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河南艺术中心大剧院是屋盖为平面钢管相贯桁架、下部由三个钢筋混凝土结构单元组成的复杂结构体系。进行了基于延性的结构抗震设计研究,对整体结构进行小震、中震反应谱分析及大震弹塑性时程分析,对结构自振特性、构件应力比、结构位移、塑性铰分布与损坏程度等进行了深入的量化分析。研究了结构整体大变形失稳破坏极限状态下的体系强屈比和体系延性,并确立了关键节点不屈服的性能设计目标,对整体结构进行了考虑几何非线性、材料弹塑性、初始几何缺陷的荷载-位移全过程屈曲稳定分析,并完成了相关结构构件与节点的设计。实现了基于延性的抗震安全及体系稳定安全的双重设计目标。
河南艺术中心大剧院是屋盖为81m×108m大跨度钢结构,下部由主台、后台、观众厅三个混凝土结构单元组成的复杂结构体系。采用仅考虑上部钢结构、上下结构共同工作的整体结构、改变上下结构连接的滑动支座约束刚度等不同结构计算模型,进行小震作用反应谱分析、大震作用动力弹塑性时程分析。结果表明,下部结构刚度以及支座约束刚度对屋盖钢结构自振周期、地震作用总水平剪力、水平位移、支座反力影响均超过10%;在罕遇地震作用下对结构塑性铰分布有明显的影响。屋盖钢结构抗震安全性能设计应考虑上下部共同工作影响。
河南艺术中心40m高悬臂玻璃艺术墙采用了"单层索网次结构-平面钢管相贯桁架主体结构"体系。主体钢结构的整体稳定性设计是结构安全的控制因素。应用结构体系非线性屈曲分析方法进行结构稳定性设计,在进一步分析结构几何体系设置、关键节点约束条件、初始几何缺陷、构件材料弹塑性、荷载分布、计算子步数等各种因素对结构体系稳定性影响的基础上,采取加强措施,确保了结构安全。
河南艺术中心40m高悬臂玻璃艺术墙,采用"单层索网次结构-平面钢管相贯桁架主体结构"体系。对幕墙索网次结构与主体钢结构的共同工作、主次结构转换的"索-钢接触"连接约束条件对主体钢结构及索网次结构的影响进行研究。考虑索网次结构与主体钢结构共同工作,对主体结构稳定安全性有利,但对幕墙索网次结构安全性有较大的不利影响。根据研究结果要求幕墙设计单位对索网次结构进行加强设计,确保了工程整体结构的安全。
河南艺术中心艺术墙与屋面钢结构均采用钢管相贯桁架结构体系。复杂建筑几何造型、运输变形、焊接变形、安装误差等多方面因素,使钢管相贯节点处腹杆相贯线与弦杆间隙远超过规范要求。为解决大直径、相贯线大间隙焊缝的圆钢管相贯节点安全问题,选定2个节点制作足尺试件进行试验研究,相贯线处间隙取30mm并按拟定的焊接工艺施焊;建立节点三维实体有限元模型进行弹塑性有限元分析;通过对比分析,确认工程大直径钢管、大间隙相贯节点的安全性,同时验证了规范公式及有限元分析方法对该类节点设计的适用性,对钢管相贯节点承载力(破坏)判定准则进行了探讨。
河南艺术中心艺术墙为"单层索网次结构-钢管相贯桁架主体钢结构"体系。转换节点是实现主次结构共同工作力学效应、保证整体结构安全的关键节点之一。主次结构的连接转换节点有着与普通钢节点完全不同的索-钢接触单元的特殊构造,受力复杂。设计应用ANSYS软件对索钢转换节点进行带接触单元的弹塑性有限元计算分析,并进行足尺节点试验研究,确认了该复杂节点力学性能计算设计的正确性,确保了该类关键节点的安全性。
河南艺术中心为建筑体型独特的集群建筑,风荷载对各单体建筑相互干扰的群体效应明显;艺术墙位于建筑群体中央,其独特的喇叭口造型产生聚风效应。依据风洞试验结果,重点对艺术墙典型部位的风荷载体型系数进行归纳对比分析,总结群体效应中遮挡、峡谷效应、漩涡作用对体型系数的影响规律,为类似工程提供参考。
河南艺术中心标志塔高60m,最大直径仅3.0m,属于高耸高柔结构,在风作用下容易产生明显的振动效应。在模态分析和时程分析的基础上,结合标志塔自振特性,采用被动式调谐质量阻尼器(TMD)控制装置。设计研究了TMD控制装置的位置、刚度、质量和阻尼的优化问题,完成了TMD控制装置的优化设计和结构整体结构减振控制设计。试验室测试及安装完成后,现场调试与测试结果显示,工程中的TMD达到了抗风减振控制设计目标。
依据某高层建筑大底盘双塔工程资料,利用各种结构程序,对整体模型和单塔模型进行了小震弹性分析,对整体模型进行了大震弹塑性静力分析,对受力复杂部位的楼板进行了应力分析。探讨了大底盘多塔高层结构模型的选取、结构模型振动特性和最终的设计措施。由于结构严重不对称,底盘处在拉、压、弯、扭等复杂受力状态下,底盘及其附近楼层受影响最大,是须加强的关键部位。
南宁国际会展中心是一个规模宏大、结构体系复杂的大型建筑,在整个结构方案中,综合使用了多种结构形式和新技术,包括:预应力混凝土结构、钢筋混凝土结构、空间网壳结构、膜结构和结构转换层等。通过有限元软件ANSYS对该结构建立了空间有限元模型,分析了其动力特性,并采用振型分解反应谱法和时程分析方法进行了地震反应分析,为设计和施工提供了可靠的依据。
对某站房结构进行了罕遇地震下的抗震性能分析。屋面和拱支撑的位移较大,屈服杆件集中在屋面,并且夹层结构层间位移超限,不满足抗震设防目标的要求。随后采用粘滞阻尼器进行了减震分析。对替换屋面杆件为阻尼器、在拱上支撑之间设置阻尼器以及两者相组合的方式进行了比较。组合方式的减震效果最优。对25m夹层采用在端部柱间设置阻尼支撑的方式,层间位移减小显著,满足了抗震设防目标的要求。
建立了高层悬挂建筑结构减振体系的简化计算模型和运动方程,进行了频域内的参数优化和位移时程分析与计算。经过参数优化的悬挂建筑结构具有良好的减振避震性能。提出了能同时对悬挂建筑主、次结构的动力响应进行多目标优化的参数分析方法,该方法可以使得悬挂建筑主结构的频域和时域内的位移动力响应分别比普通巨型框架结构降低24%和50%以上,同时次结构的动力响应也达到一个理想的水平。
对中国和美国相关规范中基础隔震结构水平地震作用的分布规律进行了分析,根据基础隔震结构的地震反应特点,给出了基础隔震结构水平地震作用改进算法。与基础隔震结构时程反应的对比分析表明,该改进算法既能较好地描述基础隔震结构水平地震作用的分布形态,又能满足结构层间剪力的要求,是合理有效的。
对高烈度地震区某6层混凝土框架结构办公楼应用由钢支撑和液体粘滞阻尼器组成的消能减震阻尼器支撑体系进行了抗震分析。利用ETABS软件对其在设防烈度8度(0.3g)的地震作用下的地震反应进行了非线性时程分析。计算分析表明,该类消能减震阻尼器支撑有良好的消能减震效果,为类似工程提供了较好的参考。
某招商中心采用单层球面网壳结构,球形外立面直接落地,表面开有三处大门洞,形成结构的薄弱点。着重介绍了开孔单层网壳的方案选择、支承体系、设计荷载以及强度和整体稳定计算等。设计根据强度条件初步确定截面以后,应进行非线性全过程屈曲分析,并考虑初始缺陷的影响程度来综合确定球壳的极限承载能力。
主要介绍了苏州国际博览中心4#展厅卸货区钢结构桁架结构设计。通过利用设备层层高和合理的桁架构件设置,充分发挥了钢结构巨型平面桁架杆件轴心受力的优势和平面内的巨大刚度。为有大跨和重荷要求的结构设计提供了参考。
对金属面岩棉夹芯墙面板进行了抗剪性能试验,根据试验结果进行有限元模拟,最后根据试验与有限元结果的对比进行理论分析。结果表明,墙面板连接节点破坏的主要原因是,自攻螺钉由于受到剪力作用,在其与檩条连接处产生力矩,使其发生倾斜,导致自攻螺钉帽斜向接触墙面板,导致局部压力过大,使钢板屈服,最终节点破坏。通过分析,得出了节点抗剪承载力设计公式,为以后节点设计及相关规范制定提供了参考。
滑移施工技术是解决大跨度空间钢结构施工的有效方法。滑移施工技术是一个较大的范畴,按照不同的分类标准,可分为多种方法。详细介绍了滑移施工技术的分类、特点、基本原理及应用中应注意的事项。最后介绍了四个工程应用实例,来增强对滑移施工技术的理解。
重力荷载作用下网筒结构外鼓及交叉柱间轴力差异将使环梁受到较大的拉力。为保证环梁具有适宜的刚度,控制环梁裂缝宽度,工程中部分环梁采用了部分预应力,并对预应力张拉施工全过程进行了施工模拟。环梁设计采用了预应力等效荷载和重力、风、温度、地震多种荷载组合下的最不利内力。预应力效应全过程整体分析为环梁及整体结构设计安全可靠提供了保证。
竖向预应力损失过大和分布不均是引起箱梁桥腹板开裂的重要原因。基于理论分析与试验研究,针对竖向预应力分段张拉、现行的施工工艺缺陷造成竖向正应力分布不均和预应力损失过大的问题,提出滞后张拉、二次张拉概念、拉伸-扭矩法张拉工艺,以及三者结合的悬臂箱梁桥竖向预应力施工流程,并在实桥应用中取得良好的效果。研究成果可为类似工程竖向预应力施工提供参考。
采用组合有限元分析高层建筑箱形转换结构中转换梁与上、下楼板的共同工作,指出下盖板的设置能有效地分担转换梁的弯矩和轴力,而分担剪力的能力有限,同时,对转换梁抗扭并不存在一致有利的影响。并给出箱形转换层结构设计的有关建议。
对10根混杂纤维增强高性能混凝土深梁和1根普通高性能混凝土深梁进行正截面受弯性能试验研究,分析混杂纤维对深梁工作性能和破坏形态、纵向受拉钢筋应变、深梁挠度的影响。深梁受弯过程具有明显的纤维强化阶段,混杂纤维的强化作用在纵向钢筋屈服后充分发挥,同时掺加钢纤维(0.6%~1.0%)和聚丙烯纤维(0.055%~0.11%)使深梁的开裂弯矩平均提高25%,屈服弯矩平均提高75%,极限承载力平均提高1.5倍。低体积掺量的钢纤维和聚丙烯纤维混杂使用能明显提高深梁的受弯极限承载力以及受弯韧性。
对某刚度和质量均不对称的超高层双塔连体结构体系采用SATWE,ETABS和ANSYS三个软件进行了计算和分析。三种软件计算所得的结构总体特征信息和反应基本相同。在静力荷载作用下,三种软件的计算结果表现出较高的一致性,在计算地震反应时其结果仅存在细微差异,沿双塔连体方向的变形和受力受地震作用控制,垂直方向则受风作用控制。
简要介绍了美国、日本和我国相关规范提供的型钢混凝土节点极限抗剪承载能力计算方法。并基于已有试验研究结果,对各种计算方法所得计算结果与试验结果进行对比分析。分析结果表明,AISC规范计算SRC节点极限抗剪承载能力偏于保守,AIJ规范比较适用于设计计算,YB规程计算方法所得结果与试验结果比较接近,JGJ规程计算结果与试验结果相比偏于不安全。
低应变检测和静载试验是两种不同的桩基检测方法,但却能从不同角度反映桩基的施工质量,因此结合两种检测方法能有效地分析施工过程中的缺陷。结合一实际工程,采用此方法分析了载体桩施工质量不合格的原因,并提出了采用此方法对工程桩进行分类处理,最终进行处理后工程桩的质量验收。经过检测证明,该方法对处理载体与桩身结合不良的缺陷非常有效。
通过工程实例,介绍了孔内深层强夯技术在加固杂填土和高填方土中的应用。通过高动能和超压强在孔内深层强夯,使孔内填料在高压强状态下动力固结,对桩间土产生强力的挤密作用,使桩间土的挤密程度高,从而达到较理想的地基加固效果。提出了孔内深层强夯法复合地基承载力的计算方法和检测手段以及设计时要注意的相关问题,可供设计人员参考。
以某高层基础承台施工为例,研究了大体积混凝土裂缝控制的方法,介绍了裂缝控制的技术措施。采用电子测温仪对承台大体积混凝土水化热进行了监控,根据监测结果,就环境温度和养护情况对混凝土温度的影响进行了分析,结果表明环境温度的骤变对裂缝的控制影响很大。该工程所采用的技术措施成功地控制了裂缝的产生,对同类工程有一定的借鉴意义。
以某炼钢厂房的桩筏基础设计为工程背景,采用Mindlin和Boussinesq弹性理论计算桩土刚度,Reissner厚板理论分析桩基筏板,并利用该方法对转炉桩基础和厂房柱基础共同组成桩筏体系的总体沉降、差异沉降、桩顶反力、筏板内力等结果进行了计算。此法较现有的桩基设计规范中基于筏板绝对刚性假定的计算方法有一定的优越性。通过分析计算结果总结变化规律,发现荷载密度对此类基础的局部沉降、桩顶反力影响较大。
采用碳纤维布施加预应力后加固混凝土梁,可以充分发挥碳纤维材料的高强度特点,显著减小梁的裂缝和挠度,提高加固效率。对预应力CFRP布加固钢筋混凝土T形梁的各种破坏模式、界限和理论计算进行了较系统的分析和总结,并给出了判别破坏模式的方法和计算预应力碳纤维布加固混凝土T形梁正截面的计算公式,计算出的结果与试验结果较吻合。
通过芳纶纤维复合材料(AFRP)加固砖砌墙体的抗剪试验,探讨了AFRP加固砖砌墙体的抗剪受力机理。对AFRP加固砖砌墙体进行应力分析,得到了AFRP断裂时加固墙体水平承载力的弹性力学解析解。理论分析和实验结果表明,AFRP可以较好地提高墙体的极限抗剪承载力和墙体的极限水平荷载,加固效果明显。当AFRP的加固量较大时,墙体在初步破坏后可发生应力重分布,加固后砖砌墙体的水平极限荷载得到了很大幅度的提高。导出的AFRP加固砖砌墙体的抗剪承载力公式的计算值与试验值吻合较好。
针对一游泳馆网架结构在使用中出现的杆件严重锈蚀和部分杆件挠曲问题,进行了现场调查和技术分析,阐明了引发问题的主要原因。指出除施工质量问题外,有两点教训值得在今后的设计中注意:一是对于某些处于恶劣工作环境中的钢结构,要特别注意防腐和通风;二是在结构分析中,要注意力学简化模型是否与实际一致,特别是对边界支承条件的处理。
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