2010年, 第31卷, 第04期　刊出日期：2010-04-05

  

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学术论文
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  深圳大运会体育中心体育场整体模型承载力试验研究

  郭彦林;窦超;王永海;曹平周;刘琼祥;倪绍文;郭满良;叶虔;李兴武;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 1-9.

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  深圳世界大学生运动会体育中心体育场屋盖钢结构采用"单层折面空间网格"结构体系。本文通过建立"预堆载的自平衡加载体系",采用"手动葫芦分级分组张拉"、"位移初控-内力微调"的加载方案完成了体育场大比例整体模型承载力试验,研究了模型刚度变化过程及最终承载力,观察其薄弱部位及对应破环模式,并采用有限元方法对结果进行了分析和评价。研究结果表明,考虑几何非线性、材料非线性的有限元分析与模型试验结果吻合较好;单层折面空间网格结构具有足够的刚度和安全储备,但由于结构自身特点,其承载力往往受个别高拉应力构件强度所控制;承受较大拉弯作用的构件与肩峰节点的连接部位易发生局部破坏,成为整体结构的薄弱环节,这些部位在设计中要留有足够的富裕度,施工中严格控制焊接缺陷,保证其具有足够的塑性变形能力。
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  基于目标索力的“位移-荷载双控”张拉算法研究及应用

  窦超;郭彦林;王永海;曹平周;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 10-18.

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  针对深圳世界大学生运动会体育中心体育场单层折面空间网格钢屋盖结构的整体模型承载力试验,进行了加载控制方案的研究。对于试验中手拉葫芦分级分组张拉加载过程模拟分析、张拉误差现场控制等关键问题,提出了"位移-荷载双控"的张拉算法,为试验加载的实施奠定了理论基础。研究表明,一体化有限元模型和上述张拉算法结合能够很好地对张拉过程进行模拟分析。相比通常的迭代算法,本文提出的"位移-荷载双控"的补偿张拉算法具有较高的求解效率和精度,可以有效地解决类似工程实践中的张拉问题。
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  单层折面空间网格结构性能研究及设计

  郭彦林;窦超;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 19-30.

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  结合深圳世界大学生运动会体育中心主体育场结构设计的关键问题,剖析单层折面空间网格结构的受力机理,对其刚度与变形控制、动力特性设计、极限状态下受力破坏机理、稳定承载力及强度设计等问题进行了探讨与研究。研究表明:提高径向拟桁架体系的抗弯刚度,如增大立面拟桁架柱中构件的截面积,以及增大屋面折面或立面折面的高跨比是提高结构整体刚度的有效方式;设置肩谷环向构件能够显著减小结构的自振周期,从而减弱风振效应;应重视受力较大的拉弯主构件设计,其与节点的连接部位在施工时应重点控制焊接质量。合理设计下,单层空间折面网格结构具有良好的刚度、稳定承载力性能及变形能力,同时具有足够的安全储备,在关键部件失效的情况下不会发生连续倒塌。
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  深圳大运中心体育馆整体钢屋盖模型试验研究

  吴京;隋庆海;周臻;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 31-37.

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  深圳大运中心体育馆整体钢屋盖由周边的单层折面网壳与中央圆顶构成。为了了解这一结构体系的受力特点,揭示结构的薄弱环节和破坏模式,验证有限元分析的建模策略,开展了1∶10缩尺的模型试验研究。介绍了该结构的受力特点、试验方案设计和理论分析假定,将试验结果与理论分析结果进行了对比,并对试验过程中的现象进行了深入分析。研究结果表明:结构在设计荷载工况组合下的响应基本保持线弹性,位移和内力实测值与计算值吻合较好;竖向荷载作用下,穹顶作用对单层折面网壳和中央圆顶的受力特性都有较为显著的影响。极限阶段的加载试验表明,环向拉杆对整体结构的受力起到较为重要的作用,而一根环向拉杆的断裂将致使传力路径的改变,从而导致较为不利的破坏现象。
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  深圳大运中心体育馆整体钢屋盖模型试验加载方案研究

  吴京;周臻;隋庆海;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 38-43.

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  针对深圳大运中心体育馆屋盖1∶10整体模型加载试验,设计了多级分配梁和千斤顶相结合的加载系统。由于该试验的加载点众多,而各点的加载幅值分布不均,采用了虚拟约束法快速确定了各加载点的荷载分布。为了在加载系统中考虑分配梁自身的重量,采用了多次迭代确定了每一级分配梁的力臂。设计的多级分配梁能够紧凑地布置在模型结构的下部空间内。通过将加载系统和模型结构一起建立在计算模型中,检验了所设计加载系统的效果。数值计算和试验结果均表明,所设计的加载系统具有良好的有效性和可靠性,能够较好地实现试验加载的目的,可在类似大跨度空间结构的整体模型试验中推广应用。
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  深圳大运中心体育馆铸钢节点构造选型和模型试验研究

  王帆;吴波;黄仕香;赵新宇;罗敏;隋庆海;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 44-53.

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  结合深圳大运中心体育馆大跨度钢结构关键连接节点,对铸钢节点的构造选型进行了设计。根据原型节点的受力特点,设计制作了1∶2的节点模型及其加载装置,并且进行了静力加载试验,对节点各分支杆件的应力状况和变形进行了测试。试验结果表明:在1.3倍设计荷载作用下,节点大部分区域处于弹性受力状态,节点杆件的转角和位移很小,说明该节点在承载力和刚度方面能够满足安全性和适用性要求;位于节点中轴面上的杆件连接耳板和销轴受压偏斜变形,为此提出了改进构造的措施——将杆件耳板直接顶压在节点区域,销轴不是用作抗剪构件而仅作为限位构件。将试验结果与有限元分析结果进行对比,结果符合较好。结合本研究针对铸钢节点的研究、设计制造、材质检验提出了建议。
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  强台风“黑格比”登陆过程中近地风场特性

  李秋胜;戴益民;李正农;胡尚瑜;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 54-61.

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  为准确研究低矮房屋的风载特性,基于建造在强台风"黑格比"登陆地点的低矮房屋原型实测房,对强台风"黑格比"登陆的全过程进行了监测,获取了在强台风登陆过程中近地风场及实测房屋表面风压的实测数据。通过对台风登陆过程的风速及风向、阵风因子、湍流度、湍流积分尺度和风速谱等参数的分析,研究了强台风"黑格比"登陆时的近地风场特性,同时介绍了实测房屋及测压系统。结果表明:强台风"黑格比"的最大瞬时风速达到56.7/s,10m in最大平均风速为40.2m/s;台风登陆前,风速及风向脉动变化很大;台风登陆后,湍流度及阵风因子明显减小;风速变大,阵风因子与湍流度有减小的趋势;实测风速谱与von Karman谱吻合较好。研究结果将增进对强台风近地风场的理解和认识,可为今后改进低矮房屋的抗风设计提供参考。
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  强台风“黑格比”作用下低矮房屋风压特性

  李秋胜;戴益民;李正农;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 62-68.

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  根据强台风"黑格比"登陆过程近地风场的实测结果及实测房屋表面测点在强台风登陆全过程监测获取的风压数据,分析了低矮房屋迎风屋面屋沿局部测点的平均、脉动及极值风压系数的变化规律,总结了其对应风场状况下的屋面体型系数。同时,利用等压线图分析了6种风场下的屋面平均、脉动及极值风压系数的分布规律。结果表明:在接近强台风"黑格比"风眼区域,由于明显交替变化的上升及下沉气流,导致低矮房屋迎风屋面屋沿及角部等局部区域形成强大的吸力及高压区,迎风屋面最小、最大体型系数值分别达到了-6.56、3.42;屋沿各测点风压谱相互吻合较好,当频率达到4Hz后,谱能急剧下降;迎风墙面测点在3/4墙高处压力最大,背风墙面各测点风压值基本一致,湍流积分尺度对平均风压系数的影响不大,但脉动风压系数和峰值风压系数随湍流积分尺度的增大而增大。
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  低矮建筑风致内压数值模拟与分析

  宋芳芳;欧进萍;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 69-77.

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  国内外多次台风灾后调查数据显示,造成建筑物严重破坏的主要原因是由于门、窗以及围护结构突然破坏致使结构表面出现洞口后瞬间增大的风致内压与外风压的联合作用。通过应用计算流体力学软件Fluent 6.3对风致内压进行了多种工况的数值模拟。与已有模型实测结果及理论预测值的对比显示,数值模拟方法具有较高精度,证明了数值模拟应用于内风压研究的有效性,并对误差产生原因进行了详细分析。分别对0°风向角下5种单一主洞口、0°风向角下多洞口和一定面积比不同风向角等3个方面进行了模拟。当结构表面出现单一主洞口时,平均内风压系数等于洞口处外风压系数平均值。在0°风向角多洞口工况下,内风压系数随着迎风纵墙与山墙开洞面积比的增大而增大。在一定面积比不同风向角工况下,内风压系数和屋面升力均随着风向角的增大而减小。根据研究所得到的结论,建议沿海台风多发区的结构设计应考虑风致内压。
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  屋盖结构非高斯风压场两步快速模拟法研究

  李璟;韩大建;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 78-85.

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  作用于屋盖结构上的风压场具有明显的非高斯特性。针对这个特点,采用三次多项式表达风压过程和虚拟高斯过程之间的转换关系,推导出关于多项式所含参数的非线性方程组,利用高斯随机向量联合矩的特性获得相关函数的转换关系,从而建立了一种多变量平稳非高斯风压场的模拟方法。为了进一步提高计算效率和适应大型屋盖非线性风振响应分析的需要,将上述方法与本征正交分解法相结合,并采用B样条曲面插值技术,提出了屋盖结构非高斯风压场两步快速模拟的新方法。通过一个大跨度体育场屋盖的风压场计算,模拟了建议方法的计算过程。计算结果表明,建议方法模拟精度和计算效率较高,说明该方法应用于大型屋盖风压场计算的显著优势。
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  主管内填混凝土矩形和圆形钢管桁架受弯性能对比试验研究

  刘永健;刘君平;张俊光;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 86-93.

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  为研究主管内填混凝土对矩形和圆形钢管桁架结构受弯性能的影响及两者区别,进行了矩形和圆形钢管桁架空管、仅受压主管内填混凝土和拉压主管均内填混凝土三种类型桁架的对比试验研究。试验结果表明:矩形截面桁架均发生节点失效,空管桁架为受压主管侧壁鼓曲破坏,仅受压主管内填混凝土和拉压主管均内填混凝土桁架发生受拉主管顶板的冲剪破坏;圆形截面空管桁架和仅受压主管内填混凝土桁架发生空管节点处的主管侧壁鼓曲破坏,拉压主管均内填混凝土桁架为受拉支管受拉断裂破坏。主管内填混凝土有助于提高主管轴向刚度,提高节点强度和刚度及整体承载力,节点承载力按规范计算结果偏于安全,桁架整体变形计算需考虑节点变形的影响。两种截面空管桁架的承载力及变形差异不明显,主管内填混凝土后,圆形截面桁架的整体和节点承载力比相应矩形截面桁架承载力要高,变形能力更好,且节点变形比例更小。
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  钢框架梁端翼缘扩大型节点低周反复荷载试验研究

  王燕;高鹏;郁有升;王玉田;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 94-101.

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  针对钢框架梁端翼缘扩大型节点进行4个1∶2缩尺比例的模型试验,深入研究梁端翼缘侧板加强型节点和梁端翼缘圆弧扩翼型节点在低周往复荷载作用下节点的屈服荷载、极限荷载、滞回曲线、骨架曲线、延性和耗能能力等抗震性能。为了比较分析,还设计制作了1个普通栓焊节点试件。试验结果表明,4个梁端翼缘扩大型梁柱节点均达到了抗弯钢框架连接的抗震要求,而普通栓焊节点试件由于梁柱焊缝根部的脆性破坏制约了梁柱节点的塑性发展;梁端翼缘侧板加强型节点由于侧板与梁翼缘对接焊缝的影响使得焊接热影响区母材变脆而发生脆性撕裂,致使节点的耗能性能受到影响;梁端翼缘圆弧扩翼型节点的抗震性能优于梁端翼缘侧板加强型节点。建议在实际工程中,采用圆弧渐进式过渡的梁端翼缘扩翼型节点,可以有效保证梁柱节点连接的塑性变形和耗能能力。
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  钢骨-钢管自密实高强混凝土偏压柱力学性能试验研究

  何益斌;肖阿林;郭健;周海兵;黄频;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 102-109.

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  为研究钢骨-钢管混凝土组合柱在偏心荷载下的力学性能,进行了13根组合柱的偏心受压试验,研究了钢骨-钢管自密实高强混凝土偏压柱的荷载-变形关系曲线、宏观变形特征和破坏形态,分析了偏心率、长细比、套箍系数和配骨指标对偏压组合柱力学性能的影响。研究结果表明:内置钢骨能延缓甚至阻止核心混凝土中剪切斜裂缝的开展,可有效提高偏压组合柱的极限承载力和延性;在整个加载过程中,钢骨-钢管自密实高强混凝土偏压柱中截面纵向应变沿截面高度的变化基本符合平截面假设,且偏压长柱的侧向挠曲线基本符合正弦半波曲线;钢骨-钢管自密实高强混凝土偏压柱的极限承载力随偏心率和长细比的增大而急剧下降,随着配骨指标的增大而提高。
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  不同配箍形式型钢混凝土柱抗震性能试验研究

  郭子雄;林煌;刘阳;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 110-115.

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  为研究不同配箍形式对型钢混凝土(SRC)框架柱抗震性能的影响,进行了8个1∶2比例SRC柱试件的低周反复加载试验。主要研究参数为配箍形式、体积配箍率和剪跨比。通过试验研究了各参数对试件强度衰减、延性、滞回特性和耗能能力等性能的影响。研究表明,试件变形能力随体积配箍率和剪跨比的增大而增大,强度衰减随配箍率的增大而减小,配箍率对试件刚度衰减影响不明显。配箍形式对SRC柱滞回性能有明显影响,八角复合箍优于井字复合箍,矩形箍增设角箍,可有效延缓纵筋压曲,提高试件的极限承载能和变形能力。研究成果可为SRC结构工程实践提供参考。
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  密肋复合墙体受剪性能试验研究及弹塑性数值分析

  常鹏;姚谦峰;

  建筑结构学报. 2010, 31(04): 116-123.

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  密肋复合墙体是密肋结构中的重要受力构件,其作用是给结构提供必要的抗侧刚度并承受水平荷载作用。以9榀1/2比例密肋复合墙试件为对象进行试验研究,在保证墙体尺寸相同的条件下,依次改变轴压比、高宽比、框格数量等参数,较为系统地测试了各项设计指标对墙体受剪性能的影响。在分析试验结果的基础上,建立了带塑性铰刚架-斜撑计算模型,并基于MATLAB 6.5编写了弹塑性计算分析程序MRCS。构件中填充砌块、钢筋混凝土框格、隐形边框等采用了不同的杆系单元,考虑了杆端半刚性性能和刚域的影响,从而使结构的"开裂-屈服-失效机构形成"这一弹塑性全过程在计算中实现。经过对比,有限元计算结果与试验数据吻合较好,表明建立的计算模型及分析程序MRCS是可信的,可为密肋复合墙体的弹塑性全过程分析提供参考。