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同济大学教学科研综合楼属平面和竖向都不规则的复杂高层结构体系。建筑旋转上升的功能平面布局以及设备夹层的设置给结构体系选择和结构设计带来了相当大的难度,尤其是楼层功能平面的螺旋上升布置,将导致结构在地震作用下呈现明显的扭转不规则特征。详细介绍了同济大学教学科研综合楼结构分析与设计,包括结构体系选型、粘滞阻尼支撑的创新应用、包括Pushover分析在内的全面抗震分析、结构模型振动台试验结果以及关键节点的设计。结构分析和模型试验结果均表明,合理的结构选型和结构设计有效地解决了结构规则性超限的问题,使地震作用下的结构反应实现了规则化。
同济大学教学科研综合楼在地震作用下结构呈现明显的扭转不规则特性,需设置必要的柱间支撑体系来控制扭转效应。采用非线性时程分析和弹塑性静力分析,对钢支撑和粘滞阻尼支撑两类支撑的连续与非连续布置共四种支撑方案进行对比分析。结果表明,连续支撑布置比非连续支撑布置具有更优的抗震性能和抗扭性能,尤其是连续阻尼支撑布置,但与建筑立意不协调。非连续钢支撑布置时层刚度不规则,不利于减小地震反应和控制结构扭转。非连续粘滞阻尼支撑布置克服了非连续钢支撑布置存在的不足,保证结构具有足够的抗震、抗扭性能,且能使得结构布置与建筑相协调。
通过时程分析、静力弹塑性Pushover分析及1/15模型的振动台试验对同济大学教学科研综合楼结构进行了全面的抗震分析。三种抗震方法的结果吻合较好,验证了结构模型的正确性。结果表明:结构虽体型复杂,但具有良好的屈服机制和抗震性能,满足我国抗震规范的要求。相关结论可为类似的工程设计提供参考。
介绍了某超大跨度伸臂立体管桁架结构的风洞试验、方案论证、结构计算分析、节点承载力验算、支座节点承载力验算和试验等。该结构建成后一段时期的正常使用表明,工程的主体桁架和下部承力结构具备较强的承载变形能力和可靠的安全度,满足设计规范和实际使用要求。
北京某体育馆外形近似长方体,采用柱顶斜拉索立体钢桁架结构。介绍了结构方案设计的全过程,同时对缆索预应力的确定、结构内力和变形以及钢结构的地震反应进行了较详细的分析,设计了结构杆件和关键节点,得出的一些结论供相关工程参考。
对5个管板连接构件进行了受压极限承载力试验研究和非线性有限元分析。试验表明,未补强的试件GPC-1,GPC-3和用钢板补强的试件GPC-4,GPC-5的破坏模式均为试件的整体失稳,用焊接空心球补强的试件GPC-2的破坏模式为钢管的局部屈曲。试验结果与有限元计算结果基本吻合。实际工程中应用管板连接构件作为受压构件时,必须加强构件弱轴的刚度,以避免整体失稳破坏,而采用焊接空心球补强是一种有效的方法。
以受轴力、剪力和弯矩共同作用的摩擦型高强螺栓群连接计算为例,建立高强螺栓连接优化设计的0-1整数规划数学模型,并用LINGO软件编程进行求解。结果表明,优化设计程序可以用于高强螺栓连接设计计算,并能一次性确定高强螺栓的规格及所需要的螺栓个数。
对两种耐火钢(FR)与普通结构钢在常温到高温700℃之间的力学性能比较试验研究结果显示,耐火钢比普通结构钢具有更好的高温力学性能,耐火钢在约650℃时的屈服强度为常温下强度的50%,而普通结构钢在550℃时的屈服强度就已降到常温下强度的50%。同时耐火钢的高温(600℃)蠕变也比普通结构钢的小。研究结果表明在建筑设计中用耐火钢替代需要采取防火措施的普通结构钢更经济安全。
建于填海区的澳门东亚运动会体育馆是2005年东亚运动会的主场馆,为长轴直径达446m的开口椭球体,屋盖水平投影长轴直径为328m,短轴直径224m,呈椭圆形。工程的基础处理复杂,屋盖结构跨度大、体系新颖。介绍了该项目的结构设计情况和主要的结构分析结果和重要的技术措施,着重讨论了填海地区的深基础、首层超长预应力钢筋混凝土大板、超大跨度椭球面钢屋盖体系及其整体稳定等结构设计中的关键技术。
针对洋山深水港商务广场一期工程A楼工程特点,进行了连体结构的概念设计。详细分析了连接部位厚度较大的连体结构的动力特性,计算了小、中震弹性作用下连体结构的楼板应力,同时进行了弹性时程分析。分析结果表明,连体结构具有独特的动力特性,其反向振型对连接部分梁板有较大影响。结构布置应尽量对称及避免结构的高位转换,尽可能减小扭转效应。
对一平面不规则的工程实例采用SATWE程序进行了小震作用下的空间结构振型分解法和弹性时程分析法的计算,采用PUSH程序进行了静力弹塑性分析,并采用EPDA程序进行了中震、大震作用下的弹塑性时程分析。结果表明,对于不规则复杂平面结构,在空间结构振型分解法、弹性时程分析法及静力弹塑性分析计算符合要求的情况下,在中震、大震作用下弹塑性时程分析的弹塑性层间位移角也超出了限值,因此,建议对该类结构补充弹塑性时程分析,并宜采用有害层间位移角来控制结构的层间位移,判断结构的薄弱层。
目前工程中主要采用的一致缺陷模态法对板片空间结构进行缺陷稳定分析得到的并不是结构的最小临界荷载。提出了改进的方法,即采用弹性完善空间结构的临界位移作为结构最不利的初始几何缺陷,然后采用New-Raphson法求得结构的临界荷载。根据对随机缺陷模态法得到的改进方法的概率可靠度以及对具体的模型试验的分析,可以认为改进方法所得到的临界荷载是结构的最小临界荷载。
钢-混凝土混合结构是典型的非比例阻尼结构系统。通过将Rayleigh阻尼理论应用于各个结构单元,建议了一种适合于混合结构计算的非比例阻尼系统模型,并以此为基础在PMSAP软件中实现了用于非比例阻尼结构地震反应分析的CCQC方法和强迫解耦CQC方法(FDCQC)。通过对若干典型算例的地震反应分析计算,检验了FDCQC方法在钢-混凝土混合结构地震反应分析中的精度。结果表明,该非比例阻尼系统模型比较合理。FDCQC方法在钢-混凝土混合结构地震反应分析中的计算结果与比较精细的CCQC方法结果相当接近,误差一般不超过5%,可以满足工程要求。
对水平-竖向耦合地震作用下滑移隔震结构模型理论进行研究,建立其运动微分方程和滑移隔震结构参数优化设计模型。针对滑移隔震结构的特点,提出标准遗传算法的改进措施,并采用直接搜索算法与遗传算法相结合构成改进混合遗传算法。采用改进混合遗传算法对6层滑移隔震结构进行参数优化设计,可以很好地分析竖向地震作用对隔震层的影响。表明优化设计模型与优化设计算法对于滑移隔震结构的参数优化是有效的。
受5.12汶川特大地震的影响,与四川省毗邻的陕西省供电设施受到不同程度的破坏。作为生命线工程的重要组成部分,电力系统的正常运行对震区人民群众的生产生活自救及灾后重建具有重要的意义。对陕西省内各供电系统的建构筑物及电力设备在主震发生后进行实地调查及评估,对建构筑物及电力设备的不同受损情况进行分类,对破坏形式及规律进行总结,并给出初步解决方案。
2008年5月18日,四川江油遭受了Ms6.0级余震。通过对地震灾后现场的调查和检测,介绍了单层工业厂房在地震中的破坏特征和原因,对地震后的厂房进行了安全鉴定,并提出了今后在设计、施工等方面应注意的问题,其结论对今后老旧工业厂房的抗震鉴定、改造和加固具有借鉴意义。
以一个3层4跨工业厂房为实例,介绍了大跨度预应力次梁楼盖结构体系的设计。对结构方案的选择做了相关的分析和比较,对预应力梁选定截面尺寸、跨度、施工方案及构造措施做了介绍,对主梁的抗扭设计、配筋方式及柱的截面选取和轴压比控制等关键问题进行了介绍。
通过工程实例,说明井字梁的预应力配筋计算,不能仅依靠内力计算得到的内力包络图直接进行预应力配筋,还要考虑预应力平衡荷载在结构中的二次分配,预应力筋在井字梁中的布置要综合考虑构件弯矩的大小和荷载类型,在井字梁的各肋梁中预应力配筋数量要尽量均匀。
依据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)、《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)和《预应力混凝土结构抗震设计规程》(JGJ140—2004)的相关规定,对后张预应力混凝土框架梁刚接端截面受压区非预应力筋的最小与最大配筋率、受拉区预应力筋的构造最小配筋率进行了研究,推导了这些配筋限值的合理表达式,可供预应力混凝土结构设计与软件编程人员参考。
对无粘结预应力钢筋混凝土简支梁,分11级损伤加载直到结构达到极限承载能力状态。在每一级损伤状态下,对结构进行了锤击试验与共振试验。对锤击试验结构跨中位移响应进行时频分析以及就共振试验通过找共振峰的方法都可以得到结构的振幅与频率关系。进一步将二者结合起来,通过分析得到了合适的时频分析所用窗口宽度。再结合时频分析方法,分析得到各级加载后无粘结预应力钢筋混凝土梁振幅与频率关系曲线族。通过分析结构振幅与频率关系曲线族的特点,总结了各级损伤状态下结构的非线性动力特性并分析了用无粘结预应力钢筋混凝土梁的非线性动力特性做损伤检测的可行性。
通过逆向加载的方式对混凝土多孔砖砌体的应力-应变曲线进行试验研究。分析了混凝土多孔砖砌体受压过程不同阶段的特征,并与普通砖砌体进行比较。试验表明,混凝土多孔砖砌体呈现出较普通砖砌体更为明显的脆性特征。提出了反映砌体受压应力-应变全曲线的本构关系,该本构关系包含了混凝土多孔砖砌体受压试验所表现出的几乎全部特征。
探讨了砌体偏压构件的设计问题。以构件不开裂为正常使用的极限状态,分析了按现行《砌体结构设计规范》(GB50003—2001)和原《砌体结构设计规范》(GBJ3—88)设计的偏压构件在不同偏心距下的承载能力可靠指标和正常使用可靠指标。在此基础上得出了一些有益的结论,以供参考。
利用匀质化方法,得到一个三层砌体结构等效体积单元的各力学参数,再运用ANSYS软件对该砌体结构进行了地震反应模拟。最后把计算结果与试验结果进行了对比,二者基本吻合,说明采用砌体匀质化方法进行非线性分析是合理可行的。
通过一个细观模型,从细观层次上分析了砌体在单调受压荷载作用下的损伤破坏机制,解释砌体受压应力-应变关系的非线性和应变软化,根据单元体平衡条件,建立了砌体单调轴心受压时的损伤本构关系模型,基于细观单元体强度分布特征确定损伤演化,利用应力-应变曲线特征条件和标准试件强度值确定模型参数,分析得出应力-应变关系仅与砌体的峰值点割线弹性模量与原点切线弹性模量有关,该式能反映砌体受压试验所表现的特征,与已有受压结果吻合良好。
运用计算流体力学数值模拟技术对大跨屋盖结构表面风荷载进行了研究。对平屋面和曲面屋面表面风压分布进行了数值模拟。在此基础上,对大庆石油学院体育馆屋盖表面进行了风洞试验和数值模拟的对比研究,并对大射电望远镜FAST反射面的风压分布及其周围流场进行了数值模拟,为该工程的结构抗风设计提供了参考。
选用Realizableκ-ε和RNGκ-ε两种湍流模型对大气边界层中球壳的定常风流场进行了数值模拟,并将计算结果与风洞试验进行了比较。结果表明,Realizableκ-ε模型和RNGκ-ε模型均能为工程应用提供有效的参考,并可以在一定程度上对荷载规范进行补充。对于球壳,数值模拟的精度基本可以达到工程应用的要求。这为空间曲面钝体绕流现象的数值模拟提供了依据。比较而言,RNGκ-ε模型的计算结果更为合理。
分析了封闭型和敞开型两种大跨结构屋面风荷载的分布特征。对于封闭型,屋面的迎风区域由于受柱状涡和锥形涡的作用而产生极大的负风压,其他区域风压较小;对于敞开型,迎风时上下表面呈"上吸下顶"的风压叠加组合,背风时呈"上吸下吸"的风压抵消组合。同时讨论了附近的构筑物对屋面风荷载的气动干扰作用,在不同的风向下,干扰体与屋面的相对位置产生不同的干扰效果。
进行了某复杂体形超高层建筑顺风向、横风向及扭转风致振动时程分析,用每层质量集中于楼板并视之为刚片的高层建筑层间结构模型代替精细有限元模型。计算结果显示结构位移响应以1阶模态响应为主,该模型代替精确有限元模型能够满足工程计算需要;对于质量中心和刚度中心重合的结构,扭转加速度响应在合加速度响应中占有的比例较小。
通过1根普通钢筋混凝土对比梁和7根钢筋再生混凝土简支梁正截面性能的试验,分析了再生混凝土梁的正截面受力性能、破坏形态及变形特征。试验结果表明:在其它条件相同时,钢筋再生混凝土梁的挠度大于普通钢筋混凝土梁的挠度,且其挠度随再生骨料替代率的增加有增大的趋势,现行混凝土结构设计规范GB50010—2002关于短期刚度的计算方法不适用于再生混凝土梁的挠度计算,需对再生混凝土的弹性模量和钢筋应变不均匀系数进行修正。
通过对8根长细比为20~25的钢筋混凝土细长柱极限承载能力试验,研究了在大长细比区域柱子的长细比、配筋率、混凝土强度等对钢筋混凝土细长柱的极限承载能力及破坏形态的影响。试验结果表明,在大长细比区域,长细比的增加对构件的极限承载力降低效应更加显著;当长细比达到25后,宜采用模型柱法进行设计,偏心距增大系数法设计所增加的纵筋配筋率对提高构件极限承载力的作用不大;但混凝土的强度等级仍然对试件的承载力及破坏形态有较大影响,当混凝土强度接近或大于C60时,即使是长细比为25的构件也可能发生失稳破坏。
对单个锚栓抗拉承载力进行了试验研究和有限元分析,两者结果基本吻合,验证了锚栓承载力试验的可靠性和有限元分析方法的合理性,由此得到的锚栓本构关系可为受拉柱脚节点研究提供参数,同时也为实际工程提供参考。数值分析考虑了锚栓和混凝土接触面粘结滑移非线性,采用面面接触来模拟锚栓与混凝土的共同工作,较能反映实际受力情况。
结合实际工程,对嵌入卵石层钻孔灌注桩后压浆设计、施工中后压浆方法的选择、注浆量的确定、后压浆桩的承载力计算、后压浆在超长桩中的应用等进行了研究。试验结果表明,采用后压浆时应选用桩底注浆,桩底后压浆的注浆量与桩径的平方成正比;后压浆桩端承载力可按预制桩的桩端承载力进行计算;后压浆对超长桩的承载力和沉降均有较大改善。
通过预制方桩和预应力混凝土管桩的单桩水平静载对比试验以及管桩桩身的抗剪试验,结合现行国家有关规范和标准,探讨了预应力混凝土管桩基础水平承载力和管桩桩身抗剪性能。认为预应力混凝土管桩在7度以上抗震设防地区应用是安全可行的,其抗震设计与混凝土预制方桩或混凝土灌注桩相比,并没有桩身抗剪弱的问题。推导出了日本管桩桩身抗剪公式并进行了修正,使其与我国建筑桩基技术规范相一致,便于实际应用。
通过对晋中拟建体育馆湿陷性黄土场地所采用的冲击成孔挤扩支盘桩进行浸水静载荷试验,并在两根试桩上、下盘底和桩端预埋土压力盒进行应力测试,基于静载荷作用下试桩Q-s曲线的特征和上下盘、桩端的应力测试结果进行荷载传递规律的分析,并探讨了土层浸水饱和对支盘桩侧阻和端阻发挥的影响,为以后支盘桩在湿陷性黄土中的应用提供可靠的依据。
张拉索杆结构是点支式玻璃幕墙最常见的支承体系之一,属于一种柔性结构,对外荷载的作用比较敏感。建立了点支式玻璃幕墙张拉索杆支承体系的非线性动力特性分析的有限元模型,分析了该结构的自振频率与各阶振型,并进一步研究了初始预拉力、拉索截面面积、撑杆截面面积和撑杆长度几个主要的设计参数以及玻璃质量变化对该结构的自振频率的影响。
SLP空心构件指的是钢面板-拉筋骨架构件,而SLP夹芯构件指的是硬质聚氨酯泡沫(PURF)充填钢板-拉筋骨架复合而成的构件。运用了有限元计算手段,并与已有的试验结果作对比,分析两种复合构件受弯的应力分布规律、破坏形态以及荷载-位移曲线的特点,结果发现SLP复合构件比空心构件初刚度提高不大,但极限荷载提高达77%,极限荷载对应的位移提高达46%。充填聚氨酯后SLP复合构件性能得到提升的原因是充填的聚氨酯对钢板和拉筋产生有效的约束作用限制并推迟了钢板与拉筋局部屈曲,改善了其受力及变形性能。