鋼 結(jié) 構(gòu) （中 英 文）

2022年第7期導(dǎo)讀

綜 述

腐蝕后鋼管混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展

熊清清1,2,3  錢佳慧2  陳志華1

1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院

2. 石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院

3. 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(石家莊鐵道大學(xué))

摘 要：鋼管混凝土在運(yùn)輸及施工過程中易出現(xiàn)防銹層脫落,在腐蝕性氣體、液體和土壤等環(huán)境作用下服役,進(jìn)一步加劇了鋼管壁的腐蝕,引起截面損失和鋼材本身性能的劣化。腐蝕后的鋼管混凝土表現(xiàn)為整體承載力、塑性變形能力、組合彈性模量和對核心混凝土約束性能的降低,最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險增大。通過對鋼管混凝土腐蝕后性能研究現(xiàn)狀的分析,從微觀腐蝕形貌、宏觀構(gòu)件力學(xué)性能及相關(guān)理論計算方法三個方面對腐蝕后鋼管混凝土的靜力性能、抗震性能以及有限元分析方法進(jìn)行了對比總結(jié),并對腐蝕后鋼管混凝土力學(xué)性能的研究進(jìn)行了展望。

基于目前研究的分析表明:對鋼管混凝土腐蝕形貌的研究可以通過三維表面掃描儀,實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土腐蝕形貌的高精度三維重構(gòu),通過腐蝕形貌的重構(gòu)得到蝕坑尺寸、形狀和深度等分布規(guī)律對其力學(xué)性能的影響;對于腐蝕后鋼管混凝土靜力性能的研究主要集中在均勻腐蝕后鋼管混凝土的軸壓、軸拉及偏壓性能的研究,對于腐蝕后鋼管混凝土軸壓承載力的研究表明,基于疊加理論計算腐蝕后構(gòu)件的承載力相較統(tǒng)一理論具有更高的精度。目前對于局部腐蝕后鋼管混凝土的力學(xué)性能的研究較少,局部腐蝕雖然產(chǎn)生的失重率很小,但會引起構(gòu)件應(yīng)力集中、屈曲提前、承載力降低,嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全,因此有必要增加此方面的研究;對于腐蝕后的鋼管混凝土柱的抗震性能研究發(fā)現(xiàn),軸壓比一定時,腐蝕率越高,承載力下降越大,屈服后腐蝕試件的耗能能力迅速降低;目前對鋼管混凝土的腐蝕試驗(yàn)方面的研究主要通過通電加速腐蝕、鹽霧腐蝕和機(jī)械開槽模擬等方法,采用鹽霧腐蝕能更好地通過試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際的海水腐蝕,建立試驗(yàn)腐蝕與實(shí)際腐蝕環(huán)境的關(guān)聯(lián),可對今后的研究提供更有價值的參考;對腐蝕后鋼管混凝土有限元模擬方法的研究,鋼管腐蝕常采用壁厚折減法、材性折減法、生死單元法、雙層殼單元法及隨機(jī)點(diǎn)蝕法等,研究表明蝕坑區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中,引起破壞模式的變化,強(qiáng)度顯著降低。隨機(jī)點(diǎn)蝕法實(shí)現(xiàn)了大量點(diǎn)蝕實(shí)例的快速幾何建模,點(diǎn)蝕的形式和分布對構(gòu)件疲勞損傷有顯著影響,在研究裂紋擴(kuò)展等疲勞問題時,不能忽視其隨機(jī)性。隨機(jī)腐蝕與實(shí)際腐蝕形貌存在一定差異,在后續(xù)的研究中考慮模擬隨機(jī)點(diǎn)蝕法與工程實(shí)際的腐蝕形貌建立相關(guān)性是腐蝕模擬的關(guān)鍵,建議增加此方面研究,實(shí)現(xiàn)腐蝕后鋼管混凝土力學(xué)性能的精細(xì)化有限元模擬。 

通過介紹現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀,探討并總結(jié)腐蝕后的鋼管混凝土構(gòu)件腐蝕形貌、力學(xué)性能和有限元模擬方法,為將來的進(jìn)一步深入研究給出相關(guān)建議。

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科 研

鋼管混凝土脫粘機(jī)理及影響因素分析

諶 越1  王 罡1  郝瀟斌2  閆貴海1

1. 中冶建筑研究總院(深圳)有限公司

2. 中冶建筑研究總院有限公司

摘 要：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼管與混凝土兩種材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,在高層建筑以及橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著時間的推移,鋼管與核心混凝土在應(yīng)力和時間的作用下產(chǎn)生包括彈性變形,徐變,混凝土收縮等變形。而由于材料的性質(zhì)不同,最終導(dǎo)致鋼管混凝土中的兩種材料產(chǎn)生變形差進(jìn)而導(dǎo)致脫粘,影響整體結(jié)構(gòu)的服役性能。為了探究鋼管混凝土在服役周期中脫粘的估算方法,通過分別計算核心混凝土與鋼管的變形并得出脫粘量,與深圳賽格廣場大廈(簡稱賽格大廈)的鋼管混凝土脫粘的測量值進(jìn)行對比,探索計算模型對鋼管混凝土脫粘估算的適用度與精確度。

在鋼管混凝土中,徑向變形主要分為核心混凝土的收縮形變,泊松形變,與徐變形變;對于鋼管分為泊松形變與徐變形變。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的密封性,假設(shè)鋼管內(nèi)恒溫恒濕。在此基礎(chǔ)上,采用較為普遍使用的混凝土規(guī)范 ACI 209R-92 與 CEB-FIP 為計算模型,以賽格大廈建成至檢測日期為計算時長,設(shè)計荷載及自重為應(yīng)力條件,計算混凝土的收縮、泊松與徐變形變;對鋼管進(jìn)行受力分析,結(jié)合材料力學(xué)計算相應(yīng)變形。以對脫粘增長有利為正方向,計算不同變形之和作為鋼管混凝土的脫粘量。

結(jié)果表明,相較于 ACI 模型,CEB-FIP 的計算結(jié)果與實(shí)測值更為接近。特別的,CEB-FIP 模型對核心混凝土收縮的估算普遍大于 ACI 模型;在徐變量上,ACI 模型受尺寸影響較大,徐變計算量小于 CEB-FIP 模型。賽格大廈鋼管混凝土中同時采用了通過搗震密實(shí)的傳統(tǒng)混凝土與自密實(shí)混凝土。相較于傳統(tǒng)混凝土,自密實(shí)混凝土?xí)l(fā)生較大的收縮變形,該情況能較好的體現(xiàn)在兩種模型的結(jié)果中,且 CEB-FIP 的結(jié)果與其模型描述中較為接近。實(shí)測值顯示核心混凝土脫粘自上而下呈“小-大-小”分布,CEB-FIP 的計算與該趨勢相符,而 ACI 結(jié)果則呈現(xiàn)自上而下遞減的趨勢。

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內(nèi)外法蘭的法蘭板面外剛度近似計算公式

郭 勇1  牟文鼎2  陳 勇2  陳 成1  梅宇佳1

1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計院有限公司

2. 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院

摘 要：內(nèi)外剛性法蘭是一種高承載力的圓鋼管連接形式,主要應(yīng)用于大跨度鋼管輸電鐵塔結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)度構(gòu)件連接,其軸向拉伸承載力除與螺栓數(shù)量和強(qiáng)度有關(guān)外,還取決于內(nèi)外圈螺栓拉力比值。內(nèi)外法蘭的法蘭板面外剛度則是計算該拉力比值的一個重要參數(shù),受到了廣泛關(guān)注。然而由于法蘭板面外剛度涉及螺栓孔大小、幾何參數(shù)關(guān)系及法蘭形式等多種因素,致使其相應(yīng)的力學(xué)平衡方程的邊界條件十分復(fù)雜,難以獲得為設(shè)計計算所利用的解析解。因此有必要對法蘭板的面外剛度開展深入研究,以獲得簡明近似計算式。

考慮內(nèi)外剛性法蘭涉及的內(nèi)法蘭板和外法蘭板形式,基于彈性薄板理論,首先建立了極坐標(biāo)系下法蘭板力學(xué)平衡方程和相應(yīng)的邊界條件。據(jù)此分析了法蘭板各參數(shù)的相互影響,推導(dǎo)了相應(yīng)的無量綱參數(shù)。根據(jù)實(shí)際工程中的無量綱參數(shù)取值范圍,通過建立 7144 個外法蘭板和 5630 個內(nèi)法蘭板的有限元模型,開展了參數(shù)敏感性分析。參數(shù)敏感性分析厘清了各無量綱參數(shù)對法蘭板面外剛度影響的規(guī)律,同時明確了法蘭板的受力特性。最后通過回歸分析,提出了可用于內(nèi)外法蘭設(shè)計計算的面外剛度簡明近似計算式。

結(jié)果表明,法蘭板面外剛度可用無量綱法蘭板撓度表征。隨著法蘭板厚度的增加和管徑的減少,法蘭板面外剛度增加。對于普通內(nèi)外法蘭,無量綱法蘭板撓度總體上隨螺栓數(shù)量和無量綱螺栓直徑的增加而單調(diào)減少,即此時法蘭板面外剛度增加。此外,當(dāng)法蘭板的環(huán)向長度和寬度比值較大時,法蘭板受力類似于懸臂板,比值較小時法蘭板受力類似于單向板,比值中等時法蘭板受力為三邊承力。統(tǒng)計表明,有限元結(jié)果和近似計算公式結(jié)果比值的平均值約為 1.0,變異系數(shù)小于 0.7%,表明該近似計算式可較好地估算法蘭板面外剛度。

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施工技術(shù)

基于環(huán)形箍加固體系的漂浮桁架結(jié)構(gòu)整體提升研究

趙 闖  趙文雁  曹佐盛  劉長剛

浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司

摘 要：湖南廣播電視臺節(jié)目生產(chǎn)基地及配套設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目漂浮辦公室單體為多筒支承的大平面多層桁架結(jié)構(gòu),由于該結(jié)構(gòu)體系常規(guī)搭設(shè)支撐原位安裝方案所需措施量巨大且安裝周期長,如采用整體提升方案,結(jié)構(gòu)脫離核心筒后離散為多個桁架單體,施工難度大。針對以上難題,研發(fā)了一種環(huán)形箍加固工裝體系和提升單元變形及合攏精度控制成套技術(shù),將多個離散單體轉(zhuǎn)換成具有足夠抗側(cè)和抗扭剛度的整體結(jié)構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)提升作業(yè)和精確合攏,同時簡述了整體提升結(jié)構(gòu)體系受力特點(diǎn)并揭示其提升狀態(tài)作用機(jī)理。

研究內(nèi)容及結(jié)論包括: 1) 通過深入分析核心筒和懸挑桁架單體協(xié)同作用機(jī)理,設(shè)計環(huán)形箍加固工裝代替原核心筒約束和傳力作用,將脫離核心筒后的漂浮桁架結(jié)構(gòu)零散單體緊密拉結(jié),在整體提升狀態(tài)可提供足夠強(qiáng)度和剛度,使多零散桁架單體加固后滿足整體提升施工要求; 2) 利用有限元軟件 MIDAS-Gen 研究環(huán)形箍加固工裝體系在提升狀態(tài)傳力模式和受力特性,將其進(jìn)一步優(yōu)化為提升吊點(diǎn)和下方橫梁組成的扁擔(dān)梁形式受力體系。扁擔(dān)梁兩端懸挑桁架一定程度受力自平衡,雖然結(jié)構(gòu)體系精簡,但是傳力路徑更加直接,豎桿傳力和水平桿剛度控制作用得到充分發(fā)揮。根據(jù)有限元計算結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn),相比于優(yōu)化前環(huán)形箍加固工裝,優(yōu)化后提升結(jié)構(gòu)體系桁架懸挑端部豎向變形減小約 10% ~ 12%,對整體結(jié)構(gòu)變形控制更加有利,且提升點(diǎn)優(yōu)化一半,提升同步性更易保證,措施量優(yōu)化約 30%; 3) 本工程漂浮辦公室提升就位后共 120 個合攏口,其合攏精度是漂浮辦公室南區(qū)施工質(zhì)量控制的決定性因素。利用有限元軟件 MIDAS-Gen 計算分析漂浮桁架結(jié)構(gòu)在提升狀態(tài)變形趨勢和合攏口錯縫規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)對提升單元懸挑端部關(guān)鍵點(diǎn)位在拼裝階段進(jìn)行反向預(yù)調(diào),可有效保證對接口合攏和結(jié)構(gòu)整體成型精度; 4) 通過對漂浮桁架結(jié)構(gòu)從拼裝到完成合攏進(jìn)行變形監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測的相對變形與施工模擬的結(jié)果變化趨勢基本一致,提升和卸載過程中未發(fā)現(xiàn)過大的結(jié)構(gòu)變形,驗(yàn)證了所提出的環(huán)形箍加固工裝體系和提升單元變形及合攏精度控制成套技術(shù)的可靠性。

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鋼結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)探析

本期問題:網(wǎng)架未與下部主體結(jié)構(gòu)整體建模計算,是設(shè)計缺陷嗎?

問題引入：2021 年 9 月 10 日 14:01,成都地鐵 17 號線二期建設(shè)北路站防塵降噪施工棚工程在施工過程中發(fā)生坍塌(圖 1),造成 4 人死亡、14 人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失 650 余萬元。

全文獲取鏈接

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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