2022年第6期導(dǎo)讀

科 研

門式剛架二次包澆混凝土鋼柱腳節(jié)點(diǎn)性能的有限元分析

劉禮正   劉 磊   郜子軒   任杰德   梁宗敏 

1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院

2. 蘇州兆瑞房地產(chǎn)開發(fā)有限公司

摘 要：現(xiàn)代規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖舍、屠宰場、農(nóng)產(chǎn)品加工車間等建筑常采用門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系,鋼柱腳往往采用簡易外露式柱腳。這類建筑室內(nèi)濕度較大,有時(shí)還有一定的腐蝕性,出于對鋼柱腳的保護(hù)和提高結(jié)構(gòu)耐久性的目的,常采用二次包澆混凝土的做法。因包澆混凝土通常為素混凝土,因此結(jié)構(gòu)受力分析與設(shè)計(jì)中,忽略了二次包澆混凝土對節(jié)點(diǎn)抗彎承載力、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度以及延性的影響,使分析結(jié)果與實(shí)際工況有一定差異,可能帶來設(shè)計(jì)上浪費(fèi)或安全隱患。同時(shí),門式剛架設(shè)計(jì)時(shí)按鉸接柱腳設(shè)計(jì)往往會和包澆混凝土柱腳的受力不一致而不安全。因此,以此類建筑的輕型鋼結(jié)構(gòu)為工程背景,針對門式剛架二次包澆混凝土柱腳節(jié)點(diǎn),在軸壓和彎矩共同作用下,考慮100 mm、150 mm、200 mm 三種包澆混凝土厚度,發(fā)現(xiàn)包澆混凝土能明顯提升柱腳的抗彎承載力和延性,且厚度越大提升幅度越大,同時(shí)對轉(zhuǎn)動(dòng)剛度也有一定提高的規(guī)律。進(jìn)一步在包澆厚度 150 mm 的情況下,考慮在包澆混凝土內(nèi)不加鋼筋網(wǎng)、加一層鋼筋網(wǎng)和加兩層鋼筋網(wǎng)三種情況,在包澆混凝土段加 4 mm 和 6 mm 外包鋼的兩種情況,用通用商業(yè)有限元軟件模擬分析,共對比了 8 種情況對鋼柱腳受力性能的影響,重點(diǎn)關(guān)注抗彎承載力、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與延性。

結(jié)果表明:包澆混凝土受拉側(cè)與受壓側(cè)均存在塑性應(yīng)力集中,受壓側(cè)下部較上部更為集中,受拉側(cè)上部較下部更集中;隨著包澆混凝土厚度的增加,對柱腳的抗彎承載力和延性系數(shù)的提升越來越大。兩種鋼筋網(wǎng)的加入對轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均有一定的提升,其中鋪設(shè)兩層鋼筋網(wǎng)的提升效果更為明顯。上部附加一層鋼筋網(wǎng)使得包澆混凝土的上部塑性應(yīng)變區(qū)域變小;上、下部各附加一層鋼筋網(wǎng)使得混凝土上、下部的塑性應(yīng)變區(qū)域均變小,說明鋼筋網(wǎng)對混凝土提供了有效約束,可延緩包澆混凝土的裂縫開展;上、下兩層鋼筋網(wǎng)均承擔(dān)一定的拉應(yīng)力,尤其上部鋼筋網(wǎng)承擔(dān)更大的拉應(yīng)力。包澆混凝土段外加一層外包鋼,對于柱腳的抗彎承載力提升效果不顯著,但對柱腳的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度有一定提升。

因此,建議門式剛架結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)計(jì)入二次包澆混凝土對柱腳抗彎承載力、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和延性的貢獻(xiàn),可使設(shè)計(jì)更為精準(zhǔn)。若包澆混凝土厚度較厚、附加鋼筋網(wǎng)或外包鋼,則應(yīng)考慮柱腳的轉(zhuǎn)動(dòng)約束,不宜再用鉸接分析,可使門式剛架結(jié)構(gòu)分析更為合理。

關(guān)鍵詞：鋼柱腳；二次包澆；承載力；延性；轉(zhuǎn)動(dòng)剛度

來 源：劉禮正，劉磊，郜子軒，任杰德，梁宗敏. 門式剛架二次包澆混凝土鋼柱腳節(jié)點(diǎn)性能的有限元分析[J]. 鋼結(jié)構(gòu)(中英文), 2022, 37(6): 1-8. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS21123102

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材料退化對鋼-混凝土組合梁橋焊縫疲勞性能的影響

劉 浪    張西東 

1. 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶交通大學(xué)

2. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院

摘 要：為研究材料退化對鋼-混凝土組合梁橋焊縫疲勞性能的影響,根據(jù)鋼筋銹蝕規(guī)律、混凝土強(qiáng)度時(shí)變規(guī)律和鋼材腐蝕規(guī)律,計(jì)算鋼筋和鋼板失重率、混凝土?xí)r變強(qiáng)度,利用 ANSYS 軟件建立退化梁橋有限元模型,以主梁跨中腹板與下翼緣交接處的焊縫節(jié)點(diǎn)為研究對象,首先在 AASHTO 標(biāo)準(zhǔn)疲勞車作用下,提取不同退化工況下主梁焊縫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程,探討材料退化對節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的影響;然后基于 Miner 線性累計(jì)損傷理論計(jì)算不同退化年限下的疲勞損傷發(fā)展曲線,分析材料退化對疲勞損傷曲線的影響,探討車輛通行時(shí)橋梁最大應(yīng)力幅與等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律;最后定義疲勞損傷比,研究材料退化對組合梁橋焊接細(xì)節(jié)疲勞損傷的影響。

結(jié)果表明:焊縫節(jié)點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力易受到材料退化的影響,焊縫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值隨退化年限的增加而增大,且越接近加載位置應(yīng)力值越大。橋梁焊接細(xì)節(jié)的疲勞損傷發(fā)展曲線呈現(xiàn)線性增長趨勢,材料退化會導(dǎo)致疲勞細(xì)節(jié)的疲勞損傷累積加速。在達(dá)到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期時(shí),疲勞損傷值的最大增幅達(dá)到 7.5 倍;最大應(yīng)力幅對材料退化更加敏感,疲勞細(xì)節(jié)產(chǎn)生的最大應(yīng)力幅增長率呈遞增趨勢,在 100 年退化工況時(shí), 4 個(gè)關(guān)注節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅增長率分別達(dá)到了10.4%,13.6%,8.5%及 14.7%。等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增長率未呈現(xiàn)明顯規(guī)律。疲勞損傷比隨退化時(shí)長非線性增長,在退化時(shí)間為 100 年時(shí),梁橋的疲勞損傷比分別為 7.0,7.4,6.4 以及 7.52。另外,結(jié)構(gòu)退化程度越大,疲勞損傷比的非線性程度越高。

關(guān)鍵詞：材料退化；組合梁橋；疲勞損傷；應(yīng)力幅

來 源：劉浪，張西東. 材料退化對鋼-混凝土組合梁橋焊縫疲勞性能的影響[J]. 鋼結(jié)構(gòu)(中英文), 2022, 37(6): 9-17. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS21080901

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數(shù)字圖像應(yīng)用于疲勞監(jiān)測的測量參數(shù)研究

張玉玲1,2,3,4  謝愛華5  楊云濤3,4  高占軍5  張 楠4  張賢卿2  董佳霖2

1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司

2. 浙江數(shù)智交院科技股份有限公司

3. 浙江樹人大學(xué)

4. 北京交通大學(xué)

5. 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

摘 要：鋼構(gòu)件的疲勞監(jiān)控是鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分,而在近年圖像采集和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)迅速發(fā)展的大環(huán)境下,將非接觸式數(shù)字圖像測量和識別技術(shù)應(yīng)用于疲勞監(jiān)測的研究和進(jìn)展,受到各方專業(yè)人士的關(guān)注。為實(shí)現(xiàn)通過對數(shù)字圖像中某種參數(shù)變化的識別,在出現(xiàn)可辨識的裂紋之前監(jiān)測到疲勞異常的目標(biāo),設(shè)計(jì)并加工了Q345qD 試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用 ARAMIS 非接觸式三維光學(xué)測量系統(tǒng)對觀測區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)拍照,獲得疲勞全過程圖像,并將圖像在測量系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字作為檢測量。對比分析疲勞全過程圖像所能夠獲取的力學(xué)指標(biāo)和獲取方法,確定數(shù)字圖像應(yīng)變及位移參數(shù)的形態(tài)和應(yīng)用可行性;對比靜載試驗(yàn)中電測應(yīng)變片與圖像應(yīng)變測量結(jié)果,確定非接觸式數(shù)字圖像測量滿足應(yīng)用精度要求;研究試件疲勞過程的應(yīng)變和位移變化規(guī)律,對圖像的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞過程敏感性分析,研究最優(yōu)參數(shù)指標(biāo),確定特征點(diǎn)數(shù)據(jù)提取方案;驗(yàn)證數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用于疲勞監(jiān)測的可行性和實(shí)施方案,兼顧客觀性和自動(dòng)化。

研究表明,通過 ARAMIS 三維數(shù)字圖像測量系統(tǒng)能夠非接觸動(dòng)態(tài)采集測量表面的圖像數(shù)據(jù),獲取其中任意點(diǎn)的三維應(yīng)變值和位移值滿足精度要求;采用提取截面線均值方法能夠有效獲取鋼構(gòu)件截面名義應(yīng)變;通過 ARAMIS三維數(shù)字圖像測量系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)采集測量表面的應(yīng)變圖像數(shù)據(jù),獲取其中任意點(diǎn)的三維應(yīng)變值和位移值,由位移指標(biāo)得到的疲勞異常信息相對較晚,不適合作為疲勞監(jiān)測的測量參數(shù);確定采用數(shù)字圖像的應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行疲勞監(jiān)測具有可行性,提出可在應(yīng)變等值云圖上截取最大應(yīng)變特征值作為疲勞監(jiān)測數(shù)值系列。所得到的測量數(shù)據(jù)客觀有效、實(shí)施性強(qiáng),是數(shù)字圖像應(yīng)用于疲勞監(jiān)測的最優(yōu)測量參數(shù)。

關(guān)鍵詞：黑白散斑；應(yīng)變；疲勞試驗(yàn)；ARAMIS 光學(xué)測量系統(tǒng)

來 源：張玉玲，謝愛華，楊云濤，高占軍，張楠，張賢卿，董佳霖. 數(shù)字圖像應(yīng)用于疲勞監(jiān)測的測量參數(shù)研究[J]. 鋼結(jié)構(gòu)(中英文), 2022, 37(6): 18-27. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS22012901

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設(shè) 計(jì)

集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)房屋的性能設(shè)計(jì)方法

馬宏偉1  蔡裕珠1  李 翔2  羅成剛2  羅 捷2

1. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院

2. 迅捷安消防及救援科技(深圳)有限公司

摘 要：集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)建筑以集裝箱為單體進(jìn)行組裝,具有裝配式與模塊化建筑的優(yōu)點(diǎn),有很好的發(fā)展前景。但目前國內(nèi)外學(xué)者對集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)建筑的研究大多數(shù)是基于建筑學(xué)角度或單箱體的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能角度,關(guān)于波紋板墻體的簡化模擬及集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究有所欠缺。通過對波紋板的結(jié)構(gòu)分析方法進(jìn)行歸納和總結(jié),提出了豎向承重與水平抗側(cè)相結(jié)合的波紋板墻體簡化模擬方法。首先利用有限元軟件建立波紋板墻體模型,在墻體模型頂部端點(diǎn)加載,通過有限元分析得到波紋板墻體頂點(diǎn)荷載-位移關(guān)系,由此計(jì)算墻體的初始水平抗側(cè)剛度;然后在設(shè)計(jì)軟件中建立上下橫梁和角柱的結(jié)構(gòu)模型,并將波紋板等效為交叉支撐,由剛度等效原則計(jì)算交叉支撐的截面面積,從而實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)軟件中波紋板墻體水平抗側(cè)剛度的模擬。同時(shí),根據(jù)面積等效的原理將每個(gè)波紋簡化成一個(gè)兩端鉸接的立柱,并與集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)房屋本身的上下橫梁連接,從而實(shí)現(xiàn)波紋板墻體豎向承載力的模擬。

對于多層集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)建筑,建議采用 GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中高承載力-低延性的抗震設(shè)計(jì)思路,按小震與中震的地震力進(jìn)行桿件設(shè)計(jì),同時(shí)放寬構(gòu)件的寬厚比限值。

采用上述方法對某雙層雙車位集裝箱消防站進(jìn)行分析,采用 ANSYS 軟件分析波紋板墻體的抗側(cè)剛度,考慮波紋板開洞對剛度的折減作用;然后用等效交叉支撐及兩端鉸接的小立柱模擬波紋板墻體,并在 PKPM 中建立結(jié)構(gòu)分析模型。結(jié)合結(jié)構(gòu)高度及設(shè)防烈度,將性能等級設(shè)置為性能 3,延性等級設(shè)置為 V 級,截面板件寬厚比最低等級設(shè)置為 S5。按照新鋼標(biāo)要求進(jìn)行梁、柱及支撐構(gòu)件的小震與中震下承載力驗(yàn)算,結(jié)果表明各構(gòu)件均滿足地震下承載力要求;同時(shí)結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為 1/527,集裝箱上橫梁與角柱的最大應(yīng)力比分別為 0.92 和 0.35,均滿足性能化設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：鋁箱式鋼結(jié)構(gòu)建筑；波紋板；簡化模型；性能化設(shè)計(jì)

來 源：馬宏偉，蔡裕珠，李翔，羅成剛，羅捷.集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)房屋的性能設(shè)計(jì)方法[J]. 鋼結(jié)構(gòu)(中英文), 2022, 37(6): 28-44. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS21102103

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施工技術(shù)

超大跨度異型鋼連橋動(dòng)態(tài)成型施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

張雪玲  閆瑞華  任敬磊  賀志強(qiáng)  湯 偉  陳 旭

中建科工集團(tuán)有限公司

摘 要：為重塑西安成為“一帶一路”文化核心區(qū),擴(kuò)大文化交流在西安市內(nèi)的開展面和貫入度,西安市政府建立“三中心”重點(diǎn)配套公共服務(wù)類建設(shè)項(xiàng)目——“一帶一路”文化交流中心系列公建項(xiàng)目?！耙粠б宦贰蔽幕涣髦行南盗泄?xiàng)目北地塊為 400 m 超長非對稱雙塔連體結(jié)構(gòu),其中 150 m 空中連橋是國內(nèi)最大跨度的鋼連橋單體。鋼連橋質(zhì)量約 4200 t,與兩端塔樓焊接連接,橋身主體由片式桁架、弧形三角桁架及其之間的水平梁撐組成。在連橋一端下部加設(shè)有 36 m 長、450 t 的下加腋結(jié)構(gòu)。連橋投影下方為單雙層地下室的多標(biāo)高頂板,施工條件復(fù)雜?，F(xiàn)階段提升施工的研究,多停留在跨度小、重量輕的連體結(jié)構(gòu)整體提升的理論及實(shí)踐分析上,而對于包含有上述非常規(guī)自身特點(diǎn)及各類外部復(fù)雜環(huán)境的超長超重連橋施工,未有成套的關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用成果。經(jīng)過對鋼連橋施工重難點(diǎn)的全面分析,結(jié)合行業(yè)內(nèi)提升施工的現(xiàn)有案例,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地研發(fā)了一套超大跨度異型鋼連橋動(dòng)態(tài)成型施工關(guān)鍵技術(shù)。

異型鋼連橋在動(dòng)態(tài)成型過程中,加腋結(jié)構(gòu)分步安裝使得結(jié)構(gòu)重心持續(xù)變動(dòng),對于結(jié)構(gòu)成型線形控制提出了更大挑戰(zhàn)。150 m 大跨度連橋,由多節(jié)段厚板鋼材構(gòu)件拼裝成整體,經(jīng)分階段提升動(dòng)態(tài)成型。成型過程中,內(nèi)力不斷重分布,因此施工過程的內(nèi)力控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測至關(guān)重要。此外,連橋體量大,多數(shù)構(gòu)件單質(zhì)量達(dá) 30 t,其拼裝施工對于大型起重設(shè)備的需求與其投影下方地下室頂板相對較弱的承載能力之間的矛盾,對施工安全危險(xiǎn)源管控技術(shù)提出了更高要求。超大跨度異型鋼連橋動(dòng)態(tài)成型施工關(guān)鍵技術(shù)全面解決了以上困擾此類復(fù)雜項(xiàng)目施工的關(guān)鍵問題,此項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用,確保了該項(xiàng)目鋼連橋高品質(zhì)、高效率、安全完工,突破了傳統(tǒng)提升研究分析的局限性,為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)、類似施工方法提供了重要的參考。

關(guān)鍵詞：超大跨度；異型鋼連橋；動(dòng)態(tài)成型；非對稱預(yù)拱；施工監(jiān)測

來 源：張雪玲，閆瑞華，任敬磊，賀志強(qiáng)，湯偉，陳旭. 超大跨度異型鋼連橋動(dòng)態(tài)成型施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 鋼結(jié)構(gòu)(中英文), 2022, 37(6): 45-52. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS22011801

鋼結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)探析

本期問題:門式剛架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載放大系數(shù)需要連乘嗎?

問題引入：GB 55001—2021《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》(以下簡稱《通用規(guī)范》) 第 4.6.5 條規(guī)定,當(dāng)采用風(fēng)荷載放大系數(shù)的方法考慮風(fēng)荷載脈動(dòng)的增大效應(yīng)時(shí),風(fēng)荷載應(yīng)乘以放大系數(shù),而 GB 51022—2015 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《門剛規(guī)范》)第 4.2.1 條也規(guī)定了放大系數(shù) β ,計(jì)算主剛架時(shí)取β = 1.1,計(jì)算檁條、墻梁、屋面板和墻面板及其連接時(shí),取 β = 1.5。上述兩個(gè)放大系數(shù)需要連乘嗎?

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