摘要:
以实际工程中的典型桥梁耐候钢为对象,通过周期浸润加速腐蚀试验,并使用宏观形貌观察、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)等方法,研究耐候钢锈层表面形貌、锈层物相组成、腐蚀失重及动力学曲线和电化学性质等的变化规律,探究了Q345qDNH典型耐候钢在模拟工业海洋大气环境NaHSO3和不同NaCl浓度下的腐蚀行为。
结果表明,在不同NaCl浓度的腐蚀环境下,耐候钢表面腐蚀产物均由α-FeOOH、γ-FeOOH、β-FeOOH、Fe2O3、Fe3O4构成,且腐蚀环境中NaCl浓度的大小与耐候钢的腐蚀失重速率呈正相关;当NaCl浓度为0.1%时,耐候钢的腐蚀失重速率随腐蚀时间的延长迅速降至低位后趋于平稳,在腐蚀1 440 h后锈层表面均匀致密,平均腐蚀失重速率约为0.76 g/(cm2·h);当腐蚀环境中NaCl离子浓度为3.5%时,耐候钢的腐蚀失重速率处于高位且随腐蚀时间的延长先增高后降低,在腐蚀1 440 h后锈层表面裂纹孔洞较多,平均腐蚀失重速率约为0.89 g/(cm2·h)。由此,NaCl浓度越低,耐候钢的自腐蚀电位越正,自腐蚀电流密度越小,腐蚀失重速率越慢。耐候钢在0.1%NaCl浓度的环境中腐蚀1 440 h后其自腐蚀电流密度为105.65μA/mm2,锈层中α-FeOOH与(β-FeOOH+γ-FeOOH)含量的比值接近2,远大于3.5%NaCl浓度时的该比值(0.104),此时锈层状态趋于稳定,并对耐候钢基体具有较好保护作用。
不锈钢与碳钢焊接接头力学性能研究
姚健宇, 邓瑞婷, 郑宝锋, 舒赣平
2023, 38(10): 25-31. doi: 10.13206/j.gjgS23102401
摘要:
随着工程应用场景日趋复杂,结构在承载力、耐腐蚀性和经济性等方面面临更高的要求,单一金属材料已经很难满足工程所有使用要求。不锈钢是一种绿色高性能材料,强度和耐腐蚀性良好,且有利于我国实现“双碳”目标;碳钢价格低廉、应用较广,但耐腐蚀性较差。为了提高材料的利用率、节约成本,在工程上常常将不锈钢与碳钢焊接。目前在核电站中由于设备的工作环境和工作介质的不同,通常会采用奥氏体不锈钢与碳钢进行焊接;在建筑幕墙中,一般室外墙板、驳接件、玻璃幕墙支撑体系会采用不锈钢,而内部龙骨和主题钢桁架柱采用碳钢,因此会有大量不锈钢与碳钢焊接的需求。由于不锈钢与碳钢两种材料的化学成分和物理性能不同,焊接时会出现问题,比如:熔点差异使得金属流失、线膨胀系数差异可能导致焊缝出现裂纹、化学成分差异使焊接过程出现脆性化合物等等,所以目前国内大部分规范并不支持不锈钢与碳钢焊接。现有关于不锈钢与碳钢焊接的研究主要集中于Q235B钢和奥氏体不锈钢,没有对常见的不锈钢和碳钢进行系统研究。为此,将S30408、QN1803、S22053不锈钢与Q235B、Q355B碳钢采用对接焊缝连接,对6种不同组合、48个不锈钢与碳钢焊接接头的金相组织、硬度、强度和断口形貌等力学性能进行系统的试验研究。试验表明:不锈钢与碳钢焊接接头在熔合线附近出现明显的增碳层和脱碳层;热影响区晶粒增大,出现马氏体等脆性组织使得热影响区的硬度大于金属母材;不锈钢与碳钢焊接接头拉伸试件断裂在碳钢一侧,抗拉强度与其碳钢母材抗拉强度一致,屈服强度低于碳钢母材,延伸率显著降低;由于脱碳层的形成,使得碳钢熔合线附近的硬度和韧性下降;不锈钢与碳钢焊接接头拉伸断口均出现韧窝,为韧性断裂。
设计
“双碳”目标下的结构抗震设计思路
王立军, 谭晋鹏, 汪明
2023, 38(10): 32-41. doi: 10.13206/j.gjgs23072802
摘要:
“碳达峰”和“碳中和”控制目标是我国指导经济发展方向的重要国策。由于建筑行业是碳排放的“大户”,该行业各个环节的碳排放量控制程度直接关系着国家整体“双碳”控制目标的成败。一方面,减少建筑材料的使用必然是实现“双碳”建筑的一种有效方法,这就要求在设计阶段应采用更加科学和高效的设计方法和设计理念。另一方面,建筑结构在地震作用下的安全性是结构设计的最重要目标之一。但传统的抗震设计方法一般是以提高结构自身抗震能力为主要手段来实现减小地震灾害,这必然在一定程度上将增加建筑材料的使用。为了解决“双碳”设计目标和保证结构足够抗震安全性两者间的矛盾,需要从抗震设计思路上进行优化和改进。
从概念层面论述了结构专业范畴内“双碳”目标与结构抗震设计的关系,探讨了既满足“双碳”思想又不降低结构抗震安全性的设计思路。一方面,提出了对不同抗震烈度地区建筑结构采用不同抗震手段的设计思路。对于处于低烈度区(6度及以下)及地震组合工况不起控制作用的中等烈度区(7度)的结构,可降低结构延性方面的要求,通过提高抗震承载力实现抗震安全性;对于处于高烈度区(8度及以上)及地震组合工况起控制作用的中等烈度区(7度)的结构,应采用更加符合“双碳”目标的结构体系,如减震结构、隔震结构、自复位结构、摇摆结构、双重抗震结构等,通过提高耗能、隔震等手段降低结构自身的抗震代价。另一方面,提出了采用“IO状态”来控制结构抗震设计目标的概念。对于国务院第744号令《建筑工程抗震管理条例》所规定的重点设防类建筑,若过高要求其弹性承载力,必然会明显增加建筑材料的使用,不符合“双碳”设计的理念。基于对结构安全性和经济性的综合考虑,可允许在设防地震作用下发生少量塑性发展。关于其塑性发展的控制程度,可借鉴美国规范中的“IO状态”。
霞田文体园体育场单层索网设计
曹永超, 霍文营, 施泓, 童建坤, 麻硕, 何相宇
2023, 38(10): 42-48. doi: 10.13206/j.gjgS23080401
摘要:
霞田文体园体育场位于福建省泉州市德化县,其结构由下部的钢筋混凝土框架看台和上部的单层索网组成。单层索网采用马鞍形双曲面形态,沿看台前后方向设置向下凹的承重索,沿看台左右方向设置向上凸的抗风索,承重索与抗风索通过索夹相互连接,并通过索夹的抗滑移能力确保承重索和抗风索在相交位置不产生滑移。上部单层索网采用刚性和柔性混合边界约束形式。刚性边界为看台上方支承于钢斜柱顶的梁端落地的钢拱,柔性边界由看台前方支承在钢桅杆上的环索和看台两侧支承于钢桅杆和基础上的边索组成。承重索和抗风索采用投影面正交正放布置,投影方向间距约7 m。由于单层索网属于全柔性结构体系,在施加预应力之前,结构刚度为零且不能承担任何荷载。因此,在索网计算分析之前必须根据建筑预期的形状对索网进行找形分析。通过索网找形确定索网形态和初始应力状态,施加了初始应力状态的索网拥有承担外荷载的能力。在索网完成找形分析后,即可对索网根据不同的荷载和作用工况进行静力计算、多遇地震弹性计算、罕遇地震弹塑性计算。通过建筑与结构的多轮优化与计算,确定了柔性索网的边界条件和三维形态;利用力密度法和扩展力密度法的基本原理,编制了用于复杂索网找形的基本程序,并在项目实践中取得良好的效果;采用三维有限元分析和抗滑移试验对关键节点进行了承载力和变形校核。综合以上分析,结果表明本项目单层索网的结构选型基本合理,设计成果满足现行国家规范要求。
全预制装配模块化建筑及其结构设计策略
侯兆新, 龚超, 陈金林, 王双, 刘兆祥
2023, 38(10): 49-58. doi: 10.13206/j.gjgS23083102
摘要:
模块化建筑作为一种高度预制的装配式建筑,具有标准化、集成化和工业化的特点,近年来在酒店、方舱医院、宿舍等建筑中得到快速推广应用。与常规建筑相比,模块化建筑在荷载传递路径、设计方法、建造模式和结构体系等方面均有较大差异。针对模块化建筑,从模块单元、结构体系、结构设计、模块建筑特点及应用情况等方面,重点阐述了模块化建筑的设计策略及产业化应用的关键思路。其中,模块单元内部构件间的连接、相邻模块间的连接、模块单元与抗侧力体系间的连接是模块化建筑结构设计的关键。为促进模块化建筑产业化发展,将竖向承载系统和抗侧力系统相分离,使竖向承重构件与结构层数无关,使得叠箱结构易于实现模块产品的标准化。
设计探讨
关于压杆稳定系数的一个思考
童根树
2023, 38(10): 59-61. doi: 10.13206/j.gjgS23022020
摘要:
介绍了中国GB 50017—2017《钢结构设计标准》和欧洲钢结构设计规范中压杆稳定系数曲线及其选用,对较高强度钢材选用稳定系数较高的曲线的原因进行了介绍,为避免柱子曲线随钢材强度等级突然变化,对稳定系数公式中的缺陷因子引入了更为符合理论推导的钢材屈服强度修正因子,获得的稳定系数能够对不同屈服强度钢材的稳定系数实现顺利过渡,同时对新的公式进行了对比,其与原规范规定的曲线非常接近。新公式简化了规范的编制,且理论上更加合理。
钢结构热点探析
有吊车时,支撑间距为何更大?
邹安宇, 刘卫国
2023, 38(10): 62-62.
摘要: