2017年, 第38卷, 第10期 刊出日期:2017-10-05
  

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    钢及组合结构
  • 李国强, 李天际, 王彦博
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 1-9. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.001
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    为研究Q690高强钢焊接箱形轴心受压构件的整体稳定性能,给出适合该类构件的设计建议,通过对3根Q690焊接箱形截面试件的残余应力试验,得到了箱形截面的残余应力分布模型。设计并制作了5根Q690焊接箱形柱,并对其两端铰支条件下进行了轴压试验研究,试验前分别对试件的几何初始缺陷和初始偏心均进行了测量。轴压试验中,所有试件破坏形式均为整体失稳破坏。基于试验结果,分析了该试件的整体稳定性能,采用直接分析法建立了数值模型,并校验了数值模型的准确性。同时,采用该数值模型对箱形轴压构件进行了参数分析,基于试验和参数分析结果,给出了Q690焊接箱形轴压构件的一阶弹性设计建议。
  • 聂少锋, 周天华, 周绪红, 李方涛, 孙玉金
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 10-20. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.002
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    通过30根由双肢C形和[形冷弯薄壁型钢拼合箱形柱的轴压和偏压试验,得到了试件的荷载-位移曲线和最大荷载,并分析了其屈曲模式和破坏特征。采用ABAQUS程序对拼合截面柱受压性能进行了有限元分析,分析参数主要包括长细比、腹板高厚比、截面高宽比、偏心距与偏心方向等。结果表明:轴压中、长柱系列试件的破坏模式为绕弱轴整体弯曲破坏,轴压短柱系列试件为局部屈曲变形过大而导致的塑性折曲,绕强轴和绕弱轴的偏压试件最终分别为整体弯扭屈曲和整体弯曲破坏;试件的最大轴压荷载及刚度均随着试件长细比的增大而逐渐减小;试件最大轴压荷载随腹板高厚比的增大而减小;试件的截面高宽比较大,绕两个主轴的长细比会相差较大,通过增加翼缘宽度以增大拼合柱绕强轴和弱轴的稳定性,显著提高其最大荷载;偏压拼合柱的最大荷载随着偏心距的增加而降低。
  • 王鹏, 王湛, 潘建荣, 李松
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 21-28. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.003
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    为了研究带加劲肋顶底角钢梁柱连接节点受弯性能与抗震性能,分别进行了5个不同构造的角钢连接试件的单调加载试验和4种带加劲肋角钢连接试件的循环加载试验。单调加载试验结果表明:节点在负弯矩作用下,仅增设顶角钢加劲肋能够较大幅提高节点初始转动刚度与荷载,破坏模式为加劲肋处焊缝脱开;仅增设底角钢加劲肋对节点初始转动刚度影响较小,但能够增加节点的荷载。采用循环加载试验分别考察了4种不同构造的加劲肋角钢连接节点的破坏机制、滞回曲线、延性、耗能、以及刚度。结果表明:加劲肋顶底角钢连接节点是一种典型的半刚性、部分强度连接,具备良好的转动能力和耗能能力,节点破坏模式为角钢与加劲肋处呈弧状塑性铰断裂,极限弯矩对应的层间位移角均在0.04rad以上,可满足美国规范FEMA 350不小于0.03rad的延性设计要求。在加劲肋试件达到层间位移角0.08rad时,节点还能够承受0.5Mmax以上的弯矩。
  • 甄伟, 杨庆山, 田春雨, 盛平, 陈涛
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 29-37. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.004
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    钢管混凝土斜交网格框筒的网格节点汇集了斜柱、环梁、径向梁等构件,其构造和应力分布较为复杂。为了改进该类节点的受力性能,针对工程实际,设计了核心区采用转换柱体与中央竖板相结合的节点构造形式,并以相贯的方式与斜柱连接。为研究此类节点的承载能力和破坏形态,验证节点构造的合理性,实现“强节点弱构件”的设计目标,进行了6个缩尺比为1∶5.5的柱倾斜45°的节点模型试验,在10MN级自平衡钢结构加载架内,采用两个5MN千斤顶对相贯节点的柱端施加轴向荷载。结果表明,节点设计符合“强节点弱构件”的设计要求,即使节点区混凝土浇筑不密实,节点的受力性能也能够达到设计要求,节点的设计方法可行,构造合理。
  • 房晨, 郝际平, 樊春雷, 袁昌鲁, 申新波
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 38-50. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.005
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    通过对2榀缩尺比例为1∶3的两种密肋框格屈曲约束构造的低屈服点钢板剪力墙试件进行抗震性能试验研究,对比分析了两榀试件在低周往复荷载作用下的破坏形态、滞回性能、延性、刚度、承载力和耗能性能等,考察了框-墙之间的剪力分配关系,以此为基础检验了周边框架柱刚度阈值公式的有效性,探讨了钢板剪力墙结构的变形模式。研究结果表明:两侧密肋框格屈曲约束构造能够有效地抑制内填钢板的整体屈曲,使其实现“先屈服,再屈曲”的设计目标。两个试件的破坏进程符合“强框架,弱墙板”和“强柱弱梁”的设计理念,最终均呈平面内弯-剪破坏模式。结构的滞回环饱满呈梭形,具有稳定的承载与塑性变形能力,延性好,初始侧向刚度大。外框架与内填钢板之间的剪力分配转换平稳有序,能够组成合理可靠的双重抗侧力体系。给出了框架柱脚最大剪力和抗剪强度的近似计算公式,可以用于竖向边缘构件平面内受剪屈服的校核。提出了一般钢板剪力墙结构受剪承载力和受弯承载力的计算公式,便于工程设计人员进行内填钢板和周边框架规格的初步选择。
  • 吴兆旗, 侯健, 周观根, 李相勇
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 51-58. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.006
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    基于防屈曲钢板剪力墙受力状态,建立了不同连接防屈曲钢板剪力墙受剪承载力计算模型。基于已有研究成果,认为剪力墙承载力由内嵌钢板中部有效剪应力场和两侧的边缘支撑带提供,推导出适用于不同连接方式剪力墙的承载力计算公式。利用已有试验结果、规程计算方法和数值分析结果验证了建议计算公式的合理性与精确性。进一步分析表明:在跨高比为0.5~2.0范围内,两边连接防屈曲剪力墙的有效剪应力场面积与全截面面积之比为20%~55%,相对于四边连接形式的剪力墙,承载力损失10%~52%;两边连接剪力墙易出现提前撕裂,其安全储备低于设置端柱和四边连接剪力墙。通过算例说明了两边连接防屈曲剪力墙边缘设置端柱的可行性。提出了保证内嵌钢板形成完全剪应力场的端柱截面积要求。
  • 王萌, 杨维国, 钱凤霞
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 59-67. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.007
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    为实现利用简化杆系模型准确模拟钢板剪力墙结构复杂的滞回行为,提出一种适用于桁架单元的钢板剪力墙滞回理论模型。给出了该模型骨架曲线和滞回准则的数学表达,建立了关键点参数与结构特性之间的解析关系,综合考虑了材料本构关系影响以及钢板受压区域的贡献,该模型适用于不同内嵌钢板宽厚比情况。利用ABAQUS有限元软件用户子程序接口UMAT进行二次开发,编制了相应的计算程序,实现了钢板剪力墙简化滞回模型与杆系单元的集成,兼顾计算精度和计算效率。结合典型钢板剪力墙试验结果,验证了模型的准确性和适用性。
  • 孙国华, 李坤明, 方有珍, 王跃
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 68-77. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.008
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    半刚接钢框架内填钢筋混凝土剪力墙(PSFRCW)结构的超强系数受材料力学性能及构件几何尺寸的变异性影响较大。采用的Latin超立方抽样方法考虑了PSFRCW结构中型钢、钢筋及混凝土材料力学性能的随机性,以及内填RC墙厚度、半刚性节点的抗弯刚度及受弯承载力的变异性,结合GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》设计了4组共计160个PSFRCW结构算例样本,分析了层数、抗震设防烈度对结构超强系数的影响。采用Pushover方法确定了160个PSFRCW算例分别在均匀分布及广义乘方水平力分布模式下的能力曲线。基于概率方法按置信水平为95%的单侧置信下限值确定了PSFRCW结构考虑层数、抗震设防烈度影响的超强系数。研究表明:考虑材料及构件几何尺寸变异性所确定的PSFRCW结构的超强系数较按材料性能及构件尺寸名义值所确定的PSFRCW结构的超强系数值约大15%。考虑高阶振型影响的广义乘方分布模式确定的PSFRCW结构的超强系数值要小于按均匀分布模式确定的PSFRCW结构的超强系数值。设防烈度相同时,PSFRCW结构的超强系数随层数的增加呈增大趋势。层数相同时,PSFRCW结构的超强系数随抗震设防烈度的增加呈降低趋势。在8度抗震设防区,PSFRCW结构的超强系数建议取为3.5;在9度抗震设防区,PSFRCW结构的超强系数建议取为3.2。
  • 结构抗风专题
  • 柯世堂, 余文林
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 78-87. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.009
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    为系统研究超过规范高度限值(190m)的特大型冷却塔风振特性及风振系数,以国内某在建的高度200m的特大型冷却塔为研究对象,基于大涡模拟技术对该冷却塔进行了平均和脉动风荷载的数值模拟,并将模拟结果与规范曲线以及国内外现有实测结果进行对比,验证数值模拟方法的有效性。在此基础上,采用有限元方法对该特大型冷却塔的动力特性、风振响应与风振系数进行了系统分析,探讨了以塔筒迎风面子午向轴力、迎风面的von Mises应力、节点径向位移、子午向轴力和环向弯矩为目标响应的风振系数取值方法,归纳出高度200m特大型冷却塔二维风振系数空间分布特征显著且在塔筒底部及背风区普遍较大的分布规律,给出了此类特大型冷却塔风振系数的取值建议和二维拟合公式。主要研究结论可为高度200m特大型冷却塔的抗风设计提供科学依据。
  • 吴玖荣, 郑庆星, 傅继阳, 唐争兵, 谢壮宁
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 88-94. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.010
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    为研究高层建筑多风向风致加速度满足人体舒适度要求的可靠度,推导了以结构顶部加速度响应均方根值表征的近似解析表达式,建立了风速风向联合分布的概率模型。并以广州西塔高层建筑为算例,结合其工程气象分析及风洞试验等相关资料,通过随机振动理论和曲线拟合方法,得到其在主要风向角下风致顶部加速度响应均方根值与10m高度平均风速的拟合表达式。在此基础上,考虑平均风速服从Weibull分布,阻尼比服从正态分布条件下,基于条件概率,采用验算点法对此高层建筑在考虑风速风向联合概率分布情况下,满足重现期10年的顶部风致加速度响应(舒适度)要求的可靠度进行了分析,表明结构顶部重现期10年风致加速度失效概率在各方向有明显差别,说明考虑风速风向联合分布的风致结构舒适度失效概率计算的必要性。采用本文的验算点法对本算例高层建筑的可靠度分析,结果表明其对应重现期10年的考虑风速风向联合概率分布情况下满足舒适度要求的可靠度值达99.98%。
  • 余先锋, 谢壮宁, 李尚启, 王旭
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 95-101. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.011
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    为研究超高层建筑风致内压的干扰效应,在不同干扰工况下对一典型开洞超高层建筑进行了内压风洞试验。分析了不同截面宽度、不同高度施扰建筑干扰下的平均与峰值内压干扰因子的分布规律,并通过功率谱分析,研究了有、无干扰建筑时脉动内压的能量分布。结果表明:有、无干扰下的超高层建筑风致内压近似服从高斯分布;串列布置时,随着施扰建筑与受扰建筑的截面宽度比的增大,内压干扰因子逐渐减小;在并列布置且侧面开洞时,平均与峰值内压均呈放大效应,且干扰因子随着宽度比的增大而随之增加,峰值内压干扰因子最大值为1.33,此时若并列间距较小时,旋涡脱落共振峰值消失,但Helmholtz共振峰值能量会被大幅提高;当串列布置且施扰建筑高度与开洞所在高度相近时,侧面开洞受扰建筑的峰值内压始终被放大,峰值内压干扰因子最大值为1.12。
  • 张建国, 顾明
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 102-107. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.012
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    高层建筑顺风向的脉动风荷载通常是基于准定常假设,由来流风速的功率谱密度函数和相干函数求得,其中风荷载和风速功率谱密度对气动导纳函数影响较大。依据10个典型高层建筑模型的同步测压风洞试验数据,对高层建筑各层高度处顺风向荷载的功率谱密度函数和气动导纳函数的特性进行分析,提出了顺风向荷载气动导纳函数的表达式,并针对公式中的具体参数进行了拟合。采用该表达式对一栋实际高层建筑的顺风向风致动态响应进行计算,并与其模型的试验结果进行对比。结果表明:高层建筑顺风向荷载的气动导纳曲线沿高度变化不大,但与其截面形状关系较大,曲线整体呈指数分布,当折减频率小于0.1时,气动导纳数值均接近于1.0。算例结果表明,采用所建议的气动导纳拟合式计算出的风致响应结果与风洞试验计算结果较为吻合,误差在10%以内。
  • 田玉基, 杨庆山, 范重
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 108-115. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.013
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    基于建筑围护构件风荷载的基础理论,对比分析了中外荷载规范的具体规定,指出了我国现行GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》在围护构件风荷载规定方面存在的不足,提出了改进和完善的具体建议。建议如下:分别统计分析季风和台风两种气候的基本风速,再进行合并,得到混合气候地区的基本风速;将峰值因子的取值提高至3.5,能够比较真实地反映来流的脉动风速极值;借鉴国外荷载规范的规定,完善内压系数的相关规定;深入开展风向效应的研究,以气象观测资料和典型体型建筑物的风洞试验结果为依据,合理确定我国各地区各方向的风向折减系数;开展围护构件风荷载面积折减系数方面的研究,确定典型建筑物墙面、屋面不同区域的面积折减系数。
  • 余志祥, 赵雷, 赵世春, 祝福
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 116-122. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.014
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    针对风雪流作用下低矮建筑屋面积雪分布特征预测问题,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元方法(discrete element method,DEM)的耦合,研究了风雪流的数值模拟方法,包括风雪耦合状态下的流体运动方程、雪颗粒运动方程、流体-雪颗粒耦合控制方程及雪颗粒碰撞模型,建立了基于实测的雪颗粒材料参数、碰撞参数、边界控制条件和耦合计算方法等,并采用该方法对Tsuchiya阶梯型屋面的积雪模式进行了数值模拟。结果表明:模拟结果与野外实测及风洞试验结果取得了较好的一致性,验证了该方法的有效性;低屋面积雪对风场干扰较为显著,低屋面末端处的无量纲水平风速从无积雪分布时的-0.4增加为有积雪分布时的0,明显削弱了屋盖积雪区空气回流漩涡。
  • 基础理论与共性技术
  • 许浩, 刘文光, 何文福, 程颖, 冯祎鑫
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 123-130. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.015
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    基于铅芯橡胶隔震支座的力学性能特点,研发了斜向滑动摩擦三维隔震装置。基于该三维隔震装置的组成构造和变形机理,提出了其竖向荷载-位移滞回模型,给出了各阶段支座刚度的计算公式。对三维隔震装置进行的竖向压缩拟静力试验结果表明:三维隔震支座在竖向具有变刚度特性,其滞回曲线饱满,不同加载速率和位移幅值下力学性能稳定;提出的滞回模型与试验结果基本吻合,可以有效模拟三维隔震装置的竖向滞回性能。通过三维隔震结构缩尺模型的振动台试验,认为三维隔震装置与传统水平隔震支座具有相当的水平隔震效果,同时可控制结构的竖向响应。
  • 闫维明, 谢志强, 宋林琳, 何浩祥, 杲晓龙
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 131-138. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.016
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    将锁铆连接引入冷弯薄壁型钢结构构件间的连接中,考虑了铆钉端距、间距、数量、排列方式等因素,对锁铆连接的受剪性能进行试验,研究了各试件的荷载-变形曲线、受剪承载力及破坏模式。基于传染病传播动力学SIR模型,建立了单颗锁铆连接力学模型,并考虑铆钉群折减效应提出了多颗锁铆连接的受剪承载力计算方法。研究结果表明:多颗锁铆连接的破坏主要为铆钉腿部剥离下层板材并伴随铆钉头部脱离上层板材、钢板净截面拉断,其中前者为较理想的延性破坏模式;铆钉排列方式、端距和间距对锁铆连接的受剪性能影响较大,铆钉应优先纵向排列,端距、间距不宜小于3倍与5倍铆钉直径;考虑铆钉群折减效应的受剪承载力计算方法具有较高的预测精度。
  • 潘毅, 吴晓飞, 郭瑞, 时胜杰
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 139-148. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.017
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    为研究长期荷载作用下FRP(纤维增强复合材料)约束混凝土的变形和应力-应变关系,先通过8616个混凝土徐变数据和4320个混凝土收缩数据的分析,选择GL2000模型和Findley模型分别作为混凝土和FRP的徐变模型;然后根据FRP约束混凝土的平衡条件和几何条件,提出了长期变形的计算方法;最后采用考虑初始应力的FRP约束混凝土圆柱的极限应力、应变计算公式,并基于Teng模型的轴向-侧向应变关系和Mander本构模型的主动约束方程,采用增量迭代方法,建立了长期荷载作用下考虑初始应力的FRP约束混凝土应力-应变关系的分析模型,并与试验结果进行了对比。研究结果表明,采用提出的长期变形计算方法和混凝土应力-应变分析模型得到的约束混凝土应力-应变曲线与试验曲线吻合较好。
  • 姚继涛, 宋璨, 刘伟
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 149-156. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.018
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    基于概率的分项系数法是结构可靠度通用设计方法,也是我国现行结构设计规范的重要基础,但在30多年的实际应用中,该方法已逐渐显现出广义性和可靠度控制精度不足等缺陷。借鉴国际标准ISO 2394:2015中设计值法的基本思路,根据前期提出的结构安全性设计的广义表达式和标准灵敏度系数的取值方法,提出结构安全性设计的广义方法,并对其进行了必要的简化。该方法可在设计中直接考虑基本变量概率特性、目标可靠指标和设计使用年限变化对设计结果的影响,基于作用和结构性能的新近统计结果,建立新材料、新型结构的可靠度设计方法,并允许业主选取不同的目标可靠指标和设计使用年限,具有良好的普适性,较国际标准中的设计值法也更具有实用性。理论和实例分析结果表明:广义设计方法采用了利用解析优化提出的标准灵敏度系数建议值,可更好地实现对可靠度的控制;该法较目前的分项系数法和设计值法具有更高的可靠度控制精度。
  • 砌体结构
  • 唐曹明, 罗瑞, 程绍革, 黄宝栋
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 157-167. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.019
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    针对目前量大面广且急需抗震加固的老旧砌体结构房屋,设计了4组共12片砌筑砂浆强度等级低于M2.5的低强度砖墙,其中4片未加固砖墙、4片单面水泥砂浆加固和4片单面钢筋网水泥砂浆加固砖墙,通过拟静力试验,研究了水泥砂浆及钢筋网水泥砂浆单面加固对低强度砖墙破坏模式、承载力、变形能力、延性、耗能能力等的影响。结果表明:加固面层可改善原砖墙的脆性破坏模式,提高受剪承载力、变形和耗能能力,减小承载力以及刚度的衰减等;竖向压应力为0.1MPa的低强度砖墙,采用单面40mm钢筋网水泥砂浆面层加固后,其抗震性能没有明显好于采用单面20mm水泥砂浆面层加固的砖墙,竖向压应力为0.6MPa时前者抗震性能明显好于后者;竖向压应力为0.6MPa的低强度砖墙,采用钢筋网水泥砂浆面层加固时,即使竖向钢筋不锚入底梁也能达到屈服。
  • 地基基础
  • 徐铨彪, 陈刚, 贺景峰, 龚顺风, 肖志斌
    建筑结构学报. 2017, 38(10): 168-174. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2017.10.020
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    通过对3种常用桩型共9根复合配筋混凝土预制方桩进行轴压性能试验,对比分析了部分预应力和非预应力混凝土预制方桩轴压承载力、变形能力及破坏特征等,并将得到的轴压承载力试验值与不同规范的桩身轴压承载力公式计算值进行对比。结果表明:复合配筋混凝土预制方桩轴压试验出现了轴压破坏和局压破坏两种破坏模式;破坏前,同桩型方桩试件抗压刚度基本相同,且无减小趋势;复合配筋混凝土预制方桩轴压承载力试验值仅满足GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》的要求,普遍小于非预应力混凝土预制方桩的轴压承载力,为此,复合配筋混凝土预制方桩轴压承载力建议采用GB 50007—2011中公式进行计算。