《钢结构（中英文）》2022年第6期导读

2022年第6期导读

科 研

门式刚架二次包浇混凝土钢柱脚节点性能的有限元分析

刘礼正   刘 磊   郜子轩   任杰德   梁宗敏 

1. 中国农业大学水利与土木工程学院

2. 苏州兆瑞房地产开发有限公司

摘 要：现代规模化畜禽养殖舍、屠宰场、农产品加工车间等建筑常采用门式刚架轻型钢结构体系,钢柱脚往往采用简易外露式柱脚。这类建筑室内湿度较大,有时还有一定的腐蚀性,出于对钢柱脚的保护和提高结构耐久性的目的,常采用二次包浇混凝土的做法。因包浇混凝土通常为素混凝土,因此结构受力分析与设计中,忽略了二次包浇混凝土对节点抗弯承载力、转动刚度以及延性的影响,使分析结果与实际工况有一定差异,可能带来设计上浪费或安全隐患。同时,门式刚架设计时按铰接柱脚设计往往会和包浇混凝土柱脚的受力不一致而不安全。因此,以此类建筑的轻型钢结构为工程背景,针对门式刚架二次包浇混凝土柱脚节点,在轴压和弯矩共同作用下,考虑100 mm、150 mm、200 mm 三种包浇混凝土厚度,发现包浇混凝土能明显提升柱脚的抗弯承载力和延性,且厚度越大提升幅度越大,同时对转动刚度也有一定提高的规律。进一步在包浇厚度 150 mm 的情况下,考虑在包浇混凝土内不加钢筋网、加一层钢筋网和加两层钢筋网三种情况,在包浇混凝土段加 4 mm 和 6 mm 外包钢的两种情况,用通用商业有限元软件模拟分析,共对比了 8 种情况对钢柱脚受力性能的影响,重点关注抗弯承载力、转动刚度与延性。

结果表明:包浇混凝土受拉侧与受压侧均存在塑性应力集中,受压侧下部较上部更为集中,受拉侧上部较下部更集中;随着包浇混凝土厚度的增加,对柱脚的抗弯承载力和延性系数的提升越来越大。两种钢筋网的加入对转动刚度均有一定的提升,其中铺设两层钢筋网的提升效果更为明显。上部附加一层钢筋网使得包浇混凝土的上部塑性应变区域变小;上、下部各附加一层钢筋网使得混凝土上、下部的塑性应变区域均变小,说明钢筋网对混凝土提供了有效约束,可延缓包浇混凝土的裂缝开展;上、下两层钢筋网均承担一定的拉应力,尤其上部钢筋网承担更大的拉应力。包浇混凝土段外加一层外包钢,对于柱脚的抗弯承载力提升效果不显著,但对柱脚的转动约束刚度有一定提升。

因此,建议门式刚架结构受力分析时计入二次包浇混凝土对柱脚抗弯承载力、转动刚度和延性的贡献,可使设计更为精准。若包浇混凝土厚度较厚、附加钢筋网或外包钢,则应考虑柱脚的转动约束,不宜再用铰接分析,可使门式刚架结构分析更为合理。

关键词：钢柱脚；二次包浇；承载力；延性；转动刚度

来 源：刘礼正，刘磊，郜子轩，任杰德，梁宗敏. 门式刚架二次包浇混凝土钢柱脚节点性能的有限元分析[J]. 钢结构(中英文), 2022, 37(6): 1-8. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS21123102

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材料退化对钢-混凝土组合梁桥焊缝疲劳性能的影响

刘 浪    张西东 

1. 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆交通大学

2. 重庆交通大学土木工程学院

摘 要：为研究材料退化对钢-混凝土组合梁桥焊缝疲劳性能的影响,根据钢筋锈蚀规律、混凝土强度时变规律和钢材腐蚀规律,计算钢筋和钢板失重率、混凝土时变强度,利用 ANSYS 软件建立退化梁桥有限元模型,以主梁跨中腹板与下翼缘交接处的焊缝节点为研究对象,首先在 AASHTO 标准疲劳车作用下,提取不同退化工况下主梁焊缝节点的应力时程,探讨材料退化对节点应力的影响;然后基于 Miner 线性累计损伤理论计算不同退化年限下的疲劳损伤发展曲线,分析材料退化对疲劳损伤曲线的影响,探讨车辆通行时桥梁最大应力幅与等效应力循环次数的变化规律;最后定义疲劳损伤比,研究材料退化对组合梁桥焊接细节疲劳损伤的影响。

结果表明:焊缝节点区域的应力易受到材料退化的影响,焊缝节点的应力值随退化年限的增加而增大,且越接近加载位置应力值越大。桥梁焊接细节的疲劳损伤发展曲线呈现线性增长趋势,材料退化会导致疲劳细节的疲劳损伤累积加速。在达到设计基准期时,疲劳损伤值的最大增幅达到 7.5 倍;最大应力幅对材料退化更加敏感,疲劳细节产生的最大应力幅增长率呈递增趋势,在 100 年退化工况时, 4 个关注节点的应力幅增长率分别达到了10.4%,13.6%,8.5%及 14.7%。等效应力循环次数的增长率未呈现明显规律。疲劳损伤比随退化时长非线性增长,在退化时间为 100 年时,梁桥的疲劳损伤比分别为 7.0,7.4,6.4 以及 7.52。另外,结构退化程度越大,疲劳损伤比的非线性程度越高。

关键词：材料退化；组合梁桥；疲劳损伤；应力幅

来 源：刘浪，张西东. 材料退化对钢-混凝土组合梁桥焊缝疲劳性能的影响[J]. 钢结构(中英文), 2022, 37(6): 9-17. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS21080901

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数字图像应用于疲劳监测的测量参数研究

张玉玲1,2,3,4  谢爱华5  杨云涛3,4  高占军5  张 楠4  张贤卿2  董佳霖2

1. 中国铁道科学研究院集团有限公司

2. 浙江数智交院科技股份有限公司

3. 浙江树人大学

4. 北京交通大学

5. 中铁第五勘察设计院集团有限公司

摘 要：钢构件的疲劳监控是钢结构健康监控系统的重要组成部分,而在近年图像采集和数据远程传输技术迅速发展的大环境下,将非接触式数字图像测量和识别技术应用于疲劳监测的研究和进展,受到各方专业人士的关注。为实现通过对数字图像中某种参数变化的识别,在出现可辨识的裂纹之前监测到疲劳异常的目标,设计并加工了Q345qD 试件进行疲劳试验。试验过程中采用 ARAMIS 非接触式三维光学测量系统对观测区域进行动态连续拍照,获得疲劳全过程图像,并将图像在测量系统内部转换为数字作为检测量。对比分析疲劳全过程图像所能够获取的力学指标和获取方法,确定数字图像应变及位移参数的形态和应用可行性;对比静载试验中电测应变片与图像应变测量结果,确定非接触式数字图像测量满足应用精度要求;研究试件疲劳过程的应变和位移变化规律,对图像的各种数据进行疲劳过程敏感性分析,研究最优参数指标,确定特征点数据提取方案;验证数字图像技术应用于疲劳监测的可行性和实施方案,兼顾客观性和自动化。

研究表明,通过 ARAMIS 三维数字图像测量系统能够非接触动态采集测量表面的图像数据,获取其中任意点的三维应变值和位移值满足精度要求;采用提取截面线均值方法能够有效获取钢构件截面名义应变;通过 ARAMIS三维数字图像测量系统能够动态采集测量表面的应变图像数据,获取其中任意点的三维应变值和位移值,由位移指标得到的疲劳异常信息相对较晚,不适合作为疲劳监测的测量参数;确定采用数字图像的应变参数进行疲劳监测具有可行性,提出可在应变等值云图上截取最大应变特征值作为疲劳监测数值系列。所得到的测量数据客观有效、实施性强,是数字图像应用于疲劳监测的最优测量参数。

关键词：黑白散斑；应变；疲劳试验；ARAMIS 光学测量系统

来 源：张玉玲，谢爱华，杨云涛，高占军，张楠，张贤卿，董佳霖. 数字图像应用于疲劳监测的测量参数研究[J]. 钢结构(中英文), 2022, 37(6): 18-27. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS22012901

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设 计

集装箱式钢结构房屋的性能设计方法

马宏伟1  蔡裕珠1  李 翔2  罗成刚2  罗 捷2

1. 华南理工大学土木与交通学院

2. 迅捷安消防及救援科技(深圳)有限公司

摘 要：集装箱式钢结构建筑以集装箱为单体进行组装,具有装配式与模块化建筑的优点,有很好的发展前景。但目前国内外学者对集装箱式钢结构建筑的研究大多数是基于建筑学角度或单箱体的结构力学性能角度,关于波纹板墙体的简化模拟及集装箱式钢结构房屋结构设计方法的研究有所欠缺。通过对波纹板的结构分析方法进行归纳和总结,提出了竖向承重与水平抗侧相结合的波纹板墙体简化模拟方法。首先利用有限元软件建立波纹板墙体模型,在墙体模型顶部端点加载,通过有限元分析得到波纹板墙体顶点荷载-位移关系,由此计算墙体的初始水平抗侧刚度;然后在设计软件中建立上下横梁和角柱的结构模型,并将波纹板等效为交叉支撑,由刚度等效原则计算交叉支撑的截面面积,从而实现在设计软件中波纹板墙体水平抗侧刚度的模拟。同时,根据面积等效的原理将每个波纹简化成一个两端铰接的立柱,并与集装箱式钢结构房屋本身的上下横梁连接,从而实现波纹板墙体竖向承载力的模拟。

对于多层集装箱式钢结构建筑,建议采用 GB 50017—2017《钢结构设计标准》中高承载力-低延性的抗震设计思路,按小震与中震的地震力进行杆件设计,同时放宽构件的宽厚比限值。

采用上述方法对某双层双车位集装箱消防站进行分析,采用 ANSYS 软件分析波纹板墙体的抗侧刚度,考虑波纹板开洞对刚度的折减作用;然后用等效交叉支撑及两端铰接的小立柱模拟波纹板墙体,并在 PKPM 中建立结构分析模型。结合结构高度及设防烈度,将性能等级设置为性能 3,延性等级设置为 V 级,截面板件宽厚比最低等级设置为 S5。按照新钢标要求进行梁、柱及支撑构件的小震与中震下承载力验算,结果表明各构件均满足地震下承载力要求;同时结构的最大层间位移角为 1/527,集装箱上横梁与角柱的最大应力比分别为 0.92 和 0.35,均满足性能化设计要求。

关键词：铝箱式钢结构建筑；波纹板；简化模型；性能化设计

来 源：马宏伟，蔡裕珠，李翔，罗成刚，罗捷.集装箱式钢结构房屋的性能设计方法[J]. 钢结构(中英文), 2022, 37(6): 28-44. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS21102103

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https://t.cnki.net/kcms/detail?v=V2fUCCINuE3fnIP-pwD8LYX3v8_bxnN2SfOOovnNNiH05tPxP2_12Bog5WaJWg_tvg2Q3is3eSlXVtD1QCI5kzDsUA5xRAqa8eyWHojJvdW_XcHoa017I6GjWRfVGE68La5HM-Nu010=&uniplatform=NZKPT

施工技术

超大跨度异型钢连桥动态成型施工关键技术研究与应用

张雪玲  闫瑞华  任敬磊  贺志强  汤 伟  陈 旭

中建科工集团有限公司

摘 要：为重塑西安成为“一带一路”文化核心区,扩大文化交流在西安市内的开展面和贯入度,西安市政府建立“三中心”重点配套公共服务类建设项目——“一带一路”文化交流中心系列公建项目。“一带一路”文化交流中心系列公建项目北地块为 400 m 超长非对称双塔连体结构,其中 150 m 空中连桥是国内最大跨度的钢连桥单体。钢连桥质量约 4200 t,与两端塔楼焊接连接,桥身主体由片式桁架、弧形三角桁架及其之间的水平梁撑组成。在连桥一端下部加设有 36 m 长、450 t 的下加腋结构。连桥投影下方为单双层地下室的多标高顶板,施工条件复杂。现阶段提升施工的研究,多停留在跨度小、重量轻的连体结构整体提升的理论及实践分析上,而对于包含有上述非常规自身特点及各类外部复杂环境的超长超重连桥施工,未有成套的关键技术研究和应用成果。经过对钢连桥施工重难点的全面分析,结合行业内提升施工的现有案例,项目团队创新地研发了一套超大跨度异型钢连桥动态成型施工关键技术。

异型钢连桥在动态成型过程中,加腋结构分步安装使得结构重心持续变动,对于结构成型线形控制提出了更大挑战。150 m 大跨度连桥,由多节段厚板钢材构件拼装成整体,经分阶段提升动态成型。成型过程中,内力不断重分布,因此施工过程的内力控制与实时监测至关重要。此外,连桥体量大,多数构件单质量达 30 t,其拼装施工对于大型起重设备的需求与其投影下方地下室顶板相对较弱的承载能力之间的矛盾,对施工安全危险源管控技术提出了更高要求。超大跨度异型钢连桥动态成型施工关键技术全面解决了以上困扰此类复杂项目施工的关键问题,此项技术的研究与应用,确保了该项目钢连桥高品质、高效率、安全完工,突破了传统提升研究分析的局限性,为后续类似结构、类似施工方法提供了重要的参考。

关键词：超大跨度；异型钢连桥；动态成型；非对称预拱；施工监测

来 源：张雪玲，闫瑞华，任敬磊，贺志强，汤伟，陈旭. 超大跨度异型钢连桥动态成型施工关键技术研究与应用[J]. 钢结构(中英文), 2022, 37(6): 45-52. 

DOI: 10. 13206/j. gjgS22011801

钢结构热点探析

本期问题:门式刚架结构风荷载放大系数需要连乘吗?

问题引入：GB 55001—2021《工程结构通用规范》(以下简称《通用规范》) 第 4.6.5 条规定,当采用风荷载放大系数的方法考虑风荷载脉动的增大效应时,风荷载应乘以放大系数,而 GB 51022—2015 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(以下简称《门刚规范》)第 4.2.1 条也规定了放大系数 β ,计算主刚架时取β = 1.1,计算檩条、墙梁、屋面板和墙面板及其连接时,取 β = 1.5。上述两个放大系数需要连乘吗?

全文获取链接

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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