Finite element model updating for large span spatial steel structure considering uncertainties

In order to establish the baseline finite element model for structural health monitoring,a new method of model updating was proposed after analyzing the uncertainties of measured data and the error of finite element model.In the new method,the finite element model was replaced by the multi-output support vector regression machine(MSVR).The interval variables of the measured frequency were sampled by Latin hypercube sampling method.The samples of frequency were regarded as the inputs of the trained MSVR.The outputs of MSVR were the target values of design parameters.The steel structure of National Aquatic Center for Beijing Olympic Games was introduced as a case for finite element model updating.The results show that the proposed method can avoid solving the problem of complicated calculation.Both the estimated values and associated uncertainties of the structure parameters can be obtained by the method.The static and dynamic characteristics of the updated finite element model are in good agreement with the measured data.

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。

预应力在我国大跨度结构中的应用研究综述

为了提高大跨度结构的正常使用性能,通常在混凝土结构中施加预应力.结果表明,预应力混凝土结构具有更好的使用性、耐久性和大跨度适用性,其中预应力混凝土空心板结构在不显著降低承载力和刚度的前提下明显减小结构自重,预应力型钢混凝土梁(板)结构采用较小的截面尺寸即可满足承载力和刚度的需求.开发城市地下空间是解决城市用地紧张的有效手段,我国地下大跨空间常用的结构形式主要包括密排框架(肋梁)结构、折板或拱形结构、变截面(加腋)板结构、预应力混凝土结构、型钢-混凝土组合结构和Y形柱结构6种形式,相比之下,跨度较大时宜采用预应力结构.

湖北省科技新馆结构设计

湖北省科技新馆为大跨度、大悬挑的复杂高层结构。利用4个电梯井筒布置了由矩形钢管混凝土柱+钢支撑(钢板墙)组成的4个筒体巨柱,巨柱支撑着由4榀斜拉长悬臂跨层钢桁架组成的巨梁,形成新型大跨巨型钢框架结构体系。4个筒体巨柱内采用BRB+摇摆耗能墙的新型联合减震方案以减小地震作用;4榀巨梁内设置斜拉索以减小大悬挑区域的竖向变形;中庭沉浸影院采用新型的“上挂下支”的双曲面网壳结构体系,采用了内衬圆钢管的相贯焊节点保证网壳节点的刚性连接。进行了BRB+摇摆耗能墙大震下的减震分析、桁架与柱连接复杂铸钢节点的有限元分析及节点试验、3层和4层大悬挑角部的舒适度分析及人致振动实测及长悬臂结构的低周往复荷载试验。结果表明:湖北省科技新馆结构体系布置合理,各部分满足设计要求。

基于无人机及YOLOX视觉算法的大跨度钢结构吊装过程位移监测

在大跨度钢结构吊装施工过程中,节点位移及结构变形关系到吊装施工的安全和质量。对于传统接触式监测方法存在的耗时、耗力且维护费用高等问题,提出了一种以无人机为载体的非接触式监测方式。首先,针对大跨度钢结构吊装过程中无人机近距采集视角受限的问题,采用Harris图像拼接算法进行全景拼接,并与图像加权融合相结合,消除图像拼接中产生的不利光标及拼接缝,实现整体、高精度的大跨度结构图像的无缝拼接;其次,采用加入卷积块注意力机制(convolutional block attention module, CBAM)的YOLOX视觉算法解决复杂背景下不同像素面积的小目标图像识别、坐标提取和位移监测;最后,对四种不同检测模型进行对比评估,并通过对比实验室不同工况试验和实际工程验证该方法在施工环境下对大跨度钢结构测点位移监测的可行性。试验结果表明,加入CBAM注意力机制的YOLOX检测模型的平均精度及置信度均优于其他三种网络模型,且视觉识别的位移信息与Leica全站仪的误差均在亚毫米级内,满足实际工程精度的要求,实现了复杂背景下的小目标位移监测,具备较高的经济效益和广泛的应用前景。

水滴形大跨钢屋盖结构风洞试验和风振分析

自然风经过大跨结构时,由于结构屋顶形状不规则,通常会引起柔性屋面的振动,因此针对大跨屋面结构抗风设计需要考虑风压分布和风振响应。以陕西省水务集团矿泉水生产车间为工程背景,制作了1∶200的刚性模型,通过刚性模型风洞试验测得该水滴型大跨钢屋盖结构的表面风压,研究了屋盖表面典型测点及整体的风压分布规律。基于风洞试验数据,对结构进行风振时程分析,得到了屋盖表面的风振响应和风振系数。结合刚性模型风洞试验和风振分析,深入研究了水滴形大跨屋盖结构的风压分布规律和风致振动特性,并总结了其共性规律。

大跨度钢结构预应力拉索动态监测方法及应用

以河湖治理研究基地项目太湖试验厅工程大跨度空间预应力拉索钢结构为例,采用磁通量索力测试方法对结构索体索力进行了测量及动态监测,指导现场预应力张拉施工,并与预应力拉索有限元模拟索力进行对比分析,复核有限元模拟和实测索力偏差是否在可控范围内,对索力进行安全复核和预应力损失复核。该方法可适用于各种大跨度结构的索力监测。

焊接空心球连接H型钢Z字形螺栓节点静力性能研究

提出了一种新型焊接空心球连接H型钢Z字形螺栓节点(新型螺栓节点),该节点适用于全装配大跨度弦支穹顶结构体系上部网壳连接。该节点的弦杆采用热轧H型钢,方便栓接、施工便捷、制造能耗低,可以实现部品部件到体系的标准化。为了研究新型螺栓节点的静力性能,对该节点进行了轴压、轴拉、纯弯和压弯荷载工况下的有限元分析,研究了该节点在不同荷载工况下的破坏模式、承载力、刚度、延性等力学性能指标,对比分析了新型螺栓节点与焊接空心球连接H型钢焊接节点(焊接节点)的破坏模式和静力性能。研究表明,在轴压和压弯荷载下新型螺栓节点和焊接节点的极限破坏模式均为H型钢弦杆局部屈曲和屈服,在轴拉荷载下新型螺栓节点和焊接节点的极限破坏模式均为H型钢弦杆全截面屈服,在纯弯荷载下新型螺栓节点和焊接节点的极限破坏模式均为H型钢弦杆局部屈曲。新型螺栓节点可以实现塑性铰远离焊缝和拼接区,符合“强连接,弱杆件”的设计要求。

襄阳东站钢屋盖超多杆连接节点设计与足尺模型试验研究

襄阳东站屋盖南北向长358m,东西向最大跨度86m,采用焊接球钢网架,整体不设变形缝,南端开设瀑布造型大洞口,由于屋盖结构超长、不连续、大悬挑及瀑布造型使得钢屋盖空间受力十分复杂,特在分叉柱柱顶沿南北向设置加强杆以加强屋盖瀑布区洞口两侧边缘约束刚度及改善结构整体受力性能。钢屋盖瀑布区悬挑端分叉柱柱顶节点相连杆件达12根之多,该节点作为屋盖结构的关键节点,其受力状态尤为复杂,创新地采用了半铸造半相贯焊连接形式并采取了构造加强措施,针对该超多杆连接节点进行了足尺模型加载试验验证,详细介绍了试验加载装置、加载方案、试验现象及试验结果,并进行了有限元对比分析。结果表明有限元对比分析结果与加载试验吻合较好;该超多杆半铸造半相贯焊连接节点构造合理、承载力高,薄弱部位出现在与铸造本体相连的接长钢管上,满足强节点弱构件、强连接弱构件的设计要求。

大跨度钢结构多点吊装实时结构监测

在大跨度钢结构的吊装施工过程中,易发生工程事故。而传统的监测方法适用范围小,难以协调监测和控制施工,会导致出现许多问题,基于此,建立大跨度钢结构多点吊装结构监测方法。通过采集监测数据,实时输出大跨度钢度结构的挠度、应力、应变、风力和温度等,实现实时监测,确保吊装过程的安全。试验结果表明,对大跨度钢结构进行复合监测可以实现实时监测,且已知最大变形均发生在大跨度钢结构的中线处;人工检测与实时结构监测系统误差范围较小,平均值为2.1%。

大跨扶梯钢桁架结构现场加载试验与分析

某商场自动扶梯大跨度钢桁架结构需要检测其在正常使用极限状态下的挠度与应力,该钢桁架水平跨度47.9 m,仅在两端设有支座,整体悬空且最高处离地面35 m。现场难以采用直接堆载方式加载,故提出一种空间加载系统。在桁架节点处悬挂精轧螺纹钢筋,以地下室楼板作为反力装置,利用千斤顶完成加载。首先对加载系统进行承载力、整体稳定及局部稳定验算,采用SAP2000有限元软件对地下室梁板结构进行验算,发现竖向拉力会导致原结构梁板开裂,因此选择在板上堆载的方式以减少拉力对原结构的影响。现场试验结果表明,该加载系统对原地下室梁板结构未造成损害,钢桁架实测挠度和应力情况与原结构设计计算相符。

武汉光谷电竞馆建筑结构一体化设计与分析

武汉光谷电竞馆采用框架-剪力墙结构体系,为了实现荷载传递,结构中局部使用了钢斜撑、吊挂、托柱转换等结构形式。由于比赛大厅及建筑造型的影响,6层和屋面均采用大跨度钢桁架结构。建筑折面外表皮钢网格结构与主体结构采用一体化设计,从而达到结构与建筑形态的统一协调。本工程属于特别不规则的高层结构,运用多个计算软件对结构进行了静力弹性分析、弹性时程分析、中大震下的等效弹性分析和大震弹塑性分析。各项计算结果对比分析表明,结构满足预定的C级性能目标。最后,给出了本工程结构所采用的施工阶段分析步骤,并介绍了6层大跨度钢桁架典型支座节点设计、外表皮钢网格结构与内部混凝土结构的连接节点设计。

基于随机异步性的大跨度钢连廊整体提升施工过程分析研究

针对扬州某科技园大跨度钢连廊高空整体提升施工进行模拟分析,提出实际吊装过程中可能出现的提升节点异步性问题,并针对提升节点不同步的问题,利用有限元软件SAP2000模拟分析连廊在提升过程中的随机异步性在提升、加固施工过程中的随机异步性,根据相关规范与实际施工状态对模拟参数进行取值,利用模拟数据得出吊点之间的随机偏移。分析结果可知:在实际施工过程中,应注重钢绞线的选择,对提升节点进行提升前预起拱等施工操作,同时精细化操作提升机械,尽力减少节点随机异步性的影响。

大跨径公路桥梁钢结构吊装施工技术

为提高大跨径公路桥梁钢结构承载力,促进工程整体施工质量提升,保障施工安全,以某大跨径公路桥梁建设项目为例,开展对其钢结构的吊装施工技术设计研究。根据工程基本条件,计算起吊荷载,并根据计算结果完成对卸扣、吊耳的选型。为确保吊装时的安全,增设吊装临时支墩体系,并在施工中完成对该结构的基础处理。正式吊装前,必须对大跨径钢盖梁结构试吊装,并根据试吊装效果,确定正式吊装方案,完成吊装。通过对新吊装施工技术的应用效果分析得出,该技术的应用可以有效提高钢结构的承载力,促进施工整体质量的有效提升。

南京某文娱中心大跨空间钢结构设计

南京某文娱中心为造型复杂的大跨空间钢结构体系,由异型屋面、超高排架柱和高大抗风幕墙构成。为满足屋面建筑造型和屋顶排烟等需求,提出了双向变高度的折板网架屋盖结构形式,最大限度降低了二次找坡的用钢量。基于可视化编程平台Grasshopper,通过分区处理的方式实现了屋盖的参数化建模,后导入3D3S进行结构分析和设计,结果表明该屋盖整体刚度较好,满足设计要求。屋盖下方采用25根无侧向支撑的超高排架柱提供支承,针对柱高10~60m的情况,对比了混凝土柱、四肢钢管格构柱、四肢钢管混凝土格构柱在截面、成本和功能等角度的差异,最终确定采用经济性和功能均较好的四肢钢管格构柱。根据不同区域特点,将抗风幕墙分为落地幕墙和吊挂幕墙,探讨了它们与主体结构的连接方式,并针对落地幕墙进行了平面桁架、立体桁架和实腹箱形柱3种幕墙结构方案的比选,最终采用成本最低的平面桁架方案。

南昌文体中心大跨度重型钢结构桁架设计关键问题分析

南昌文体中心项目采用大跨度重型钢结构桁架实现了最大99m的无柱空间。为了阐述大跨度重型钢结构桁架的设计思路,考察设计、施工中各因素的影响,通过理论分析和数值模拟细致地讨论了涉及的关键问题,包括杆件布置、支承条件、关键节点构造、施工过程的影响等。结果表明:腹杆布置形式对弦杆内力的影响较小;重型桁架两支承端的连接处理至关重要,应注意保证弦杆轴力在极限承载状态下的有效传递,并弱化弯矩的影响;整体提升施工方案对结构内力分布影响较大,“后激活”部分杆件的方法可以考虑提升过程中桁架端面的转动效果,更为准确地体现施工过程的影响。

屋盖大跨度钢梁安装施工关键技术分析

清华大学新土木馆屋盖为大跨度钢梁,采用大型起重机械高空吊装的施工技术。屋盖钢结构受场地条件影响较大,故采用高空吊装施工,按照场地条件划分区域安装屋盖大跨度钢结构。针对该工程实际情况,采用现场拼装整体吊装的施工方法,保证屋面大跨度钢梁施工质量与安全。从起重机工况分析、钢结构吊装、测量校正、钢结构焊接等方面对钢结构施工进行研究,得出适用于大跨度钢结构施工方案。

基于静力荷载试验的大跨度钢连廊承载力评价研究

针对大跨度钢连廊因制造误差、焊接残余应力以及安装误差等原因会造成实际承载能力较理想设计模型存在偏差的问题,本研究以扬州建工科技园A2~A3双塔楼间连廊作为研究背景,根据《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018和《城市桥梁检测与评定技术规范》CJJ/T233-2015利用蓄水法作为静力荷载对连廊进行静载试验,对其承载能力进行研究,结果证明该连廊符合安全性要求。

某博物馆大跨钢空腹夹层板屋盖设计

以湖北省天门市某博物馆的大跨度钢空腹夹层板楼盖为实例设计,介绍了钢空腹夹层板的设计方法和结构布置,基于YJK模型和SAP2000模型分析了实用计算方法和壳单元有限元模型计算结果的变形和受力的差异及其原因,对比研究了传统方管剪力键和新型十字剪力键在空腹夹层板结构中的受力表现。结果表明,本工程中实用方法与壳单元有限元模型计算得到的挠度结果吻合性较好,实用方法难以考虑次弯矩,会导致受压板件的计算应力较壳单元有限元模型明显偏小;剪力键的构造对结构受力有一定影响,新型十字剪力键连接的弦杆应力较方管剪力键略小,应力集中情况在一定条件下更缓和;通过增加部分加劲肋板,可以减小支座端应力。

机场大跨度空间钢结构拆建方案模拟优化与监测技术研究

以南充机场大跨度空间钢结构为例,基于MIDAS有限元软件,建立仿真分析模型,进行施工全过程模拟仿真计算分析,得到影响结构施工安全的应力、应力和变形等关键因素;并根据计算结果优化方案,指导拆装、加固和施工全过程;然后运用智能监测技术,实现数据实时监测与预警。结果表明:通过拆除与加固施工优化及设计,直接降低加固量约50%;施工全过程仿真模拟结合智能监测技术,可有效提高机场大跨度钢结构施工的安全性。研究成果对机场大跨度空间钢结构施工安全及方案优化具有一定的参考作用。