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北京财富中心二期办公楼结构总高度265m,将成为继国贸三期A座之后,8度抗震区北京的第二高楼和采用钢管混凝土框架+钢筋混凝土核心筒结构体系最高的建筑。建筑平面长宽比达到1.5,通过合理布置及专业协调,有效降低了扭转效应对超高层结构的不利影响。结构沿竖向设置了四道含伸臂桁架和腰桁架的加强层,并将组合钢板剪力墙应用于核心筒底部加强区,有效地增强了结构的整体抗侧刚度,改善了其抗震性能,同时也减小了墙体厚度及自重。外框柱通高采用大直径圆钢管混凝土柱,有效减小了截面尺寸及用钢量。对结构进行了弹性及弹塑性动力时程分析,采取有效措施,降低了高柔结构高振型对结构顶部鞭梢效应的不利影响,提高了整体安全度。结构设计在规范基础上,满足了全国抗震审查专家组提出的一系列超限措施要求,其整体结构方案和构件选型在用钢量、防火性能、风载舒适度等方面体现了明显的综合经济性能,成功降低了结构总造价。
国外某工程,外部网筒由圆柱斜向交叉与环梁编织而成,外网筒柱节点核心面积相比柱截面面积大幅减小,承载力不足,经有限元分析,汇交节点应力状态复杂,阴角区存在明显的应力集中,通过弹性、弹塑性有限元分析,找出了应力集中的原因,进而有针对性地提出了采用钢板凳进行加强的措施,取得了较好的效果。
广州西塔采用钢管混凝土斜交网格外筒+钢筋混凝土筒体的结构体系。根据斜交网格外筒的受力特点,采用了体外预应力抵抗楼层产生的平面内拉力。对体外预应力的设计及施工控制进行了详尽的介绍。分析及施工监测表明,采用体外预应力取得了良好的效果。
广州新图书馆是一复杂的高层建筑。介绍了该结构的主要特点和结构分析与设计的有关内容,包括结构体系与布置、结构弹性分析、结构推覆分析、施工模拟分析、关键构件设计、振动台试验、超长结构和建筑幕墙结构设计等内容。结构分析和模型试验结果均表明,该结构可以达到预期的抗震性能目标。
对天津奥林匹克中心体育场钢结构屋盖体系结构的杆件布置及构造方式进行了介绍,并利用有限元软件对屋盖结构体系进行了受力、变形、模态和屈曲分析。针对其大悬挑特性,在对计算结果进行总结的基础上,修改了结构杆件的布置及构造,改进了整个结构受力体系,优化了结构性能,最终使整个结构布置更加合理、经济、美观。
嵊泗海洋文化中心是嵊泗县"十一五"期间的重点项目之一,层2看台采用大跨度钢结构曲梁结构形式。着重分析了大跨度曲梁节点设计及先约束后放松支座施工技术,利用MIDAS软件建模模拟了大跨度曲梁看台的工作性状。鉴于主体结构已施工,分区吊装、现场拼接给结构设计造成了更多困难。通过该项目的介绍可为此类大跨度钢结构的设计、施工提供有益经验。
在传统渐进结构优化方法的基础上,对静力优化过程中应力准则的选取以及位移灵敏度的计算做了改进。改进后的渐进结构优化方法(ESO)具有更强的工程实用性。运用这一方法对特定荷载作用下的转换厚板进行了拓扑优化,优化结果给出转换厚板的传力路径,并为现有转换厚板的加强及其形式改进提供了指导。
讨论了短肢剪力墙的实用判别依据。首先根据联肢剪力墙的力学特征,导出了多肢剪力墙力学性能参数T,Ψ的实用计算公式,由此分析了参数T的物理意义;然后对墙肢长厚比在5~8之间,且整体参数α<10的剪力墙,进行了力学性能分析,表明参数T增大会减小墙肢弯矩、轴力与侧移,但对墙肢剪力无影响;另外,参数T对墙肢剪跨比影响不大。由此建议短肢剪力墙的墙肢长厚比在5~8之间,且整体参数α<10,但参数T不需限制;最后给出了短肢剪力墙中连梁截面高度与其净跨度比值的限制条件。
探讨了校舍建筑检测鉴定中的抗震检测鉴定程序、抗震检测鉴定相适用的标准、建筑现状质量检测的内容和方法、结构安全与抗震鉴定的内容和综合评价的方法,分析总结了多层砌体校舍抗震性能方面存在的主要问题,提出了解决既有多层砌体校舍抗震能力主要问题的对策。
对多层砌体房屋教学楼的抗震性能进行了分析,着重探讨了纵墙承重结构体系的教学楼建筑的抗震性能,分析了构造柱在纵横墙交接处设置,圈梁仅在纵横墙上设置和构造柱在纵横墙、外纵墙与每个横向轴线交接处设置,圈梁在构造柱对应部位设置的两类纵墙承重结构体系教学楼在抗震能力方面存在的主要问题,在分析研究的基础上提出了这类房屋加固应采取的措施。
采用弹塑性时程分析法研究高层隔震建筑的抗震性能。对20层的框架、框-剪结构的抗震和隔震效果进行了对比分析,结果表明,抗震结构只能减小层间位移,其上部结构的地震反应加速度远大于隔震结构的。大震时,抗震结构的非结构构件损坏,内部设备倾倒,易造成次生灾害;大震后结构受损。应用隔震技术后,高层建筑在大震时,上部结构仍处在弹性状态,可以有效维持结构的功能,减少大震后对受损建筑的维修工作。隔震后的结构加速度响应显著降低,有利于保持建筑使用功能和提高地震时人员的舒适度。在目前对结构的地震反应仍然有很多不明确因素的状态下,采用隔震措施是一种有效防止结构受损的手段。
研究了磁流变(MR)阻尼器控制力幅值对结构半主动控制效果的影响。建立了多自由度结构MR阻尼器控制系统的运动方程,根据最优控制算法和半主动控制率提出了MR阻尼器控制力幅值的取值方法,最后仿真分析了不同的幅值取值方法对结构半主动控制效果的影响。研究表明,随MR阻尼器控制力幅值的增大,会出现控制效果趋于稳定的平台区段,在平台范围内降低MR阻尼器的控制力幅值,并不会明显降低结构的控制效果。降低后的控制力幅值可以减小MR阻尼器的设计尺寸,更便于阻尼器在工程上的应用。研究还表明,对于控制力幅值已定的MR阻尼器,适当减小权矩阵系数比,使控制效果曲线较晚进入平台区段,也可达到提高结构响应控制效果的目的。
采用动力有限单元法建立层状场地中地铁隧道和邻近建筑物整体地震反应计算模型。结合粘弹性人工边界,利用大质量法输入地震波,实现了该半无限域内波动问题的准确求解。通过详细的参数分析,研究地铁隧道埋深、建筑物和隧道间距等因素对建筑物地震反应的影响特征。研究表明:软土层中地铁隧道对附近建筑物地震反应具有显著的影响,地铁的存在使得附近建筑物顶层水平位移反应峰值放大了近30%。而竖向地震输入下,地铁对建筑物的影响相对较弱。实际地铁沿线附近建筑物需适当提高地震动输入水平。
通过对汶川地震中教学楼倒塌的调查分析,指出结构的整体稳固性差、传力体系单薄、缺乏冗余约束和备用传力途径、连接-构造措施缺失且多不符合规范和标准图的要求,致使在强震作用下构件解体,结构倒塌。鉴于问题的普遍性,应尽快开展教学楼结构安全普查,并通过再设计改建加固。并反思了结构的安全层次,提出了结构抗倒塌设计以及既有结构再设计的概念,对今后结构科研方向的调整及标准规范的作用提出了建议。
介绍了位于汶川地震震中映秀镇漩口中学的建筑结构震害情况,包括10个RC框架结构和4个砖混结构。针对极震区同一场地情况下框架结构和砖混结构的震害调查分析,提出了"巨震不塌"的目标,并给出了提高结构抗巨震倒塌能力的措施和建议。
5.12汶川特大地震使四川绵竹市教育系统遭受了巨大冲击,通过详细分析砌体结构、传统砖木结构和框架结构的中小学校舍的震害特征及原因,为重建提出以下建议:通过合理的措施提高结构整体性;附属结构与主体结构之间应有可靠的连接;确保砌体结构教学楼纵向窗间墙的承载能力;在抗震设防地区的教学楼应该优先选用框架结构;良好的施工质量是结构抗震性能的重要保证。
2008年9~10月对四川省南江县88所乡镇中心学校校舍进行了抗震鉴定,并对其中235栋建筑物出具安全鉴定报告,结合鉴定工作对校舍现状进行了分析总结,认为该县校舍普遍存在结构体系不合理、抗震构造措施不足、施工质量较差等问题,影响校舍安全性能。该县校舍情况在一定范围内具有普遍性,可作为汶川地震中校舍倒塌原因的辅助解释。
根据都江堰、绵竹、茂县、江油、彭州、成都、崇州等地震灾区共87幢多层钢筋混凝土框架结构房屋的震害资料,按房屋所在地不同的地震动峰值加速度分类,对该类房屋的震害进行了统计分析。根据统计数据,得出了框架结构房屋的抗震薄弱部位,分析了其震害原因。在此基础上,提出了若干改善框架房屋抗震性能的措施,可为今后框架结构房屋的设计和施工提供参考。
列举了汶川地震中都江堰市某在建工程和东方汽轮厂档案楼等框架结构中的楼梯震害,分析了框架结构中楼梯的地震作用,揭示了梯段破坏和梯梁剪切破坏的形成原因。指出框架结构底层楼梯设计时必须要考虑地震影响,并应立足于结构整体模型分析其受力。最后给出了楼梯结构抗震设计的保证措施,供设计参考。
以5.12汶川地震楼梯结构实际震害调查结果为基础,分析了地震层间位移条件下楼梯结构的受力特点和破坏机理,指出梯段及平台板受到层间剪切变形引起的拉力和压力作用,可能引发楼梯断裂、板底钢筋锚固失效及平台扭转等问题,对装配式楼梯则可能造成楼梯坍塌;提出了将梯段板上端整体连接、下端简支的构造作法,可以消除层间位移引起的梯段轴力。
笔者曾于2006年1月和2007年8月两次对西安理工大学一座12层的框剪结构教学办公楼的自振特性进行测试。5.12汶川特大地震中,该楼层2~5的填充墙普遍出现了裂缝。为了考察地震对该建筑物的影响,于震后又对其进行了相同项目的测试。地震前、后结果比较表明:震后纵、横两个水平方向的第一阶周期略有延长,分别延长了7.62%,3.97%;而纵、横两个方向的第二阶周期则有明显的延长,分别达32.62%,36.11%。反映了地震使结构从弯剪型向剪切型变化的趋势。
利用有限元模型对两种支护方案下某工程场地堤岸的抗震性能进行了分析。二维有限元模型分析表明,采用双排桩支护方案能明显减小岸边土体的震陷和滑移,并且减小了支护桩的内力反应,达到了"小震不坏,中震可修"的设防目标。三维模型分析表明,第二排桩的桩距为1.5m时场地的抗震稳定性明显好于3.0m的情况。第二排支护桩与堤岸墙之间的土体仍会产生震陷,堤岸挡墙随之向晋江方向滑移,但由于两排支护桩形成的围护屏障使建筑周围土体保持稳定,保证了高层建筑的结构稳定。
高能级强夯法处理碎石、块石填土和深厚湿陷性黄土地基,当要求有效加固深度在10m以上甚至达到15~20m时,具有很大的优越性。目前国内多个工程的强夯能级超出规范,带来了设计、施工、监测、检测等一系列复杂问题。结合6个国家重点工程,就高能级强夯技术发展的客观性、必然性、经济性、复杂性等问题进行了阐述,并对超出规范能级的设计参数等提出了建议,为工程界应用和规范发展提供了依据。最后,简述了其在节能环保方面的贡献。
从低桩承台、高桩承台的概念理解入手,结合桩基抵抗地震水平力的机理,分析桩基在水平力作用下的侧向变形及失稳的原因,阐述由桩、土分担水平力的核心问题,提出建筑桩基抵抗水平力分体系的系统设计思路,提出由承台或地下室的侧面土层的土压力及摩阻力承担,由斜桩的轴向力承担,由桩的抗剪及抗弯能力承担,由承台、地下墙体、基桩协同工作和土的弹性抗力承担四种分体系。
对大底盘、多塔楼大跨度框架建筑的桩筏基础设计进行了一些探讨,提出了改善大底盘受力情况的优化设计方法。通过调节桩筏基础刚度,调整板厚、柱下承台厚度、桩长、桩数和桩径,优化沉降等值线和底板应力变化梯度的分布,使其达到最优。从桩筏基础优化的角度来看,可采用主楼下加密布桩、裙房相对削弱的方式,综合考虑规范、施工和建筑使用的要求,得到最合理值。工程实测结果与计算结果较为接近。
针对加固时已卸载的混凝土受弯构件开展碳纤维布(CFS)加固性能研究。共进行了17根混凝土梁的试验,包括2根对比梁和15根CFS抗弯加固梁。研究了开裂程度、CFS加固层数对加固构件的破坏形态、承载力等力学性能的影响。总结了CFS加固开裂混凝土受弯构件时曾加荷载的上限范围,给出了CFS加固合理用量的建议。
通过12根短木柱试件的试验研究,了解开裂、CFRP层数等对短木柱受力性能的影响。研究结果表明,开裂短木柱的承载力和极限位移均有明显降低;粘贴CFRP后,开裂短木柱的承载力和延性系数均有明显提高。通过粘贴CFRP不仅可明显改善开裂短木柱的受力性能,还可适当放宽对木柱材质等级的限制,增加木材的利用率。
通过纤维布加固木柱的轴心抗压试验,研究纤维布的种类(碳纤维、玻璃纤维)、粘贴胶体的种类、纤维布的裹贴方式、粘贴层数等参数对木柱强度的影响。分析了纤维布加固木柱的破坏特征、受力性能。试验结果表明,纤维横向约束能够提高木柱的抗压强度,纵向纤维布必须要有横向纤维布对它约束才能产生加固效果。理论分析并推导了横向、纵横向纤维布加固木柱的强度计算公式,计算结果与试验结果符合较好。
我国现行的混凝土技术规范跟不上时代发展的需要,缺乏对于结构整体牢固性、结构使用寿命以及结构目标化设计的具体要求。对技术规范的定位、管理以及混凝土各个技术规范之间的相互配合问题进行了讨论。
比较了中国、美国、日本、欧洲抗震设计规范概率基础、设防水准、设计准则、设防目标和阻尼比,针对钢框架结构比较了中美日欧地震作用的折减、截面宽厚比限值、梁柱刚接节点的塑性转动能力要求和层间位移角限值,然后提出了钢结构抗震设计方法建议:将低延性结构以外的结构体系划分为四个延性类别,针对各延性类别的结构提出塑性构件板件宽厚比限值和构件长细比限值以及梁柱节点形式及其塑性转动能力的要求;以50年超越概率10%的设防地震为抗震设计验算的基准,根据结构延性类别将设防地震的弹性地震作用折减为设计地震作用,用于构件内力验算;针对"小震不坏、中震可修、大震不倒"的设防目标提出了小震弹性层间位移和中震、大震弹塑性层间位移的三阶段验算要求。该建议可以解决我国现行抗震规范GB50011—2001中存在的问题,提高我国抗震钢结构的合理性和经济性。