建筑结构学报

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朱忠义, 束伟农, 周忠发, 邓旭洋, 秦凯, 张琳, 王哲, 梁宸宇

建筑结构学报. 2023, 44(04): 1-10. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0432

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为满足北京大兴国际机场航站楼少柱、大空间的建筑需求,提出一种以可独立承载的大型子结构单元为基础、支承体系与屋盖结构一体化的巨型网格结构。并就结构设计中的关键问题,进行了竖向承载能力、水平抗侧能力、防连续倒塌、抗震性能研究及竖向地震作用分析,结果表明:以若干独立承载的大型子结构单元为基础构建的体系可大幅提升结构的承载能力和抗倒塌能力;两个支撑筒或支撑框架与C形柱组成三角形支承结构,承载力可提升300%以上;子结构之间的屋盖结构对巨型网格结构的传力机制影响较大,应考虑子结构独立模型和整体模型进行承载力包络设计;当支承构件承担的地震剪力小于其承担的重力荷载比例时,应对支承构件承担的地震剪力进行调整,以提高支承构件的抗侧能力;针对构件和支承系统层面的抗连续倒塌分析可有效评估不同构件和C形柱的重要性等级;采用静力法计算大跨屋盖的竖向地震响应偏小,应采用振型分解反应谱法或动力时程分析法进行复核;采用基础与层间结合的超大平面隔震技术可有效提高巨型网格结构的抗震能力。

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北京工人体育场开口单层扁薄拱壳罩棚钢结构整体稳定性能研究

张龑华, 甄伟, 盛平, 冯鹏, 王轶, 王可, 李伟

建筑结构学报. 2023, 44(04): 11-22. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0422

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北京工人体育场钢结构罩棚为周边设置摩擦摆支座的开口单层扁薄拱壳结构。为提升结构整体稳定性,采用考虑结构整体初始缺陷的4等分杆件模型进行有限元模拟,针对拱壳整体形态、构件截面规格和支座刚度共计3类11个参数进行单变量敏感性分析,评估结构在特征值屈曲分析、弹性和弹塑性全过程分析下的受力性能。分析表明:弹性全过程分析临界系数与特征值屈曲分析临界系数间具有强线性相关性,二者比值平均为0.535;结构塑性折减系数平均值为0.418;拱壳整体形态类参数的敏感性相对较高,其中拱端高差敏感性最高;构件截面规格类参数中,拱肋和外环梁截面规格的敏感性较高,支座刚度的敏感性相对较低。提出了结构整体稳定设计流程,结合特征值屈曲敏感性分析结果、构件承载力富余度和弹塑性全过程分析出铰杆件类型进行综合分析,有助于提高结构整体稳定设计效率。

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设置三维摩擦摆支座的北京工人体育场单层网壳罩棚竖向隔震性能研究

李伟, 甄伟, 张龑华, 王猛, 牛奔, 张磊, 潘鹏

建筑结构学报. 2023, 44(04): 23-31. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0443

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北京工人体育场为设置三维摩擦摆隔震支座(3D-FPB)的大跨网壳高位隔震结构。由于三维摩擦摆隔震支座的竖向刚度远小于传统摩擦摆隔震支座,可减小竖向地震作用,并调节不同支座之间的不均匀抬升。在有限元软件ABAQUS中建立了包含3D-FPB的大跨网壳模型,可准确考虑滑块在滑动面上抬升。进行罕遇地震弹塑性时程分析,并与采用普通FPB的模型对比,结果表明:3D-FPB可以降低网壳的竖向地震作用及悬挑端竖向加速度,减小对竖向荷载敏感的网壳构件的应力水平,并使相邻支座之间的竖向作用力分布更加均匀;当考虑支座不均匀抬升效应后,上部网壳的竖向地震作用及悬挑端竖向加速度增大;网壳构件在加载过程中始终保持弹性,在承载能力方面有充足安全储备。

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配置下拉减振索的大跨度空间结构受力性能分析

张龑华, 盛平, 冯鹏, 甄伟, 牛奔

建筑结构学报. 2023, 44(04): 32-41. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0820

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为提高大跨度空间结构的适用性,提出一种配置下拉减振索的大跨度空间结构,通过张紧的索体将结构体和固定体相连,可以减小结构在后期使用荷载下的竖向变形和振动。通过理论推导提出了反映配置下拉减振索的大跨度空间结构基本特征的无量纲参数R,以及中置及偏置索体的最小索力需求、结构内力和变形、自振频率和振幅形状曲线的计算方法,建议优先采取索体中置的布置方式以提高工作效率。实例分析结果发现,合理设计的配置下拉减振索的大跨度空间结构的振动加速度可减小至无索结构的50%以下,在后期使用荷载下的竖向变形可减小至无索结构的10%以下。通过有限元分析发现,索体松弛产生的动力效应将显著放大结构的竖向变形和加速度,故应对减振索进行适当张拉。最后提出配置下拉减振索的大跨度空间结构的设计流程,根据无索结构特性与控制目标的差异,先设定合理的R值再进行索体设计可显著提高设计效率。

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大型索结构断索动力响应研究

梁宸宇, 朱忠义, 张琳, 白光波, 王玮, 陈一, 王哲

建筑结构学报. 2023, 44(04): 42-53. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0435

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在大型索结构中,拉索作为主要受力构件承担较大的荷载。分析断索对结构的影响,成为大型索结构抗连续倒塌设计的关键。选取FAST望远镜、国家速滑馆、卡塔尔卢塞尔体育场、三亚国际体育产业园体育场、日照奎山体育中心体育场、大连梭鱼湾专业足球场等多个大型索结构工程,针对结构中典型拉索发生断索的情况,采用动力分析方法研究断索后结构的动力响应,总结索网(双向正交、三角形网格)、轮辐式索桁架(单环索、双环索、内环带刚性挑棚)等不同类型索结构断索后动力响应的特点以及断索引发的动力系数。研究结果表明:除三角形网格单层索网外,其他类型的索网、轮辐式索桁架等索结构在断索后的动力系数均出现大于规范推荐取值的情况,推荐采用动力分析方法进行断索分析;双向正交单层索网刚度、稳定性和内力重分布能力较三角形网格单层索网小,拉索断索产生的动力效应较大;索桁架交错布置的单环索轮辐式索桁架结构同双环索轮辐式索桁架结构相比,径向索、环索断索后相互产生的动力效应较小;对于轮辐式索桁架结构,当上弦设有与径向索同向布置的膜拱及交叉次索时或当环索处设有刚性挑棚时,可有效降低断索产生的动力效应。

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高位大跨度连体结构隔震减振多性能目标设计

王建, 朱忠义, 周忠发, 杨育臣, 欧进萍

建筑结构学报. 2023, 44(04): 54-62. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0104

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针对沿海地区某高位大跨度连体结构在风荷载和水平地震作用下固定铰连接内力大和受力复杂的问题,提出了摩擦摆支座与切换阻尼器的组合隔震减振措施,试验研究了由黏滞阻尼器和液压阀组成切换阻尼器的阻尼力特性,开展了高位大跨度结构的隔震减振多性能目标设计方法研究。结果表明:按照调谐减振系统的最优频率确定的高位大跨度结构隔震频率使得塔楼的位移响应最小;切换阻尼器实现了速度相关型和位移相关型两种阻尼力;与摩擦摆支座的摩擦力相比,切换阻尼器的位移相关型阻尼力不受风荷载影响,滑动位移的控制效果更好;切换阻尼器的速度相关型阻尼力与摩擦摆支座的摩擦力共同实现了高位大跨度连体结构的抗震性能目标。

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某高度522 m超高层结构振动台试验与理论分析研究

薛红京, 束伟农, 陆新征, 田春雨, 高志斌, 张宏, 李华峰, 陈星雨

建筑结构学报. 2023, 44(04): 63-73. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0110

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为验证8度抗震设防烈度区某522 m超高层结构的抗震性能,设计并制作了1/40缩尺结构模型,通过模拟地震振动台试验,研究结构在8度多遇、设防、罕遇地震作用下的动力特性,考察其在单向和三向地震动输入下的变形及损伤情况。此外,采用ABAQUS软件对结构进行了8度罕遇地震作用下弹塑性时程分析,考察了结构动力特性和位移反应,分析结构的损伤状态和薄弱部位,并与振动台试验结果对比。结果表明,该结构采用的巨型柱、巨型斜撑与环带桁架的外框筒和型钢-混凝土组合结构核心筒形成的双重结构抗侧力体系,具有较好的稳定性和结构效能,该结构在8度(0.3g)罕遇地震作用下未发生倒塌,能够很好地满足“小震不坏、大震不倒”的性能要求。

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组合抗侧体系在大高宽比和长宽比超高层钢结构建筑中的应用与试验研究

甄伟, 张磊, 丁然, 盛平, 樊健生

建筑结构学报. 2023, 44(04): 74-86. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0439

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大高宽比和长宽比高层建筑具有抗侧力效率低、结构扭转振动控制难度大以及风振舒适度控制难度大等典型特点,选择高效的抗侧力体系方案,并控制抗侧力构件在各级超越概率地震作用下的合理屈服机制是该类建筑设计需考虑的关键问题。以南京市某超高层钢结构建筑为工程背景,经多方案比选研究,采用钢框架-钢支撑-钢板墙组合抗侧结构体系,对组合抗侧结构体系进行了分析和性能研究,并对该体系中的大高宽比钢管混凝土端柱-钢板剪力墙消能减震子结构进行了试验研究。研究表明:通过合理布置抗侧力构件,组合抗侧体系可以满足大高宽比、大长宽比条件下结构的刚度和扭转控制要求,满足结构预定的抗震性能目标并可实现结构抗震防线的有序可控退化。钢板墙结构总体表现出较高的承载能力和充足的延性,实现了钢板剪力墙结构“优先屈服”和“高耗能”的设计理念。

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某大宽厚比超高层建筑风致扭转效应及风振控制研究

张磊, 李波, 甄伟, 徐怀兵, 盛平, 徐晓晖

建筑结构学报. 2023, 44(04): 87-97. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0431

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为了探究某大宽厚比超高层建筑的风致扭转效应及风振控制措施,开展了刚性模型风洞测压试验。对该建筑在不同风向角下的基底力矩系数、风振加速度响应和等效静风荷载进行了研究,分析扭转效应对舒适度指标的影响;针对结构风振加速度较大和平扭振动耦合的特点,采用主被动混合调谐质量阻尼器(ATMD)进行了结构的风振响应控制,并对ATMD控制系统的控制参数确定、地震等极端工况下质量块行程进行了研究。结果表明:大宽厚比建筑基底扭矩系数较大,且扭转向风致效应与沿建筑短边方向风致效应相关性较强,风致扭转效应对结构加速度响应有显著影响;大宽厚比建筑的横风向、扭转向的风荷载计算已超过现行建筑结构荷载规范的适用范围,且不能忽略,需通过风洞试验及风振响应分析确定;ATMD可以同时控制结构的平动和扭转风振响应,提高结构风振舒适度水平。

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北京工人体育场超长混凝土结构温度效应和S形弯折钢筋诱导缝研究

邱意坤, 盛平, 慕晨曦, 李欣, 董曦

建筑结构学报. 2023, 44(04): 98-106. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0434

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北京工人体育场室外看台和檐口环梁周长约800 m,复建时取消了温度伸缩缝设计,属于超长混凝土结构。考虑了不同后浇带封闭时间的影响,对体育场看台温度作用进行了分析。采用温度诱导缝措施,引导结构在诱导缝处开裂,进一步释放温度应力。针对常规诱导缝构造钢筋不连续、施工复杂的问题,提出了一种配置S形弯折钢筋的混凝土诱导缝构造,确定了诱导缝布置最大间距计算方法,并对诱导缝位置的S形弯折钢筋进行实地测量研究。结果表明:诱导缝处混凝土在温度应力作用下首先开裂,能起到进一步释放温度应力的作用;诱导缝处钢筋有更大的变形需求,配置S形弯折钢筋能充分利用其变形能力,且该诱导缝施工方便。

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国家速滑馆弯折高钒密封索疲劳性能试验研究

王哲, 石永久, 陈彬磊, 程远, 朱忠义, 李久林

建筑结构学报. 2023, 44(04): 107-117. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0433

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国产高钒密封索因其供货期短、性价比高的优势在国家速滑馆工程中获得应用。为了解该材料的疲劳耐久性能,以国家速滑馆工程为背景,结合密封索实际工作状态,对弯折状态工作密封索开展试验研究。基于100年重现期风荷载下索网结构应力和变形情况,制定疲劳试验的拉力范围和弯折角度要求,测量了不同疲劳周次下密封索弹性模量变化情况。试验结果表明:国家速滑馆正常使用条件下弯折拉索疲劳周次达到200万次,可以满足本工程100年使用年限需求;当密封索弯折角度超过正常弯折角度并达到4°时,疲劳周次可以达到200万次,但会出现跳丝情况;超载并达到拉索抗拉力设计值时,密封索最外层钢丝出现断丝和跳丝损伤情况,但损伤位置距离锚具和索夹较远,循环加载可达到40万次以上;观察钢丝断口SEM微观形貌发现,疲劳裂纹由外层钢丝内侧转角部位最先出现,与有限元分析最大主拉应力位置相同;密封索初始弹性模量为170~180 GPa,随着疲劳周次增加,密封索等效弹性模量呈上升趋势,当存在少量断丝时该趋势不变。

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索结构找力的扩展广义平衡矩阵奇异值分解法

朱忠义, 白光波, 周忠发

建筑结构学报. 2023, 44(04): 118-128. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0430

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预应力是维持索结构稳定性、形成刚度和承载能力的核心要素。考虑结构几何对称性等因素求解预应力模态,是获取索结构可行预应力的必要条件。通过对平衡矩阵的含义进行再阐释,引出广义平衡方程和广义平衡矩阵的概念。将广义平衡矩阵与平衡矩阵结合,形成索结构的扩展广义平衡矩阵。通过对扩展广义平衡矩阵进行奇异值分解,即可得到符合预定分布模式的预应力模态。针对3个典型算例,采用所提出的方法求得了满足工程需求的可行预应力模态。研究表明:通过指定合理的预应力分布模式,采用扩展广义平衡矩阵奇异值分解法,仅需一次奇异值分解即可得到可行预应力模态,找力过程简洁、直接;预应力分布模式可根据需要灵活设定,易于得到符合设计意图的可行预应力模态。

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巨型射电望远镜结构关键技术研究

范峰, 钱宏亮, 陈德珅, 沈世钊

建筑结构学报. 2023, 44(04): 129-140. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.C106

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随着射电望远镜口径的增大,自重、风荷载和温度作用等对反射面的形状精度带来前所未有的不利影响,合理结构形式的选择及优化十分重要。从望远镜结构体系创新及轻量化、形状精度控制等方面,对作者团队近二十年来在巨型射电望远镜结构相关领域的研究作出总结:从副反射面支撑、俯仰机构、背架结构等三个方面改进巨型全方位可转动望远镜结构方案,提出改进遗传算法解决大规模型材式变量的优化问题,并给出风荷载和温度作用两个精度关键影响因素的作用机理及响应规律;针对新型式巨型望远镜结构,总结“中国天眼”500 m口径射电望远镜结构方案关键设计要点,并给出风荷载、温度作用以及变位疲劳等复杂作用的影响。基于改进的结构方案及优化算法设计的110 m口径全可动望远镜结构,在精度和轻量化方面具有明显优势,所研发的500 m口径射电望远镜结构新型式方案实现了预期的功能和精度要求。

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轮辐式单-双层混合索网结构成形关键技术研究

祖坤, 罗斌, 胡炎浩, 刘强

建筑结构学报. 2023, 44(04): 141-149. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0084

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为研究适用于体育场建筑的大开口轮辐式单-双层混合索网结构成形关键技术,以乐山奥体中心体育场为研究对象,介绍了结构构形,分析了自重与预应力作用下结构的力学特点,提出了整体牵引提升、分批张拉锚固的总体成形方法,并采用非线性动力有限元分析方法,对比优选了径向索张拉的最后锚固批次和双层索网撑杆的安装时机,进行了全过程张拉成形分析。结果表明:混合索网结构与单层和双层索网结构受力特点存在较大差异,径向索索力最大值出现在单层索网区域两侧,索夹两侧环索索力最大差值出现在单双层交界处;为减小径向索张拉锚固力值和索夹两侧环索索力差值,确定径向索的分批张拉锚固顺序为上径向索、单径向索、下径向索,并确定在分批张拉锚固上径向索之后,张拉锚固单径向索之前安装撑杆;全过程张拉成形分析结果验证了成形方法的有效性和安全性,研究成果已成功应用于实际结构中。

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大开口刚性内拉环索穹顶结构成形关键技术研究与应用

张宁远, 罗斌, 赵旻旻, 阮杨捷, 仇荣根

建筑结构学报. 2023, 44(04): 150-157. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0769

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为实现大开口刚性内拉环索穹顶结构的顺利成形,以成都凤凰山专业足球场为研究对象,提出了一种牵引下层索网提升和张拉双层索网的施工方法,对内拉环与索杆系提升顺序、牵引工装索长度优化和脊索锚接时机等关键技术问题进行了研究。采用ANSYS建立结构有限元模型,对施工全过程进行模拟并分析施工成形过程中的结构响应。结果表明:牵引下层索网提升和张拉双层索网的施工方法可使结构顺利成形并减少50%的牵引设备投入;内拉环先于索杆系提升可有效减轻内拉环的扭转;斜索张拉阶段结构内力和位移变化较大,应谨慎控制张拉进度;结构成形后与设计状态基本一致,验证了成形方法的有效性。

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气-膜耦合作用下ETFE气枕的静力研究

王晓峰, 李卓然, 杨庆山

建筑结构学报. 2023, 44(04): 158-166. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0712

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为了研究气-膜耦合作用机理,对方形乙烯-四氯乙烯共聚物(ETFE)气枕进行静力荷载试验,研究气-膜耦合作用及其随影响因素的变化规律。通过在上膜面均匀铺置沙袋对气枕施加均布荷载,获得膜面位移、内压和膜面矢高。通过与有限元分析结果进行对比,校核试验结果的精确性。并通过将内充气体分别在恒质量和恒压情况下的试验结果进行对比,研究ETFE气枕的气-膜耦合作用特征及其随荷载、初始内压和气枕尺寸的变化规律。结果表明:气-膜耦合作用使气枕的上下膜面协同工作,共同承担外荷载、抵抗变形;随着荷载的增加,气-膜耦合作用逐渐增强;在荷载不变时,气-膜耦合作用随初始内压的升高而减弱,随气枕尺寸的增大而增强。

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矩形钢管单层网壳双节点体系的六杆模型试验及有限元分析

汪儒灏, 郑晓清, 詹本强, 蔡书琦, 周家伟, 赵阳

建筑结构学报. 2023, 44(04): 167-177. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.C088

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为研究双节点体系在实际结构形式下的装配可靠性和受力性能,以节点体厚度、节点体高度、螺栓直径、螺栓间距和是否设置底板为主要参数,设计并制作7个矩形钢管单层网壳双节点体系的六杆模型,进行静力加载试验。试验结果表明:双节点体系的中空六棱台设计可以方便有效地实现杆件与节点间的角度连接;双节点体系装配简单高效,具有良好的承载和变形能力;杆件端部截面的变形不满足平截面假定,该区域易发生局部屈曲。对试验模型进行有限元模拟,与试验结果的比较表明,考虑接触效应的实体单元非线性有限元模型可以较好地模拟双节点体系的受力性能。进一步对双节点体系进行有限元参数分析,结果表明:节点厚度、节点高度、螺栓尺寸和螺栓间距的增加均能提高节点的初始刚度和承载能力;节点中设置底板可提高其承载能力,节点厚度较小时提高效果更好。

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下弦与撑杆改进构型张弦梁结构抗连续倒塌动力试验研究

蒋友宝, 陈奕琳, 张梦华, 周浩

建筑结构学报. 2023, 44(04): 178-187. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.C094

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为研究下弦与撑杆改进构型张弦梁结构在连续倒塌过程中的动力响应与失效机理,参考国内某工程张弦梁结构,设计了一个改进构型的张弦梁结构模型。采用基于电磁控制的局部初始失效装置模拟跨中下弦杆失效,对该模型开展了抗连续倒塌动力试验研究。基于ANSYS/LS-DYNA程序对该类结构建立抗连续倒塌有限元模型,并通过试验和有限元联合分析明确了该类结构的备用传力路径、关键构件以及竖向位移动力放大系数的变化规律等。结果表明:改进构型张弦梁结构任一段下弦失效后,失效区域形成的空腹桁架为结构提供了备用传力路径,提高了结构抗连续倒塌性能;下撑杆作为下弦失效后的第二道防线,是剩余结构的关键构件,其失效将引发结构连续倒塌;当剩余结构受力处于弹性阶段时,竖向位移动力放大系数在1.2左右,随着结构进入塑性的程度增大,竖向位移动力放大系数逐渐增大,当荷载达到3.0倍设计工况时,动力放大系数接近2.0。

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综合体结构地震失效与影响因素分析

李钢, 张晗, 王睿, 董志骞, 余丁浩

建筑结构学报. 2023, 44(04): 188-203. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0730

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综合体结构集地上多塔、裙房、大空间地下结构于一体,结构规模大、连接部位多,地震作用下结构耦联效应和土-结构相互作用突出。为明确此类结构地震损伤及失效机理,以典型双塔综合体为例,分别选取近场脉冲型和远场型地震动为输入,进行增量动力分析与易损性分析,研究了结构薄弱部位、失效机制和损伤演化规律,并对比分析结构影响因素和地震动特性对结构失效影响。结果表明:裙房及大空间地下结构产生的嵌固作用对结构损伤、失效影响显著;受侧向刚度突变影响,地上与地下交界处、裙房与塔楼交界处是结构薄弱部位;塔楼耦联特性对减少整体结构地震响应有利,考虑土体影响后,塔楼耦联效应增强,结构位移和加速度响应的最大减小幅度超过30%;地上地下耦联特性对地上结构地震响应的影响随地震强度增加呈现先减小后增大的变化,综合体地上结构受地下结构影响,加速度响应增幅最高达90%以上;结构动力响应受地震动特性影响,同强度近场脉冲地震作用下的结构变形和损伤情况大于远场地震作用的,近场脉冲地震动易使结构发生裙房底部失效破坏,远场地震动易使结构发生塔楼底部失效破坏。

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基于不同评价标准的屈曲约束支撑-钢框架建筑抗震韧性评价研究

周颖, 赵佳美, 肖意

建筑结构学报. 2023, 44(04): 204-215. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.C073

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为量化建筑抗震韧性水平,系统化对建筑结构进行韧性评级,国内外逐步颁布了FEMA P-58、REDi、USRC、GB/T 38591—2020《建筑抗震韧性评价标准》四本韧性评级标准。为定量分析国内外相关标准在减震建筑韧性评价上的差异与共通之处,以一幢9层屈曲约束支撑-钢框架减震建筑为例,分别按照国内外标准开展韧性评价,计算其韧性评级、建筑修复费用指标、建筑修复时间指标以及人员伤亡指标。研究发现:GB/T 38591—2020中评级为一星的建筑,其韧性水准大致相当于REDi中的银级建筑及USRC中的三星建筑;设防地震作用下,按国际标准计算得到的修复费用指标比GB/T 38591—2020低60%;不同标准的建筑修复时间指标计算方法存在显著不同,按REDi计算得到的修复时间最长,设防地震作用下达到160 d,按GB/T 38591—2020计算得到的修复时间最短,为16 d;对倒塌概率较低的建筑,按GB/T 38591—2020计算得到的人员伤亡评价指标大于国际标准。此外,国内外标准韧性评价结果皆显示非结构构件损伤对建筑抗震韧性影响较大,应进一步加强对非结构构件基于性能的抗震设计研究。

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一致风险谱作用下RC框架结构响应预测及其设计值确定

王丛, 吕大刚

建筑结构学报. 2023, 44(04): 216-226. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.C034

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基于一致风险谱的抗震设计,能够综合考虑地震危险性和结构易损性,使不同地区的结构在地震作用下实现同一目标倒塌风险。为了确定用于抗震设计的具有一致倒塌风险的风险导向地震动参数设计值和最大层间位移角设计值,以巨震和大震一致风险谱为目标谱选取地震动记录;采用比较点法对8层3跨RC框架结构的响应(最大层间位移角)进行了预测;基于优选的地震动记录对结构进行增量动力分析(IDA),采用小样本均值乘以修正系数的方法确定最大层间位移角设计值,并对最大层间位移角设计值与其预测值之间的关系进行了研究;在此基础上,基于IDA结果确定了风险导向谱加速度设计值。研究表明,基于巨震和大震一致风险谱对RC框架结构进行抗震设计,中位值IDA曲线上对应的最大层间位移角设计值分别为0.010和0.007,既满足50年倒塌概率1%的目标倒塌风险,也满足CECS 392:2021《建筑结构抗倒塌设计标准》中对RC框架结构在地震作用下不发生倒塌的层间位移角限值1/50的要求。

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无黏结预应力型钢混凝土梁-型钢混凝土柱框架抗震性能研究

姚刚峰, 熊学玉

建筑结构学报. 2023, 44(04): 227-236. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0456

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为研究无黏结预应力型钢混凝土(UPSRC)结构的抗震性能,对1榀由UPSRC梁和型钢混凝土(SRC)柱构成的8.2 m跨长框架进行了水平反复加载试验。根据已有文献中普通SRC及有黏结预应力型钢混凝土(BPSRC)框架的试验结果,对比研究了UPSRC框架的破坏机制、刚度退化、能量耗散以及残余变形等抗震特性。结果表明:水平反复荷载作用下UPSRC框架在梁端及柱底位置形成塑性铰,以截面受弯破坏为主;达到80%的峰值荷载设计值后卸载,梁端预应力布置侧的裂缝均基本闭合;UPSRC框架的耗能能力和变形恢复能力介于SRC框架和BPSRC框架之间,SRC框架耗能能力最强,而BPSRC框架自恢复能力最优。另外,设计了4个分别采用UPSRC、BPSRC、SRC及普通无黏结预应力混凝土(UPC)梁的两跨三层平面框架模型,且各梁按受弯承载力相近原则设计。其中,UPSRC梁的总含钢量高于UPC梁的,但低于SRC梁的。利用OpenSEES程序对4个模型进行动力时程分析,对比发现,各框架中梁的总用钢量越大,梁端的损伤程度会降低,但相应的柱端损伤更严重。

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装配式中空夹层钢管混凝土组合框架混合动力试验研究

王静峰, 王翰斓, 王涛, 郭磊, 陆斐

建筑结构学报. 2023, 44(04): 237-246. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0822

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为研究中空夹层钢管混凝土组合框架的抗震性能,设计了一个3跨10层的中空夹层钢管混凝土组合框架结构,利用OpenSEES建立了该结构的混合动力模型,以中跨底部两层框架为试验子结构,采用混合试验方法开展了装配式中空夹层钢管混凝土组合框架拟动力试验研究。根据试验结果,验证了混合动力模型的准确性,获得了组合框架在地震作用下的破坏模式和动力响应,分析了中空夹层混凝土柱和组合节点的受力性能,揭示了组合框架的整体抗震性能。结果表明:中空夹层钢管混凝土组合框架破坏模式包括节点端板鼓曲、梁下翼缘屈曲、楼板混凝土压溃和柱钢管鼓曲;在罕遇地震作用下整体结构未出现明显的破坏现象,框架整体呈现出良好延性;由于结构中部荷载较大,中柱比边柱更早进入屈服阶段,而组合节点能够通过自身转动产生的塑性变形耗散大部分地震能量,避免梁端出现塑性铰并减小传递给柱端的弯矩,进而改善柱端受力,提高组合框架的整体抗震性能。

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装配式混凝土框架-冷弯薄壁型钢复合墙板结构抗震性能试验研究

王静峰, 胡培芳, 汪皖黔, 潘广东, 仇多宏

建筑结构学报. 2023, 44(04): 247-256. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0608

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为研究装配式混凝土框架-冷弯薄壁型钢复合墙板(CTSC墙板)结构的抗震性能和破坏机理,对1榀装配式混凝土纯框架和2榀装配式混凝土框架-CTSC墙板结构进行了低周反复荷载试验。通过分析结构破坏模式、荷载-位移曲线、刚度退化特征、延性、耗能机理以及关键部位应变变化规律,探究了CTSC墙板内嵌式连接和外挂式连接对装配式混凝土框架抗震性能的影响。结果表明:CTSC墙板内嵌或外挂连接均安全可靠,可有效地保证地震作用下装配式混凝土框架与CTSC墙板的协同工作;与纯框架相比,采用内嵌和外挂连接形式时结构的水平承载力分别提高28.3%和15.0%,初始刚度分别提高38.4%和16.8%。基于等效拉压杆原理,提出了装配式混凝土框架内嵌CTSC墙板结构的抗侧刚度简化计算式,并验证了计算结果的准确性。

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钢支撑对多层钢框架结构抗连续倒塌鲁棒性影响研究

李治, 薛天琦, 李光涛, 蓝希, 钱凯

建筑结构学报. 2023, 44(04): 257-266. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0824

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为研究钢支撑对钢框架结构抗连续倒塌鲁棒性的影响,制作了两个1/2缩尺的二层钢框架子结构,其中一个框架布置钢支撑,另一个为纯框架。试验采用位移控制的Pushdown加载方式,对多层钢框架的抗力机制、内力变化以及破坏模式进行研究。试验结果表明:布置钢支撑后,钢框架子结构的初始刚度和极限荷载分别提升129.7%和45.1%,明显提高了钢结构抗连续倒塌的鲁棒性;由于受压支撑在加载初期就开始发生局部屈曲,较早失去承载能力,钢支撑的抗力贡献主要由受拉支撑提供。通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进一步研究了钢支撑布置位置及其截面尺寸对钢框架抗连续倒塌性能的影响,分析结果表明:增大钢支撑的截面尺寸可以明显提高钢框架的承载力,但会降低其变形能力;将钢支撑布置于失效柱上层或顶层时对钢框架的加固效果较好;由于去柱楼层的不确定,建议将钢支撑布置于顶层对框架抗倒塌更为有利。

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附加PTMD风力发电机结构减振控制试验研究

鲁正, 荣坤杰, 马晨智

建筑结构学报. 2023, 44(04): 267-275. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0660

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通过开展附加颗粒调谐质量阻尼器(particle tuned mass damper, PTMD)风力发电机结构模型的自由振动试验和振动台试验,研究PTMD自身参数对其减振性能的影响规律,检验PTMD用于降低风力发电机结构不利振动的合理性与有效性,揭示随机激励下耦合系统的工作机理。借助自由振动试验研究了设计参数对PTMD减振性能的影响规律,初步确定了系统的参数配置。同时,通过地震波激励工况、风荷载激励工况和风-地震耦合荷载激励工况对风力发电机结构使用PTMD进行振动控制的合理性与有效性进行了检验,进一步揭示随机激励下耦合系统的减振机理。试验结果表明:颗粒-腔体质量比和频率比参数分别取值0.27和0.97时PTMD表现出较好的减振性能;3种随机激励下PTMD能够有效抑制风力发电机结构的动力响应,其中,El Centro波作用下,PTMD对结构顶部加速度和位移峰值响应的控制效果分别为5.52%和7.73%,而对均方根响应的控制效果则高达33.3%和32.08%。由此可见,PTMD对均方根响应的控制效果优于峰值响应。对比传统调谐质量阻尼器(TMD)结果可知,经合理设计的PTMD具有更佳的减振效果,且PTMD的工作冲程更小,效率高达20%以上,因此更适用于具有空间局限性的风力发电机结构。此外,叶片转动产生的空气阻力对风力发电机结构响应起到抑制作用,在一定程度上间接地削弱了PTMD的减振性能。

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基于直接设计法的基础隔震结构抗震性能评估

叶昆, 胡广杰

建筑结构学报. 2023, 44(04): 276-285. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0803

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新颁布的GB/T 51408—2021《建筑隔震设计标准》针对隔震结构的设计提出了直接设计法,对于基于直接设计法所设计的隔震结构,有必要研究隔震系统力学性能参数对于隔震结构地震响应特征及失效模式的影响。以铅芯橡胶隔震支座(LRB)基础隔震结构为研究对象,采用两自由度体系的简化模型,基于直接设计法和振型分解反应谱法推导了LRB隔震系统力学性能参数与上部结构地震作用和隔震层最大水平变形之间的简化计算式,探讨了LRB隔震系统的不同力学性能参数对采用直接设计法设计的隔震结构在罕遇地震和极罕遇地震作用下的地震响应特性及失效模式的影响,给出满足GB/T 51408—2021《建筑隔震设计标准》的隔震系统力学性能参数的合理区间。并通过设计算例评估了基于直接设计法设计的LRB基础隔震结构的抗震性能,验证了所确定的隔震系统力学性能参数合理区间的有效性,结果表明上部结构延性系数和隔震支座最大水平变形均满足GB/T 51408—2021的要求。

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多层冷弯薄壁型钢结构房屋刚性楼盖判定及适用性研究

管宇, 周绪红, 石宇, 王文雨, 姚欣梅, 许金勇

建筑结构学报. 2023, 44(04): 286-296. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.C020

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为分析多层冷弯薄壁型钢结构房屋中组合楼盖的面内刚度,确定水平荷载在多层房屋结构分析中的传递分配关系,对6层足尺的冷弯薄壁型钢结构房屋进行了振动台试验,测取了模型的动力特性和地震响应,试验结果表明:试验模型具有良好的变形能力和抗震性能,在7度设防和罕遇地震作用下结构构件未发生塑性破坏;房屋模型中的组合楼盖可判定为刚性楼盖。采用ABAQUS有限元软件对房屋模型进行了地震响应模拟分析,验证了建模方法的正确性,并研究了不同烈度地震作用下抗侧墙体间距对组合楼盖传递分配水平地震剪力的影响规律,研究结果表明,组合楼盖传递水平地震剪力的能力随着输入地震波峰值加速度和抗剪墙体间距的增加而降低。提出了冷弯薄壁型钢-OSB板组合楼盖和冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖在6度、7度及8度多遇地震作用时适用的抗侧墙体最大间距限值,可为完善轻钢结构相关规范提供参考。

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均布荷载作用下腹板开孔轻钢龙骨墙体受弯性能试验研究

常熤存, 王玉银, 林敬木, 耿悦

建筑结构学报. 2023, 44(04): 297-308. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.C030

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为研究腹板开孔轻钢龙骨墙体中覆面板材对墙体受弯承载力的贡献,考虑龙骨腹板高度、自攻螺钉间距等参数的影响,对5片腹板开孔的轻钢龙骨墙体标准单元在均布荷载作用下的受弯性能进行了试验研究,分析试件的承载力、破坏模式、挠度、应变和剪力滞效应等。基于试验结果,建立了可考虑剪力滞效应的腹板开孔轻钢龙骨墙体标准单元有限元模型,将试验结果与有限元计算结果进行对比,验证了模型的可靠性。基于有限元模型,研究了石膏板厚度、龙骨间距和腹板高度对石膏板有效宽度的影响。试验结果表明:开设细长孔洞对龙骨腹板削弱较大,会引起剪力滞效应,并导致墙体在均布荷载作用下在支座附近发生腹板的剪切屈曲;对于厚度为100~200 mm的墙体,竖龙骨与石膏板间的自攻螺钉间距取300 mm即可保证石膏板与龙骨共同工作;在开孔比率相同的前提下,随着腹板高度的增加,墙体抗弯刚度及受弯承载力均有显著提高。所建立的腹板开孔轻钢龙骨墙体标准单元实体有限元模型能够合理考虑剪力滞效应,与试验结果吻合良好,试件初始刚度和承载力预测值与试验结果最大相差分别不超过6%和4%。有限元参数分析结果表明石膏板有效宽度主要受龙骨腹板高度影响。

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耗能螺栓连接装配式钢管混凝土柱-RC梁节点恢复力模型研究

张月, 李冬生

建筑结构学报. 2023, 44(04): 309-318. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2020.0557

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提出了一种由耗能螺栓和预应力筋连接的装配式钢管混凝土柱-RC梁节点,对8个十字形梁柱节点进行了低周往复加载试验,总结了装配式梁柱节点的破坏特征。给出了装配式梁柱节点屈服和极限状态的承载力计算方法,并建立了三折线骨架曲线模型。通过分析滞回曲线特征得到了刚度退化规律及滞回规则,进而确定了装配式钢管混凝土柱-RC梁节点恢复力模型,并与试验结果进行了对比。结果表明:在加载过程中耗能螺栓的钢棒能够通过受拉耗能,装配式梁柱节点最终由预制梁混凝土塑性铰失效导致承载力下降;提出的三折线骨架曲线模型和恢复力模型与试验结果对比吻合较好,说明该模型能够较准确模拟该种装配式梁柱连接结构在地震作用下的受力与变形特征,可用于该类型节点的工程设计和抗震分析。

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2023年, 第44卷, 第04期　刊出日期：2023-04-05

建筑结构学报

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