雄安站工形钢管柱受力性能研究

为给工形钢管柱在雄安站工程中的应用提供技术支撑,通过缩尺模型试验,分析工形钢管柱在水平往复荷载作用下的压弯性能与破坏形态.采用ABAQUS对工形钢管柱进行数值模拟分析,分析双腹板-翼缘宽度比、宽厚比以及高宽比等参数对其截面应力、承载与变形能力的影响.结果表明:在水平往复荷载作用下,工形钢管柱荷载-位移滞回曲线呈饱满的梭形,变形与耗能能力较强;与平行腹板方向加载相比,平行翼缘方向加载时构件的承载能力更强,刚度退化减缓,面外变形减小.箱形柱与工形钢管柱根部的应力集中显著,易首先出现裂纹.平行腹板方向加载时,工形钢管柱内凹角部位的正应力比箱形柱相应部位的正应力增大,出现显著剪力滞后效应.随着双腹板-翼缘宽度比减小,工形钢管柱的承载力和变形能力逐渐增强,刚度退化率、等效黏滞阻尼系数、板件面外变形等均明显减小,抗震性能总体上优于相同壁厚的普通箱形柱.     

北京奥林匹克塔结构设计研究

北京奥运塔由5个纤细的单塔组成,单塔最大高宽比达33,塔顶的观景平台向外悬挑,建筑体型非常复杂。基座大厅主梁跨度大、负载重,室内建筑效果要求高。通过沿高度方向设置多道连接桁架,将5个单塔连接为整体,形成组合塔式结构体系,使结构的侧向刚度与抗倾覆能力大大提高。在各单塔之间设置水平桁架和预应力斜杆临时支撑体系,消除了结构不均匀竖向变形和差异沉降的不利影响。采用节段式风洞试验测试技术,解决了复杂模型测试精度问题。结合高位消防水箱研发的折返式吊挂机构,克服了TMD安装空间不足的难题,并可根据实测情况调节质量块的自振频率。在塔冠大悬挑端部设置竖向TMD减振装置后,对密集人流激励引起的共振具有显著的抑制作用。基座大厅屋盖采用交叉编织清水混凝土梁板结构,在楼板缺失部位能够有效传递内力,保证了结构的整体性以及对塔身的嵌固作用。结合建筑室内造型采用了大跨度拱梁,可以有效改善大跨度梁的受力形态,优化构件的截面尺寸,改善结构的经济性。     

板件宽厚比对交叉钢梁稳定性影响研究

对中、美、欧现行规范关于钢结构截面类型及宽厚比限值的要求进行了归纳比较,利用ABAQUS有限元软件进行了单根H形钢梁考虑初始缺陷的屈曲承载力分析并与规范公式计算结果进行了对比.在此基础之上,以雄安站站房雨棚钢结构为背景,选取具有代表性的区域建立空间交叉H形钢梁精细有限元模型.对不同板件宽厚比的空间交叉H形钢梁进行了非线性屈曲承载力分析,研究了翼缘宽厚比及腹板高厚比对空间交叉H形钢梁局部稳定性和屈曲性能的影响.研究结果表明:ABAQUS模型对钢梁整体稳定性计算结果与规范公式吻合度较高,设计中采用杆件单元模型进行结构整体稳定性分析是安全合理的.考虑翼缘约束作用的H形钢梁腹板屈曲计算模型与该项目交叉钢梁有限元弹性屈曲分析结果吻合良好,结构起坡所引起的不均匀正应力是导致钢梁腹板失稳的主要因素.翼缘厚度确定后,根据上翼缘失稳与腹板局部屈曲临界值确定腹板厚度,依据S3级截面要求所控制的次梁腹板厚度是经济合理的.     

焊接箱形截面梁抗震性能影响因素研究

为考察板件宽厚比对焊接箱形截面梁抗震性能的影响,对中国、美国、日本和欧洲的钢结构设计标准中的相关规定进行了比较,结果表明各国规范对于梁板件宽厚比限值的规定总体上具有较好的一致性。采用钢材循环加载本构,建立了多尺度非线性有限元计算模型。提出了刚性竖杆 箱形梁加载方式,模拟水平地震、重力荷载与轴向压力对箱形截面框架梁的作用。有限元分析结果表明,在设计常用的板件宽厚比范围内,箱形截面梁的弹性屈曲荷载均显著高于其屈服荷载。在水平往复荷载作用下,随着板件宽厚比减小,箱形截面梁极限变形角与延性系数随之增大,抗弯刚度降低速率变缓,塑性耗能能力显著增强。当满足一级抗震宽厚比要求时,焊接箱形截面梁的梁端截面转角约为1/30。承受轴压作用时梁刚度退化很快,变形能力减弱。当轴压比不大于0.2、满足一级抗震宽厚比要求时,梁端截面转角约为1/50。跨高比对梁承载力影响不大,但变形能力可以大幅度提高。横向荷载对梁抗震性能的影响显著,随着静载比（重力荷载代表值与屈服弯矩之比）增大,骨架曲线逐渐发生平移,抗弯刚度降低,耗能性能减弱。当地震弯矩与静力弯矩方向相同时,箱形截面梁承载力显著降低,静载比0.8时极限变形角可减小约50%;当地震弯矩与静力弯矩方向相反时,梁虽然承载力稍有提高,但极限变形角略有减小。     

钢管柱-钢筋混凝土框架转换节点设计研究

在传统钢管柱与钢筋混凝土框架转换方式的基础上，提出了一种适用性较强的新型转换节点。框架柱纵向受力钢筋与节点域钢管侧壁焊接，框架梁纵向受力钢筋与节点钢牛腿翼缘焊接。该转换节点钢管下插长度小，节约钢材效果明显。通过钢牛腿翼缘的叠层式连接构造，既能解决框架梁钢筋焊接的问题，又可减小牛腿翼缘偏心受力的影响，焊接施工方便。在清华大学教育部重点实验室进行了4个转换节点的缩尺模型试验，并采用非线性有限元软件Marc对转换节点的受力机理进行深入分析。结果表明:在水平往复荷载作用下，试件加载至最大位移时，牛腿端部混凝土压溃、剥落，纵向受力钢筋弯折变形显著，形成塑性铰。框架柱顶部混凝土裂缝数量较少，试验结束时框架柱基本完好。钢管柱底部管壁可能进入屈服，钢管柱及节点域均未出现面外变形。试件的荷载-位移滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力。钢管柱的最大应力均出现在框架的顶部附近，过渡段钢管的应力低于钢管柱。在达到极限变形状态时，钢牛腿、内环板及竖向加劲肋应力较低，均处于弹性状态。该钢管柱-钢筋混凝土框架转换节点具有良好的技术经济性能，能够达到“强节点、弱构件”的抗震性能目标。     

框架-剪力墙双重抗侧力体系柱计算长度系数研究

针对框架-剪力墙双重抗侧力体系,通过刚度特征值综合反映框架与剪力墙的侧向刚度,考察其对框架剪力分担率与屈曲荷载的影响。建立了高度为48 m、72 m、96 m和120 m四个计算模型,分别采用有限元法和简化方法计算结构的屈曲荷载与框架柱的计算长度系数。刚度特征值可以综合反映框架与剪力墙相对刚度以及结构高度的影响,特征刚度值越大,框架分担的剪力也随之增大。框架屈曲荷载修正系数γ可以用于定量表征框架受到剪力墙侧向支撑作用强弱的程度,γ随着结构高度增大迅速减小。当框架-剪力墙高度较大时,其框架部分的屈曲荷载可能低于相应纯框架的屈曲荷载,说明此时框架部分为剪力墙提供了侧向支撑。计算结果表明：对于纯框架,按结构标准层分段加载有限元分析得到柱的计算长度系数在各标准层范围内保持不变,且各标准层之间差异不大;基于同层柱相互支援的修正《钢结构设计标准》法,得到柱的计算长度系数与分段加载有限元分析的结果较为接近,两者误差为-9.5%～14.2%。框架-剪力墙柱的计算长度系数介于无侧移框架与有侧移框架之间;随着结构高度增大,其值与纯框架的计算结果逐渐接近;修正《钢结构设计标准》法得到的计算长度系数与分段加载...     

济南遥墙机场T2航站楼超长结构温度及行波效应研究

济南遥墙机场T2航站楼主楼平面尺寸为702 m×619 m,大跨度钢屋盖平面尺寸为718 m×640 m,结构长度超过我国现行标准的规定，需要重点考虑温度作用与地震行波效应的影响。根据建筑造型、使用功能以及混凝土结构、钢结构的特点，将混凝土主体结构划分为6个区，对超长结构进行温度作用与行波效应分析。分析结果表明：钢结构施工阶段受气温和太阳辐射影响较大，根据工期对极端气温取值进行调整，可以显著减小正、负温差值；对于混凝土主体结构，施工阶段的负温差起控制作用；随着楼层高度增大，温度应力逐渐减小；温度作用对大跨度屋盖弦杆和水平撑杆影响较大，对腹杆影响较小；视波速受震源深度、震中距和土层剪切波速等因素的影响，当无法确定震中距与震源深度时，可以偏于保守地将中地壳岩层剪切波速的平均值(3.5 km/s)作为视波速；为了避免少数低应力构件造成的失真，采用涵盖95%构件的内力影响系数最大值表征行波效应的影响；在视波速激励下，首层框架柱与支承屋盖钢柱内力增幅约为10%,对行波效应较为敏感的构件主要分布在结构单元的角部和周边；行波效应对整体大跨屋盖结构影响较为显著，杆件内力增幅为15%～20%。