2022年第6期導讀

科 研

門式剛架二次包澆混凝土鋼柱腳節(jié)點性能的有限元分析

劉禮正   劉 磊   郜子軒   任杰德   梁宗敏 

1. 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院

2. 蘇州兆瑞房地產開發(fā)有限公司

摘 要：現(xiàn)代規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖舍、屠宰場、農產品加工車間等建筑常采用門式剛架輕型鋼結構體系,鋼柱腳往往采用簡易外露式柱腳。這類建筑室內濕度較大,有時還有一定的腐蝕性,出于對鋼柱腳的保護和提高結構耐久性的目的,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,因此結構受力分析與設計中,忽略了二次包澆混凝土對節(jié)點抗彎承載力、轉動剛度以及延性的影響,使分析結果與實際工況有一定差異,可能帶來設計上浪費或安全隱患。同時,門式剛架設計時按鉸接柱腳設計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構為工程背景,針對門式剛架二次包澆混凝土柱腳節(jié)點,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,同時對轉動剛度也有一定提高的規(guī)律。進一步在包澆厚度 150 mm 的情況下,考慮在包澆混凝土內不加鋼筋網、加一層鋼筋網和加兩層鋼筋網三種情況,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,重點關注抗彎承載力、轉動剛度與延性。

結果表明:包澆混凝土受拉側與受壓側均存在塑性應力集中,受壓側下部較上部更為集中,受拉側上部較下部更集中;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。兩種鋼筋網的加入對轉動剛度均有一定的提升,其中鋪設兩層鋼筋網的提升效果更為明顯。上部附加一層鋼筋網使得包澆混凝土的上部塑性應變區(qū)域變小;上、下部各附加一層鋼筋網使得混凝土上、下部的塑性應變區(qū)域均變小,說明鋼筋網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、下兩層鋼筋網均承擔一定的拉應力,尤其上部鋼筋網承擔更大的拉應力。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,但對柱腳的轉動約束剛度有一定提升。

因此,建議門式剛架結構受力分析時計入二次包澆混凝土對柱腳抗彎承載力、轉動剛度和延性的貢獻,可使設計更為精準。若包澆混凝土厚度較厚、附加鋼筋網或外包鋼,則應考慮柱腳的轉動約束,不宜再用鉸接分析,可使門式剛架結構分析更為合理。

關鍵詞：鋼柱腳；二次包澆；承載力；延性；轉動剛度

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)點性能的有限元分析[J]. 鋼結構(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實驗室，重慶交通大學

2. 重慶交通大學土木工程學院

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、混凝土強度時變規(guī)律和鋼材腐蝕規(guī)律,計算鋼筋和鋼板失重率、混凝土時變強度,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)點為研究對象,首先在 AASHTO 標準疲勞車作用下,提取不同退化工況下主梁焊縫節(jié)點的應力時程,探討材料退化對節(jié)點應力的影響;然后基于 Miner 線性累計損傷理論計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,探討車輛通行時橋梁最大應力幅與等效應力循環(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節(jié)疲勞損傷的影響。

結果表明:焊縫節(jié)點區(qū)域的應力易受到材料退化的影響,焊縫節(jié)點的應力值隨退化年限的增加而增大,且越接近加載位置應力值越大。橋梁焊接細節(jié)的疲勞損傷發(fā)展曲線呈現(xiàn)線性增長趨勢,材料退化會導致疲勞細節(jié)的疲勞損傷累積加速。在達到設計基準期時,疲勞損傷值的最大增幅達到 7.5 倍;最大應力幅對材料退化更加敏感,疲勞細節(jié)產生的最大應力幅增長率呈遞增趨勢,在 100 年退化工況時, 4 個關注節(jié)點的應力幅增長率分別達到了10.4%,13.6%,8.5%及 14.7%。等效應力循環(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長非線性增長,在退化時間為 100 年時,梁橋的疲勞損傷比分別為 7.0,7.4,6.4 以及 7.52。另外,結構退化程度越大,疲勞損傷比的非線性程度越高。

關鍵詞：材料退化；組合梁橋；疲勞損傷；應力幅

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]. 鋼結構(中英文), 2022, 37(6): 9-17. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS21080901

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數(shù)字圖像應用于疲勞監(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. 中國鐵道科學研究院集團有限公司

2. 浙江數(shù)智交院科技股份有限公司

3. 浙江樹人大學

4. 北京交通大學

5. 中鐵第五勘察設計院集團有限公司

摘 要：鋼構件的疲勞監(jiān)控是鋼結構健康監(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)遠程傳輸技術迅速發(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應用于疲勞監(jiān)測的研究和進展,受到各方專業(yè)人士的關注。為實現(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,設計并加工了Q345qD 試件進行疲勞試驗。試驗過程中采用 ARAMIS 非接觸式三維光學測量系統(tǒng)對觀測區(qū)域進行動態(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)內部轉換為數(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指標和獲取方法,確定數(shù)字圖像應變及位移參數(shù)的形態(tài)和應用可行性;對比靜載試驗中電測應變片與圖像應變測量結果,確定非接觸式數(shù)字圖像測量滿足應用精度要求;研究試件疲勞過程的應變和位移變化規(guī)律,對圖像的各種數(shù)據(jù)進行疲勞過程敏感性分析,研究最優(yōu)參數(shù)指標,確定特征點數(shù)據(jù)提取方案;驗證數(shù)字圖像技術應用于疲勞監(jiān)測的可行性和實施方案,兼顧客觀性和自動化。

研究表明,通過 ARAMIS 三維數(shù)字圖像測量系統(tǒng)能夠非接觸動態(tài)采集測量表面的圖像數(shù)據(jù),獲取其中任意點的三維應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件截面名義應變;通過 ARAMIS三維數(shù)字圖像測量系統(tǒng)能夠動態(tài)采集測量表面的應變圖像數(shù)據(jù),獲取其中任意點的三維應變值和位移值,由位移指標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)字圖像的應變參數(shù)進行疲勞監(jiān)測具有可行性,提出可在應變等值云圖上截取最大應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、實施性強,是數(shù)字圖像應用于疲勞監(jiān)測的最優(yōu)測量參數(shù)。

關鍵詞：黑白散斑；應變；疲勞試驗；ARAMIS 光學測量系統(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)字圖像應用于疲勞監(jiān)測的測量參數(shù)研究[J]. 鋼結構(中英文), 2022, 37(6): 18-27. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS22012901

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設 計

集裝箱式鋼結構房屋的性能設計方法

馬宏偉1  蔡裕珠1  李 翔2  羅成剛2  羅 捷2

1. 華南理工大學土木與交通學院

2. 迅捷安消防及救援科技(深圳)有限公司

摘 要：集裝箱式鋼結構建筑以集裝箱為單體進行組裝,具有裝配式與模塊化建筑的優(yōu)點,有很好的發(fā)展前景。但目前國內外學者對集裝箱式鋼結構建筑的研究大多數(shù)是基于建筑學角度或單箱體的結構力學性能角度,關于波紋板墻體的簡化模擬及集裝箱式鋼結構房屋結構設計方法的研究有所欠缺。通過對波紋板的結構分析方法進行歸納和總結,提出了豎向承重與水平抗側相結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加載,通過有限元分析得到波紋板墻體頂點荷載-位移關系,由此計算墻體的初始水平抗側剛度;然后在設計軟件中建立上下橫梁和角柱的結構模型,并將波紋板等效為交叉支撐,由剛度等效原則計算交叉支撐的截面面積,從而實現(xiàn)在設計軟件中波紋板墻體水平抗側剛度的模擬。同時,根據(jù)面積等效的原理將每個波紋簡化成一個兩端鉸接的立柱,并與集裝箱式鋼結構房屋本身的上下橫梁連接,從而實現(xiàn)波紋板墻體豎向承載力的模擬。

對于多層集裝箱式鋼結構建筑,建議采用 GB 50017—2017《鋼結構設計標準》中高承載力-低延性的抗震設計思路,按小震與中震的地震力進行桿件設計,同時放寬構件的寬厚比限值。

采用上述方法對某雙層雙車位集裝箱消防站進行分析,采用 ANSYS 軟件分析波紋板墻體的抗側剛度,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 中建立結構分析模型。結合結構高度及設防烈度,將性能等級設置為性能 3,延性等級設置為 V 級,截面板件寬厚比最低等級設置為 S5。按照新鋼標要求進行梁、柱及支撐構件的小震與中震下承載力驗算,結果表明各構件均滿足地震下承載力要求;同時結構的最大層間位移角為 1/527,集裝箱上橫梁與角柱的最大應力比分別為 0.92 和 0.35,均滿足性能化設計要求。

關鍵詞：鋁箱式鋼結構建筑；波紋板；簡化模型；性能化設計

來 源：馬宏偉，蔡裕珠，李翔，羅成剛，羅捷.集裝箱式鋼結構房屋的性能設計方法[J]. 鋼結構(中英文), 2022, 37(6): 28-44. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS21102103

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施工技術

超大跨度異型鋼連橋動態(tài)成型施工關鍵技術研究與應用

張雪玲  閆瑞華  任敬磊  賀志強  湯 偉  陳 旭

中建科工集團有限公司

摘 要：為重塑西安成為“一帶一路”文化核心區(qū),擴大文化交流在西安市內的開展面和貫入度,西安市政府建立“三中心”重點配套公共服務類建設項目——“一帶一路”文化交流中心系列公建項目?！耙粠б宦贰蔽幕涣髦行南盗泄椖勘钡貕K為 400 m 超長非對稱雙塔連體結構,其中 150 m 空中連橋是國內最大跨度的鋼連橋單體。鋼連橋質量約 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有 36 m 長、450 t 的下加腋結構。連橋投影下方為單雙層地下室的多標高頂板,施工條件復雜?，F(xiàn)階段提升施工的研究,多停留在跨度小、重量輕的連體結構整體提升的理論及實踐分析上,而對于包含有上述非常規(guī)自身特點及各類外部復雜環(huán)境的超長超重連橋施工,未有成套的關鍵技術研究和應用成果。經過對鋼連橋施工重難點的全面分析,結合行業(yè)內提升施工的現(xiàn)有案例,項目團隊創(chuàng)新地研發(fā)了一套超大跨度異型鋼連橋動態(tài)成型施工關鍵技術。

異型鋼連橋在動態(tài)成型過程中,加腋結構分步安裝使得結構重心持續(xù)變動,對于結構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)段厚板鋼材構件拼裝成整體,經分階段提升動態(tài)成型。成型過程中,內力不斷重分布,因此施工過程的內力控制與實時監(jiān)測至關重要。此外,連橋體量大,多數(shù)構件單質量達 30 t,其拼裝施工對于大型起重設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,對施工安全危險源管控技術提出了更高要求。超大跨度異型鋼連橋動態(tài)成型施工關鍵技術全面解決了以上困擾此類復雜項目施工的關鍵問題,此項技術的研究與應用,確保了該項目鋼連橋高品質、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)類似結構、類似施工方法提供了重要的參考。

關鍵詞：超大跨度；異型鋼連橋；動態(tài)成型；非對稱預拱；施工監(jiān)測

來 源：張雪玲，閆瑞華，任敬磊，賀志強，湯偉，陳旭. 超大跨度異型鋼連橋動態(tài)成型施工關鍵技術研究與應用[J]. 鋼結構(中英文), 2022, 37(6): 45-52. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS22011801

鋼結構熱點探析

本期問題:門式剛架結構風荷載放大系數(shù)需要連乘嗎?

問題引入：GB 55001—2021《工程結構通用規(guī)范》(以下簡稱《通用規(guī)范》) 第 4.6.5 條規(guī)定,當采用風荷載放大系數(shù)的方法考慮風荷載脈動的增大效應時,風荷載應乘以放大系數(shù),而 GB 51022—2015 《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(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 ,計算主剛架時取β = 1.1,計算檁條、墻梁、屋面板和墻面板及其連接時,取 β = 1.5。上述兩個放大系數(shù)需要連乘嗎?

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1.http://gjg.ic-mag.com/ 

2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG

3.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/Detail?pykm=GJIG&dbcode=STMJ  

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