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CADG工程实践(特邀主编范重)

中国建筑设计研究院有限公司(CADG)成立于1952年。建院70多年来,一代又一代的工程技术人员薪火相传,完成了大量优秀建筑作品,从建国10周年北京的十大建筑,到北京奥运会和冬奥会场馆、北京通州副城市中心以及雄安新区建设,在国家重点工程建设中作出了突出贡献。

近年来,随着公共建筑规模逐渐增大,结构高度、跨度不断被突破,建筑功能呈现多样化、综合性,结构的复杂程度逐渐提高,已有的设计经验与现行规范标准已难以满足工程的实际需求。为了解决工程中遇到的技术难题,需从保证结构设计技术先进、安全可靠、经济合理等方面推动技术创新,以符合国家绿色、低碳的可持续发展战略目标。对此,中国建筑设计研究院有限公司的结构工程师们,结合工程设计中遇到的实际技术问题,对结构体系及其计算分析方法进行探索与创新,并将研究成果在工程中推广应用,先后获得国家科学技术进步奖、华夏建设科学技术奖等奖项。

本人作为中国建筑设计研究院有限公司总工程师,荣幸担任《建筑结构学报》特邀主编,在第9期中组织了《CADG工程实践》专栏,经专家严格评审,刊载优秀学术论文6篇。专栏以济南遥墙机场航站楼、临沂启阳机场航站楼等重大工程为背景,凝练总结了我院在超高层建筑、大跨度钢结构及装配式建筑方面的设计与创新研究成果。对于专栏论文中存在的缺点和不足,敬请广大读者批评指正。

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  • CADG工程实践
    范重, 刘学林, 刘涛, 高嵩, 柴会娟, 韩文凯, 杨鸿越, 王金金, 杨苏, 刘家名
    建筑结构学报. 2023, 44(09): 1-13. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0833
    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%。
  • CADG工程实践
    王载, 武启剑, 叶垚, 许松健, 孙瑛, 张清文
    建筑结构学报. 2023, 44(09): 14-26. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0856
    为实现大跨度无柱空间及中部上隆的建筑形态,对临沂启阳机场航站楼屋盖结构采用单、双层混合曲面三向网格体系。该屋盖结构总平面尺寸为243 m×180 m,其中单层网壳尺寸为72 m×48 m,曲面形状通过数值逆吊找形获得。整体屋盖由56根斜柱支撑,最大跨度约为83 m,最大悬挑约为20 m,柱顶支座采用固定铰支座和单向弹性铰支座两种型式。针对屋盖结构的特点,采用数值模拟进行了静力性能分析、整体稳定性全过程分析、抗震分析及关键节点分析。分析结果表明:由数值逆吊确定的单层网壳主要通过面内路径传递荷载,同时双层部分可提供较理想的边界支撑条件,使单层网壳面内力能够可靠传递,整体结构受力合理;空侧设置20个单向弹性铰支座能够调节刚度不均匀引起的扭转效应,同时能够较好的释放温度变形,降低结构温度应力;为确保安全,在进行整体稳定性全过程分析时,考虑了多种初始缺陷模态及温升的不利影响,屋盖结构整体稳定性安全系数为2.88;罕遇地震作用下,单层网壳具备较高的安全储备,杆件损伤主要发生在网格高度较大的双层区域及悬挑区域,且塑性发展程度较低;单层网壳和单、双层网壳过渡区的关键节点具备适宜的安全储备,满足强节点的设计原则。
  • CADG工程实践
    范重, 杨开, 刘涛, 赵长军, 陈巍, 胡纯炀, 张宇, 李劲龙, 霍文营
    建筑结构学报. 2023, 44(09): 27-39. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0830
    厦门白鹭体育场巨拱跨度为360 m,向外侧倾斜22°,东、西两侧巨拱不对称,受力形态复杂。场芯椭圆长轴与短轴之比接近2.0,最大高差将近45 m,无法满足传统轮辐式索结构的成形要求。为了解决该问题,巨拱采用矩形截面管桁架,并通过将相邻巨拱拱脚承台连为整体等综合措施增强抗推能力。采用刚性撑杆代替部分受压下径向索,形成索-撑杆混合结构体系,并研发了带关节轴承销轴的索夹节点。分析结果表明:巨拱承担63.75%的竖向荷载,弹性屈曲因子大于10,弹塑性屈曲因子为5.9;在竖向荷载、风荷载与多遇地震作用下,巨拱的变形均较小,具有较好的刚度与稳定性;在罕遇地震作用下,巨拱基本保持弹性状态,东、西巨拱在各自的倾斜方向出现较小的残余变形;场芯轮辐式索结构采用分体模型和整体模型两阶段找形方法,可以显著减少计算工作量,加快收敛速度,成形态内环竖向坐标以及索、杆内力变化均匀连续;径向索、刚性撑杆以及环向索分别失效后,节点位移与杆件内力发生突变,经过一段时间震荡后逐渐趋于平稳,结构不会发生连续倒塌。
  • CADG工程实践
    杨开, 范重, 刘学林, 樊泽源, 陈文渊, 霍文营, 王程, 尹胜兰, 王义华, 朱丹
    建筑结构学报. 2023, 44(09): 40-50. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0829
    上海中银金融中心采用巨型支撑-框架-核心筒结构体系,南、北塔楼平面均为狭长的平行四边形,弱轴方向的刚度与强轴方向的相差悬殊;塔楼上部单侧悬挑长度27 m,结构存在偏心;双塔距离较小,对风荷载取值影响显著。通过静力分析与动力弹塑性分析研究单侧悬挑塔楼结构的力学特性,其中双塔风荷载体型系数与风振加速度由风洞试验确定。分析结果表明:立面巨型支撑可以显著提高结构的侧向刚度,明显减小层间位移角和扭转位移比;塔楼悬挑锥体一侧的弹塑性变形显著大于另外一侧的,故非对称结构需要在正、负两个方向进行地震激励;通过对南、北塔楼进行罕遇地震作用下的相对位移分析,最终确定悬挑锥体尖点之间的距离为1.5 m;南、北塔风荷载互相影响,对于狭长平面的塔楼,当长边为迎风面时,风荷载与顺风向风振响应均较大,背风侧塔楼风荷载效应显著减小;当短边方向为迎风面时,横向风振效应较为显著;提出的筏板双向多排钢筋与钢管混凝土钢柱的连接构造以及巨型支撑-角柱节点,两连接形式传力可靠,适用性强。
  • CADG工程实践
    孙海林, 王海波, 田宇, 霍文营, 余蕾, 杨永睿, 陆颖, 施泓
    建筑结构学报. 2023, 44(09): 51-61. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0873
    贵阳某超大型复杂体育商业综合建筑的大跨度悬挑罩棚,最大悬挑长度83.2 m。为了明确其受力机理及性能,对若干设计要点开展研究。根据建筑效果、施工条件及材料用量等多角度多方案比选,对结构体系下部采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,悬挑罩棚采用空间悬挑桁架与环桁架结构,经验算受力与变形均满足要求。对整体结构的地震行波效应进行了分析,设计最终采用视波速1 100 m/s下的影响系数作为各层的地震作用放大系数。通过结构抗震性能化设计,对关键构件的性能目标予以加强,并对罕遇地震作用下结构的弹塑性性能进行验算,结果均满足要求。对罩棚进行整体稳定性研究,通过对整体模型进行线弹性屈曲分析,得到了竖向平面桁架杆件的计算长度系数,并补充采用直接分析法所得的结构受力状态,进行包络设计;通过考虑双非线性的屈曲分析,对结构的塑性发展进行研究。结果表明,结构塑性发展顺序合理,具备一定的安全储备。为考虑偶然荷载作用下,传力路径上发生重要构件失效的工况,采用拆除构件法研究了罩棚抗连续倒塌的能力,得到罩棚结构具备可靠的备用传力路径,满足设计要求。结合实际施工方法,对结构进行了相较一次成型态的分区分步施工模拟分析,得到主体结构的竖向位移与最大应力差异较小,施工方案可行。
  • CADG工程实践
    任庆英, 张晓萌, 刘文珽, 王佳琦, 王勇鑫, 郝家树, 杨潇
    建筑结构学报. 2023, 44(09): 62-71. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0822
    针对盒子结构无配套剪力墙的现状,提出带肋空心双板剪力墙,通过对5片不同墙肋宽度、厚度、是否布置横向肋的墙体进行低周反复荷载试验,研究了改进墙肋尺寸对此种墙体的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、强度退化、刚度退化及耗能能力等抗震性能指标的影响。研究表明:所有墙体抗震性能较好,不同改进墙肋的构造措施均可一定程度缓解墙体的破坏程度,提高墙体的承载能力及延性,延缓裂缝的出现,其中增加横向肋是最为有效提高墙体抗震性能的方法;钢筋与混凝土之间能够协同工作,具有良好的变形协调性能。