西安城市展示中心长悬挑、大跨度钢结构设计

西安城市展示中心由南馆、北馆和连桥组成,其中南馆悬挑长度62m,连桥跨度150m。结合建筑方案特点,南馆与连桥采用整层钢桁架结构体系,结构布置与建筑形态高度契合。介绍了南馆、连桥、穹顶、屋面等位置的结构布置情况,明确了超限项和抗震性能目标,对于多杆件复杂交汇钢节点进行有限元分析。针对南馆、连桥屋楼盖振动舒适度不足,设计布置了调谐质量阻尼器(TMD),实测减振效果显著。对连桥提升过程进行施工模拟,结果表明该过程增加了连桥挠度,需要考虑提前起拱。对超长连体结构温度和地震行波效应进行分析,根据结果对连桥楼板配筋和局部框架柱进行了加强。大震弹塑性分析与防连续倒塌分析结果表明,结构满足“大震不倒”的性能目标,结构冗余度较高,具有良好的防连续倒塌能力。

基于BIM技术与模拟退火算法的村镇轻钢框架结构智能设计方法

传统村镇住宅结构设计需要进行大量的人工试算与重复建模,而受制于建设成本,村镇住宅无法像城镇住宅一样通过设计师进行专业的结构设计与验算,其安全性与经济性均难以满足要求。为此,提出一种村镇轻钢框架结构智能设计方法,包括智能建模与智能优化两个环节。基于图层自动识别算法、光学字符识别技术、自适应分块算法提出村镇轻钢框架结构BIM智能建模方法,包括图层识别、轴文本数据提取、墙体轮廓提取等,智能建模结果基本满足实际工程要求。基于提出的两阶段模拟退火算法给出村镇轻钢框架结构的智能优化方法,优化速度较快,优化效果良好。通过实际工程案例对提出的智能设计方法进行验证,结果表明,提出的村镇轻钢框架结构智能设计方法具有可行性,与传统的人工设计方法相比,设计周期可缩短70%以上,材料用量、结构设计指标接近人工设计结果。

大跨度钢桁架结构卸载模拟及监测技术研究

以江苏省盐城黄淮湿地博物馆钢桁架结构卸载施工为背景,旨在通过有限元技术及基于多传感器融合的现场监测技术研究大跨度桁架结构卸载施工关键技术。研究结果表明:有限元计算结果能够获取卸载施工过程中的关键要素,为后续监测方案的设计提供参考。后续的监测结果表明,有限元方法对位移的计算结果可靠性要高于应力,与实际情况更加接近;基于多传感器融合的监测方法能够提高监测结果的准确性和远程监控效果,为桁架结构的安全性和可靠性提供了有力支撑。研究结果可为大跨度钢结构建筑的施工提供参考。

大跨度钢桁梁桥智能建造技术应用的可行性研究

大跨度钢桁梁桥的构件制造及拼装复杂,采用场内预制组装仍需消耗大量的人力、财力及工期。因此,本文采用BIM桥梁建模、三维激光扫描和虚拟预拼装技术,进行了基于BIM技术的施工方案模拟的可行性研究和基于BIM技术与三维激光扫描方法结合的构件加工质量检测研究,并在此基础上进行了基于BIM技术与三维激光扫描方法结合的虚拟拼装技术研究,探索了大跨度钢桁梁桥智能建造技术应用于指导工程实施的可行性。

钢支撑-钢筋混凝土掉层框架结构抗震性能试验研究

为改善坡地钢筋混凝土(RC)掉层框架结构抗侧刚度分布的不均匀性,设计了一栋在上接地层设置钢支撑的RC掉层框架结构,按1/4比例提取其顺坡向中榀框架下部5层子结构为试验对象,开展钢支撑-RC掉层框架拟静力试验,观测试件的破坏过程,并对比RC掉层框架试验所得试件的破坏形态,分析试件滞回性能、延性和刚度退化等抗震性能指标。结果表明:试件的最终破坏是以第4层柱底混凝土压溃,梁端混凝土剥落、底部钢筋断裂,顶层柱顶混凝土剥落为标志。与RC掉层框架试验结果相比,钢支撑-RC掉层框架试件上接地柱的破坏明显减轻,柱端破坏分布也更为均匀,避免了掉层框架结构“半层破坏模式”的出现,改善了结构的耗能和抗地震倒塌能力。但试件上接地层相邻上一层的变形和破坏程度较大,应对该楼层的柱端进行适当的抗震加强;设置钢支撑后,试件的滞回曲线较为饱满,并具有良好的延性(正、负向加载的位移延性系数分别可达5.13、5.69),正负向加载的刚度退化曲线也趋于对称。

切削速度对某新型易切削钢切屑形态及加工表面形貌影响

为了明确切削速度对某新型易切削钢切屑形态及加工表面形貌的影响规律,开展了不同切削速度下某新型易切钢的切削试验,研究切屑形态和已加工表面形貌并分析其产生原因。结果表明:宏观上,在切削速度大于150 m/min时,该易切削钢切屑以短管螺旋状为主,当切削速度小于150 m/min时,切屑以发条状和破断弧形为主,形成锯齿形切屑的临界切削速度大约在200 m/min;切削速度影响切屑底面形貌,在低速切削时,切屑底面较多大小不一的撕裂状凹坑、沟槽,当切削速度增大至200 m/min时,能够形成表面较光滑的切屑底面;低速切削该易切削钢时,工件表面粗糙度较大,3D形貌显示波峰高度、波谷深度也均较大,随着切削速度的增加,粗糙度减小,3D形貌亦趋于平缓。

微合金化低碳马氏体钢的显微组织及力学性能

制备了钛、铌和钼等元素掺杂的微合金化低碳马氏体钢,并对其进行热轧+880℃淬火+不同温度(170,190,210,230,250℃)回火处理,研究了不同热处理态试验钢的显微组织、拉伸性能和冲击性能,以190℃回火态钢为例分析了强韧化机制。结果表明:热轧态试验钢由铁素体和贝氏体组成,淬火态试验钢由铁素体和马氏体组成,不同温度回火态试验钢均由回火马氏体和少量铁素体组成,回火态试验钢的铁素体面积分数在15%~20%,低于热轧态和淬火态;淬火态试验钢的抗拉强度和布氏硬度最高;随着回火温度升高,回火态试验钢的抗拉强度和布氏硬度下降,断后伸长率、屈服强度和冲击吸收功均先增大后减小;190℃回火态试验钢的断后伸长率和冲击吸收功最高,拉伸断口和冲击断口处纤维区中韧窝占比最高,抗拉强度、布氏硬度和屈服强度适中,综合力学性能最好;190℃回火态试验钢中析出的纳米级小尺寸(Ti,Nb,Mo,Cr)C相起到沉淀强化作用,纳米级大尺寸(Ti,Nb,Mo,Cr)C相起细晶强化作用,大角度晶界占比较高,提高了裂纹扩展功,因此试验钢强度和韧性提高。

波形钢腹板梁焊接残余应力分布及试验验证

为研究波形钢腹板梁焊接残余应力的分布规律,通过有限元软件建立其三维热弹塑性模型,利用热-力耦合分析技术对其焊接温度场和应力场进行有限元数值仿真,采用双椭球体热源和修改单元材料属性的方法实现能量输入和焊缝填充,并将模拟计算结果与实测值进行对比分析.结果表明:有限元预测的波形钢腹板梁残余应力分布与实测结果具有相同趋势,在波形钢腹板梁焊缝的弯折角处,残余应力发生一定幅度的连续应力波动;底板和腹板的残余应力峰值均出现在焊缝中心区域,其值分别为材料屈服强度的1.30倍和1.26倍;底板纵向残余拉应力在焊缝中心线两侧78 mm范围内急速下降后缓慢过渡为压应力,在底板较窄一侧压应力线性增大,最大值约为材料屈服强度的0.61倍;在底板较宽一侧压应力线性减小,并在边缘处转化为拉应力;焊接速度对残余应力分布扰动不大,而对残余应力峰值影响较显著;当焊接速度从150 mm/min增加至250 mm/min时,横向和纵向的残余应力最大值分别增加了27.11%和5.88%.

高填方大直径钢波纹管涵变形机制与控制技术研究

目的 研究高填方大直径钢波纹管涵变形机制与控制技术,解决其结构变形过大的问题。方法 基于管道压缩变形公式,提出在管涵两侧一定范围内填筑水泥土材料的新技术;通过室内试验确定水泥土材料中最优水泥质量分数,再基于数值模拟和现场试验分析采用新技术施工的管涵结构的受力及变形特征及其上部竖向土压力分布规律,确定最优管侧填筑范围。结果 新填筑技术能充分利用水泥土的刚度限制管涵的变形,当管涵两侧2/3管径范围内采用水泥质量分数为8%水泥土回填时,管涵的最大竖向及水平变形分别减少了35.1%和55.0%,结构最大应力也由管顶处转移至管涵上部45°附近,受力更为合理。结论 新填筑技术使管涵更好地与周围土体逐步变形协调,产生荷载重分布形成土拱效应,将管顶土压力由管中心向管边缘处转移,有效减小了钢波纹管涵结构变形和应力集中。

配筋PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料梁柱边节点抗震性能试验研究

改善工程材料韧性和耐久性,提高框架梁柱节点抵抗变形和破坏的能力,是提高框架结构抗震韧性的有效途径之一。采用PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料代替普通混凝土应用到梁柱边节点,考虑轴压比和加密区体积配箍率的影响,设计6个配筋PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料、1个配筋单掺PVA纤维增强水泥基复合材料和1个钢筋混凝土梁柱边节点试件进行拟静力试验,分析其破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、钢筋应变和梁端塑性铰区转角,探讨混杂纤维的加入对梁柱边节点抗震性能的影响。结果表明:与钢筋混凝土节点和单掺PVA纤维增强水泥基复合材料节点相比,PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料节点的承载力高、变形能力大、延性好、耗能能力强,抗震性能显著提升。当试验轴压比从0.12增加到0.24,梁端塑性铰区产生一定的外移,塑性性能发挥更充分,同时试件的变形能力、延性、耗能能力增加。在加密区体积配箍率减小的情况下,试件仍表现出良好的抗震性能。

开口断面钢-混结合梁悬索桥颤振特性及颤振形态研究

为准确评估开口断面双边箱钢-混结合梁悬索桥颤振性能和多模态参与效应,以典型的钢-混结合梁悬索桥——怀化洞庭溪沅水特大桥为背景,开展风洞模型试验及数值分析。制作加劲梁节段缩尺模型并进行风洞试验,测试原桥梁结构的颤振性能,分析调整阻尼比、采用气动措施及结构措施对结构颤振特性的影响,采用三维和二维两种颤振分析方法分析设置中央扣结构的颤振模态及多模态参与效应。结果表明:该钢-混结合梁悬索桥存在较明显的颤振起振点,且颤振是以扭转为主的弯扭耦合振动,同时其扭转和竖向振动存在较大的相位差(相差近180°);节段模型风洞试验与三维和二维颤振分析一致得到设置中央扣后,频率较高的正对称扭转模态先于反对称模态发生颤振,且三维与二维颤振分析结果相差不大。

某东南沿海电厂钢结构腐蚀影响因素分析

目的 对比腐蚀环境因子分布和钢结构腐蚀事件分布,分析影响火力发电厂钢结构腐蚀的主要环境因素,探讨火力发电厂钢结构腐蚀的机理。方法 以东南沿海某火力发电厂为例,对电厂厂区进行网格化,利用便携式温湿度计进行逐网格温、湿度监测,逐网格收集结构物表面灰尘,并分析其中氯离子、可溶盐、酸碱含量等,开展腐蚀环境监测。统计从2012年至2022年10年间该电厂每一网格内的腐蚀防护工程,如腐蚀防护器件、装备、材料购置等项目的施工或应用次数。结果 温度、湿度及钢结构表面灰尘中氯离子含量、可溶盐含量、灰尘浸渍水p H等因子受海洋环境、厂区结构分布、生产活动多重原因的影响,随距海距离增加呈带状分布,或围绕生产设施点呈辐射分布。结论 环境因子对钢铁结构腐蚀的影响大小顺序为结构物灰尘含盐量>结构物灰尘浸渍水p H>相对湿度>结构物灰尘氯离子含量>温度。电厂钢结构腐蚀机理为雨水或大气凝结水溶出结构物表面灰尘的可溶性盐,含盐水经涂层缺陷输运至金属表面,成为钢铁腐蚀原电池的离子导路,导致钢结构发生电化学腐蚀。

工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能影响的试验研究

为了研究工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁(大截面PEC梁)受弯性能的影响,对5根不同构造的大截面PEC梁进行了静力试验,研究了两点加载下主次梁腹板开洞方式对大截面PEC梁试件受弯性能、延性、破坏模式等的影响规律。结果表明:静力荷载作用下,各个试件均表现出良好的延性,腹部开孔对试件承载力和截面刚度有一定的削弱作用。型钢主钢件的应变与混凝土的应变沿截面高度方向均大致呈线性变化,符合平截面假定。按《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》(T/CECS 719—2020)计算得到的开工艺孔的大截面PEC梁抗弯承载力与试验值误差较小,受尺寸效应影响不大,所采用计算公式安全可靠。

基于工业基础类标准的钢结构BIM全数据交互技术

研究了适用于各类钢结构的基于工业基础类标准(IFC)的全数据交互技术,可以导出钢结构模型完整的几何信息与附加属性,使通用建筑BIM软件能够进行模型信息读取并编辑其中的参数化构件;可以将模型全信息导入钢结构主流详图设计软件Tekla进行解析并重生成结构模型,实现模型二次编辑与施工出图。经工程实例验证,该成果应用于钢结构建筑信息模型(BIM)数据交互时信息传递完整、模型转换质量高,避免了钢结构不同设计阶段的重复建模,极大提升了设计效率。

三种新型钢结构体系研究

传统粗放型建造方式存在环境污染、耗能过大等问题。近年来,建筑行业正向绿色节能方向转型,推动钢结构建筑的发展是实现这一转型的重要方法和必由之路。钢结构具有自重轻、强度大、易于安装等优点,根据社会现阶段发展的需求,各种钢结构体系应运而生。为促进新型钢结构体系的发展及其工程应用,结合笔者课题组近年来相关的研究方向和成果,对装配式钢结构、自适应索杆张力结构、不锈钢材料结构三种结构体系的研究进行了详细的总结与介绍。

局部半包裹部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

针对部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点区域后浇筑混凝土不易密实的问题,研究了受拉侧混凝土对局部半包裹部分包覆钢-混凝土组合梁(局部半包裹PEC梁)受弯性能的影响,进行了2根不同构造的局部半包裹PEC梁的四点弯曲试验,模拟局部半包裹PEC梁负弯矩区受力状态,对其受弯性能、延性、破坏形式等展开分析。结果表明:局部半包裹PEC梁表现出良好的延性,挠度达到l_(0)/50时截面抗弯承载力并未下降。型钢主钢件、混凝土的应变沿截面高度方向大致呈线性变化,可引用平截面假定计算受弯承载力及刚度。局部半包裹PEC梁受拉侧混凝土对其极限承载力与破坏模式影响不大,在计算局部半包裹PEC梁柱节点受力时可不考虑受拉侧混凝土作用,节点后浇筑区域可采用半包裹填充,以加快施工进度。此外,对局部半包裹PEC梁进行建模,进行梁受弯过程的有限元分析,对比模拟结果与试验结果,二者荷载-挠度曲线吻合较好,误差均在10%以内。

部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点抗震性能试验研究

为研究不同连接构造的部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点(PEC梁柱节点)的抗震性能,对2个PEC梁柱节点试件进行了拟静力加载试验,研究了低周往复荷载作用下PEC梁柱节点试件的破坏现象、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。结果表明:强轴连接PEC梁柱节点的滞回曲线呈梭形和弓形,在达到极限承载力后仍能保持一定的延性和耗能能力;弱轴连接PEC梁柱节点牛腿与梁间的焊缝处发生破坏,未展现出预期的耗能能力,PEC梁仍在弹塑性状态,没有达到极限状态;PEC梁柱节点核心区混凝土替换为加劲肋板后,试件仍具有较好的承载力、延性和耗能能力,刚度退化规律无明显变化,且强轴连接节点与弱轴连接节点刚度变化规律基本一致;PEC柱牛腿设计过短会导致焊缝连接处断裂,试件延性和耗能能力得不到发挥,剩余刚度较大。

新型分层装配式节点钢框架地震易损性分析

为提高装配式钢框架的装配效率,结合节点抗震性能要求,提出一种新型全螺栓分层装配式节点。对新型和传统两类节点进行抗震性能试验研究,并把节点参数引入整体框架模型中,采用SAP2000建立两类框架模型并进行增量动力分析。考虑基于层间位移角的单参数损伤模型和基于变形与累积耗能的双参数损伤模型,定义结构性能水准限值并划分破坏等级,对结构进行地震易损性分析。结果表明:在单、双参数损伤指标下,新型节点框架的易损性曲线都包络于传统节点钢框架的易损性曲线内,且新型节点框架的抗倒塌储备系数更大,说明采用新型节点能降低结构在各破坏状态下的失效概率,提高框架的抗倒塌能力;在LS1、LS2极限状态下结构基于单参数损伤指标的峰值加速度中位值比基于双参数损伤指标下的峰值加速度中位值小,在LS3、LS4极限状态下则相反,说明累积耗能对结构抗震性能评估影响明显,结合双参数损伤指标能更好地预测结构的损伤程度;新型节点框架在单、双参数损伤模型下的倒塌储备系数均高于传统框架,说明新型框架的抗倒塌储备能力更高,有利于结构抗震。

水工钢闸门结构应力在线监测研究

要验证水工钢闸门在运行工况下的强度是否满足设计要求,需要对水工钢闸门的结构进行应力测试。目前采用在闸门上贴应变片的方法可以近距离短时间的得到应力数据,但要想得到水工钢闸门全寿命周期的应力数据,就需要对水工钢闸门结构进行在线应力监测。本文针对水工钢闸门所处的特殊运行环境,提出了一种可长期且远距离监测应力的方案,经现场试验该方案是可行的。

热变形对CLAM钢多尺度组织的影响研究

目的明确热变形对CLAM钢多尺度组织的影响规律,进而为采用形变热处理工艺获取细小弥散的析出相提供指导。方法利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)及X射线衍射(XRD)研究了CLAM钢在不同变形温度(550、650、750、850℃)和不同变形量(30%、45%、60%)下多尺度组织的变化规律。结果当变形量一致(30%)时,CLAM钢在变形温度为550℃时达到最大位错密度(2.69×10^(15)m^(–2))与最大界面长度(19910.3μm);在变形温度为750℃时,达到最小位错密度(2.53×10^(15)m^(–2));在变形温度为850℃时,达到最小界面长度(12594.3μm)。当变形温度一致(850℃)时,CLAM钢在变形量为60%时达到最小晶粒尺寸(53.24μm)、最大位错密度(4.22×10^(15)m^(–2))和最大界面长度(20657.8μm)。结论CLAM钢在热变形过程中发生了回复,并在变形温度为850℃时发生了再结晶。当变形量一致时,随着变形温度的提升,位错回复与界面迁移加速,使位错密度及界面长度逐渐降低。但是当变形温度达850℃时,受到高温淬火的影响(淬火温度与变形温度一致),位错密度出现异常增大。通过建立变形温度与位错密度的关系模型,计算出CLAM钢在850℃下因淬火畸变造成的位错增殖为(0.53±0.09)×10^(15)m^(–2)。当变形温度一致时,随着变形量的增加,加工硬化得到提高,多尺度组织得到细化,使位错密度及界面长度逐渐增大,同时再结晶的驱动力得到增加,使晶粒尺寸逐渐减小。