2005年, 第26卷, 第06期　刊出日期：2005-12-05

  

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学术论文
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  《建筑结构学报》2005年(第26卷)总目录(1~6期)

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 0-129+128.

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  新型多面体空间刚架的基本单元研究

  余卫江;王武斌;顾磊;赵阳;傅学怡;董石麟;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 1-6.

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  基于气泡理论的多面体空间刚架是一种全新的空间结构,具有重复性高、汇交杆件少、节点种类少,结构承载、抗震、延性好等特点,在国家游泳中心“水立方”结构中得以应用。这种新型结构的基本单元是气泡理论中对三维空间进行有效填充的多面体。本文提出了新型多面体空间刚架结构中的基本单元———类Weaire-Phelan多面体单元,并通过图形解析和数学解析两种方法研究基本单元的几何构成,揭示了该类单元的重要特征———其基本形状仅由一个独立参数所控制,可定义其为形状控制参数c,并进一步揭示了多面体空间刚架中c的合理取值范围以及c和空间刚架总杆长及杆长种数的关系。这些研究成果为这一新型结构的几何构成奠定了理论基础。
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  新型多面体空间刚架的几何构成优化

  余卫江;赵阳;顾磊;傅学怡;董石麟;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 7-12.

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  基于气泡理论的新型多面体空间刚架系由类WP多面体单元经组合、阵列、旋转、切割而生成,它有别于传统空间结构由单元体简单组合而成。因此,基本单元的形状与尺寸、旋转轴、旋转角度、切割面位置等都是影响整体结构几何构成的重要参数,也是结构几何构成优化的主要内容。通过对这些参数的分析比较,本文提出新型多面体空间刚架几何构成的优化准则,提出最优切割面和可行切割面的重要概念,从而为建立各种高效合理、同时充分满足建筑效果的结构构成提供理论依据与可行方法。在此基础上,结合国家游泳中心“水立方”结构,具体说明了本文提出的优化原则与方法在实际工程中的应用与效果。本文研究揭示了多面体空间刚架结构区别于传统结构的一个重要特点———建筑尺寸由结构的几何构成所确定。
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  国家游泳中心“水立方”结构设计优化

  傅学怡;顾磊;杨先桥;余卫江;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 13-19+26.

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  国家游泳中心“水立方”的墙体和屋盖结构创造性地采用了新型多面体空间刚架结构体系,该结构的弦杆选用矩形钢管、腹杆选用圆钢管,节点为焊接球节点。虽然结构的构成类似网架结构,但结构构件的受力状况完全不同于网架结构的二力杆,而表现为类似空腹网架的刚接梁。杆件内力包含弯矩、轴力、剪力、扭矩,弯曲应力大于轴向应力,所以结构的优化较为复杂。本文结合具体的结构设计,全面介绍了结构设计计算中的优化内容,包括:“强墙弱盖”优化,墙体杆件和屋盖杆件选用不同应力水平控制;截面类型优化,放弃加劲肋截面而改用紧凑型截面,充分发挥截面塑性,提高结构延性;几何构成“杂交”优化,将屋盖下弦贯通内墙,为减小屋盖与墙体交界处杆件过大的弯曲应力而附加少数腹杆,形成局部汇交力系;“铰接”优化,采用铰接计算处理策略,将少数弯曲应力较大无法满足规范要求的杆件两端处理为铰接,加强其周围相关杆件,再刚接迭代计算,较好满足承载力要求;“强节点弱杆件”优化,提高结构延
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  带斜楼盖建筑结构抗震性能研究

  杨想兵;傅学怡;周颖;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 20-26.

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  国家游泳中心“水立方”现浇钢筋混凝土斜看台楼盖跨越两个结构层,形成一个连续、复杂的空间结构。现浇斜看台楼盖建筑尺度及刚度较大,其对整体建筑结构工作性能尤其对地震作用下各类结构构件受力影响较大,不容忽视。我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)对此类带现浇斜楼盖结构抗震设计尚没有明确的规定。本文结合国家游泳中心“水立方”斜看台楼盖结构设计,通过对带现浇斜看台楼盖和不带现浇斜看台楼盖两类结构在水平地震作用下的计算分析,揭示了现浇斜楼盖对整体结构工作性能及对各类结构构件地震作用下受力的影响规律,提出了此类结构的抗震设计建议。
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  方钢管焊接空心球节点的承载力与实用计算方法研究

  董石麟;邢丽;赵阳;顾磊;傅学怡;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 27-37.

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  国家游泳中心“水立方”采用了一种新型的多面体空间刚架结构,杆件形式包括圆钢管、方钢管和矩形钢管,节点则主要采用焊接空心球节点。本文系统研究在轴力、弯矩及两者共同作用下方钢管焊接空心球节点的受力性能与承载能力。建立了采用理想弹塑性应力-应变关系、Mises屈服准则,同时考虑几何非线性的有限元分析模型,并对承受轴力、弯矩及两者共同作用的方钢管焊接球节点进行了大量的有限元参数分析。对轴力和弯矩共同作用的焊接球节点,其轴力-弯矩相关关系与节点的几何参数(包括空心球的球径、壁厚及钢管边长)无关。对若干典型节点进行了试验研究,直观了解节点的受力性能和破坏机理,并验证了有限元模型的正确性。还推导了基于冲切面剪应力破坏模型的节点承载力简化理论解,从而得到节点承载力计算公式的基本形式。最后,综合简化理论解、有限元分析和试验研究的结果,建立了轴力、弯矩及两者共同作用下方钢管焊接球节点承载力的实用计算公式,其中,对轴力和弯矩共同作
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  轴力与双向弯矩作用下方钢管焊接球节点的承载力与实用计算方法研究

  董石麟;邢丽;赵阳;顾磊;傅学怡;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 38-44.

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  国家游泳中心“水立方”结构中采用了连接方钢管、且承受轴力与弯矩共同作用的焊接空心球节点。文献[1]系统研究了方钢管焊接球节点在轴力与单向弯矩作用下的承载能力并建立了实用计算方法。本文进一步对轴力与双向弯矩作用下的这类节点进行深入研究。对轴力与双向等弯矩共同作用的节点,通过有限元分析、试验研究以及简化理论解三条途径,系统研究其受力性能,并提出节点承载力的实用计算方法。而对双向任意弯矩作用的情况,提出了对单向弯矩及双向等弯矩两种情况进行线性插值的简化计算方法。
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  国家游泳中心方钢管受弯连接节点加强试验研究

  赵阳;王武斌;邢丽;傅学怡;顾磊;董石麟;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 45-53+63.

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  国家游泳中心多面体空间刚架的杆件与节点之间采用全熔透的对接焊缝连接。为避免焊缝脆性破坏先于钢材破坏,实现“强节点弱构件”的设计思想,确保结构具有良好的延性,有必要对焊缝连接节点进行适当加强。对方钢管杆端承受弯矩的连接,在未加强全熔透焊缝连接的基础上,提出了贴板加强及厚管加强两种加强方式,本文对这三种连接方式进行低周反复荷载试验。对滞回特性及延性系数的分析比较表明,贴板加强和厚管加强两种方式均可使塑性铰从弯矩最大的焊缝处外移,从而较为有效地改善节点的延性,而其中贴板加强型的效果更好。在此基础上,进一步对由强屈比较小的钢材加工而成的钢管节点进行试验,表明贴板加强的方式仍能有效改善节点的延性。
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  单项受力状态下矩形钢管相贯节点的承载力研究

  赵鹏飞;钱基宏;赵基达;马宏睿;成志辉;傅学怡;顾磊;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 54-63.

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  国家游泳中心采取了特殊的结构型式,使其矩形钢管相贯节点,除双平面的几何特性外,同时承受轴力和不可忽视的双向弯矩。本文的目的是研究不同型式的矩形钢管相贯节点在单项受力状态下———腹杆分别承受轴力、平面内弯矩、平面外弯矩时的承载力计算公式;节点型式主要包括T、TT、K、KT等4种单平面和多平面节点类型。以直角T型节点的单项承载力研究为基础,通过大量的有限元计算,并对计算结果进行回归分析得出节点承载力计算公式。本文还对各类节点的失效形态进行了分析。
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  复合受力状态下矩形钢管相贯节点的承载力研究

  赵鹏飞;钱基宏;赵基达;马宏睿;成志辉;傅学怡;顾磊;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 64-70.

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  国家游泳中心的矩形钢管相贯节点,除双平面的几何特性外,同时承受轴力以及不可忽视的双向弯矩。本文的目的就是解决此类节点在这种特殊受力状态下的强度校核问题。研究工作以矩形钢管相贯节点在单项受力状态下的计算公式为基础,利用大量的有限元计算结果,回归得出T、TT、K、KT等4种类型节点在复合受力状态下———节点同时承受轴力、平面内弯矩、平面外弯矩中的两项或三项时的承载力计算公式。根据计算结果,本文还讨论分析了各类型节点的失效形态。研究表明,节点校核公式和破坏形态与节点的受力状态及节点的几何因素有关,如轴力的大小、弦杆截面高度及壁厚等。
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  复合受力状态下矩形钢管相贯节点的试验研究

  赵鹏飞;赵志雄;钱基宏;赵基达;马宏睿;成志辉;傅学怡;顾磊;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 71-78+85.

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  本试验研究工作的主要目的是掌握特定节点型式在特定外力条件下的工作性态,并与有限元计算结果进行对比,检验其正确性,为理论公式提供试验佐证。共选择了4个不同型式的节点,分别为K、KT、T、TT型。本文较详细地介绍了在复合受力状态下———同时承受腹杆轴力及弯矩时,4个矩形钢管相贯节点模型试验的过程,包括针对特殊受力形式的试验装置及加载装置的设计、测点布置、加载方案等。对于模型的应力发展过程及试验结果,也逐一进行了分析。试验结果表明,有限元计算的可靠性是有保证的;节点的型式不同,其形态破坏也不同;与节点连接的腹杆愈多且不处于同一平面上,则节点受力愈不利;应特别注意受拉焊缝的质量控制。
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  双锥型压弯(扭)圆钢管的试验研究

  罗尧治;季伟捷;沈雁彬;傅学怡;顾磊;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 79-85.

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  双锥型变截面类构件在压弯(扭)复合荷载作用下,受力情况复杂,目前规范尚未给出一套完整的强度、稳定计算公式。本文通过双锥型圆钢管的压弯(扭)载荷试验,对该类型构件在复合荷载作用下的承载能力、破坏模态、位移-荷载曲线及应变-荷载曲线进行了分析比较。试验分析表明:试件的破坏模态表现为结构的局部屈曲,提供一个较小的坡度,便能使塑性区发生内移,以获得更大的延性;双锥型构件比等截面构件具备更好的受力性能,其承载能力的提高与锥体坡度直接相关,对于塑性铰位于交界面处的构件,其承载能力的提高可达40%左右。
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  双锥型圆钢管的强度设计计算方法

  罗尧治;朱世哲;许贤;张冰;季伟捷;傅学怡;顾磊;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 86-91+107.

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  双锥型圆钢管是由两端锥形变截面体和中间等截面体组合而成的受力构件,在弯矩、轴力和扭距的组合荷载作用下的破坏性状有三种,分别为破坏截面处于锥体和中间等截面体的交界处、锥体段内和杆端处。本文分析了在各种几何和荷载参数等因素的变化下构件的破坏性状并推导了破坏截面位置计算公式,还利用Mises屈服条件给出了压弯扭作用下截面强度设计公式,发现通过调整各种参数(如锥面坡度i等)可以控制破坏截面的位置,改变构件的破坏性状,提高承载力。同时双锥型变截面圆钢管构件的截面强度计算设计可以分两步进行,首先确定最不利破坏截面的位置,然后应用截面强度设计公式进行截面强度验算。最后通过有限元分析和试验对理论推导进行了验证,弥补了现行规范的不足。
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  双锥型圆钢管的单元刚度矩阵及修正系数

  罗尧治;赵志雄;武芳;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 92-99.

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  本文采用传递矩阵法推导了双锥型圆钢管单元的空间弹性刚度矩阵。首先简略阐述了传递矩阵法的基本原理,推导了等截面圆钢管和锥型圆钢管的传递矩阵;然后利用传递矩阵关系原理推导出双锥型圆钢管单元的空间弹性刚度矩阵,并运用实例进行公式验证与误差分析,结果表明本文所推导的刚度矩阵具有足够精度,可用于工程分析,也可用于有限元程序的编制;最后在单元刚度矩阵的基础上提出了双锥型圆钢管的刚度修正系数,当进行稳定计算时,可将双锥型圆钢管等效成等截面圆钢管分析。文末给出常用双锥型圆钢管的刚度修正系数表,以供广大设计人员参考。
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  高层建筑结构推覆分析及对设计的启示

  吕西林;朱杰江;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 100-107.

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  本文作者及其研究小组在过去的几年中对混凝土高层结构进行了推覆分析的研究,并编制了相应的计算机程序(TBPOA)。为了满足复杂体型高层结构的需要,提出了多种类型的单元,包括梁柱单元、单片墙单元、三垂直杆墙元和筒体墙单元,与试验结果对比分析表明这些模型具有很好的精度,并且能够搜索到结构反应的全过程,甚至结构的软化阶段。3个实际工程的推覆分析结果表明:小震作用下弹性分析所得的结果并不能反映结构可能存在的薄弱部位,罕遇地震作用下的弹塑性变形应该考虑结构二阶效应的影响,抗震规范提供的抗震设计原则和构造要求在某些结构中并不能保证罕遇地震下的抗震性能,对复杂高层结构进行推覆分析或弹塑性时程分析是很有必要的。
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  采用新型阻尼杆的双层柱面网壳结构减震分析与试验研究

  秦乃兵;张毅刚;茹洋;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 108-113.

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  为了检验用新型阻尼杆件替换网壳结构部分杆件后的减震效果,设计了适合网壳结构的新型孔隙式粘滞阻尼杆,在拟动力装置上进行了新型孔隙式粘滞阻尼杆的性能测试。在此基础上设计制作了双层柱面网壳结构模型,进行了新型阻尼器杆件替换网壳杆件减震的振动台试验。在替换杆件不多的情况下,各点的位移、加速度和内力减震60%左右,说明新型孔隙式粘滞阻尼杆减震策略有效、可行。理论分析和试验结果较为接近,最大误差10%。
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  焊接工字形截面钢支撑低周疲劳性能试验研究

  张耀春;连尉安;张文元;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 114-121.

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  通过21根铰支焊接工字形截面支撑在6倍试件的受拉屈服位移幅值下的对称循环轴向加载试验,研究了具有不同几何特性的该类支撑构件的低周疲劳和耗能性能。研究发现,支撑翼缘直到断裂的疲劳损伤发展过程可分为可见裂纹萌生,穿透裂纹形成和穿透裂纹扩展3个阶段,并根据试验数据提出了估算支撑构件疲劳寿命和循环耗能能力的经验公式。统计分析表明,裂纹萌生疲劳寿命与弹塑性局部屈曲密切相关,当支撑翼缘的宽厚比越小,支撑的长细比越大时,其裂纹萌生疲劳寿命就越长。试验还表明,低周疲劳性能较优的支撑构件亦具有较高的耗能能力。为了防止框架-中心支撑结构中的支撑构件在强震下过早发生断裂破坏,在实际设计中除要限制板件的宽厚比之外,还应适当放宽现行规范对支撑构件长细比的限制。
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  弯剪组合作用下点支承玻璃承载性能的试验研究

  王元清;梁宇钒;石永久;马赢;

  建筑结构学报. 2005, 26(06): 122-128.

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  点式玻璃幕墙玻璃面板在实际工程中通常在弯剪组合作用下工作。本文在试验的基础上分析了不同荷载作用下板内应力分布状况,找出弯剪组合作用下的应力控制点。本文指出,面内剪力对于孔边应力影响较大,且易引起紧固件的弯曲变形;在弯剪组合作用下,玻璃板孔边、大面中心及板边中点的应力均有可能起控制作用;当面外荷载使紧固件受拉时,面内剪力的影响很小,可以忽略,当面外荷载使紧固件受压时,应该考虑面内剪力对板承载性能的削弱作用。以上研究为进一步完善点式玻璃板的设计提供了依据。