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。

杭州电竞中心结构设计重难点概述

杭州电竞中心内圈主体结构采用钢框架-支撑结构,外圈采用“大倾角梭形斜柱+多段钢折梁框架”,是集承重与抗侧力于一体的结构体系,屋盖采用车辐式索承网格自平衡结构形式。详细介绍了地下结构、中央场馆结构的设计要点,门厅处利用建筑造型空间设计为多段钢折梁与跨层桁架相结合的结构形式;室内二层至三层楼面设计一浮空弧形人行桥,截面形式为薄壁钢箱梁,桥宽2.2m,跨度57m,采用“上挂下支”的稳定结构形式。对整体结构进行了静力弹性、动力弹塑性、振动台试验、典型节点有限元、整体稳定以及局部稳定等系列分析与试验。结果表明:结构在静力荷载和地震作用下强度和刚度均满足规范要求;典型节点极限承载力为荷载设计值的4.17倍;结构整体稳定性安全系数为3.79;斜柱局部稳定安全系数为2.52。合理的设计保证了结构的安全、经济和实用性。

装配式轻钢框架-轻钢骨架轻混凝土墙板结构抗震性能

为研究装配式轻钢框架-轻钢骨架轻混凝土墙板结构抗震性能,对1个足尺轻钢框架结构试件和3个足尺轻钢框架-轻钢骨架轻混凝土墙板结构试件进行了低周反复荷载下的抗震性能试验及理论分析,试件变量包括:2种装配构造,即内嵌式装配墙板、外贴式装配墙板;2种轻钢骨架轻混凝土墙板,即框架式轻钢骨架轻混凝土墙板、桁架式轻钢骨架轻混凝土墙板。研究了各试件的破坏特征和损伤演化过程,分析了结构滞回特性、承载力、变形能力、刚度退化、耗能性能和应变。结果表明:装配式轻钢框架-轻钢骨架轻混凝土墙板结构共同工作性能良好,其水平承载力相比轻钢框架提高了204.7%~210.4%,抗侧刚度提高了257.3%~512.5%,结构变形及耗能能力有显著提高;内嵌墙板的自攻钉连接构造以及外贴墙板的螺栓连接构造传力性能可靠,结构具备2道抗震防线的受力特征;基于简化塑性分析模型以及拉压杆软化桁架模型,对试件承载力进行了计算,计算结果与试验符合较好。

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。

柱脚不同连接形式钢框架-摇摆墙结构抗震性能对比分析

增设摇摆墙后框架结构地震下柱脚仍会发生一定程度的塑性损伤,将柱脚设置为铰接或提离后有望减轻上述缺陷。以三层、六层和九层钢框架为基准模型,分别建立柱脚固接、铰接及提离三种框架-摇摆墙结构模型并进行动力弹塑性时程分析,对比各结构最大侧向位移、层间位移角、峰值加速度、层间剪力、墙体剪力和弯矩等;进一步建立耗能连梁固接和铰接的对比模型,研究连梁连接方式对结构抗震性能的影响。结果表明:三层模型中柱脚固接时侧向位移、层间位移角、加速度、层间剪力及摇摆墙墙体剪力的控制效果最优,六层、九层模型中分别对应柱脚提离和柱脚铰接效果最好;摇摆墙墙体剪力图和弯矩图分别呈现“C形”和“反C形”,柱脚固接时墙体弯矩均为最小,与层数无关。柱脚固接耗能连梁两端采用固接最优,柱脚铰接和柱脚提离时耗能连梁两端采用铰接形式效果更优。此分析可为框架-摇摆墙结构进一步推广应用提供参考。

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。

预应变SMA⁃TMD对钢框架结构抗震性能影响研究

针对钢结构在地震激励下加速度响应过大的问题,介绍了一种将形状记忆合金(SMA)应用到调谐质量阻尼器(TMD)装置中的解决方案,利用SMA的特性实现有效的自复位和稳定的阻尼,将预应变SMA棒应用到TMD中,提高装置的阻尼性能。通过试验测试及有限元模拟,研究安装施加预应变SMA-TMD的钢框架抗震性能。结果表明:预应变SMA棒不仅有助于自复位,而且还能大大提高SMA-TMD的等效黏滞阻尼比;经过优化的SMA-TMD装置可以大大降低钢框架的地震动响应,并加快地震能量消耗。

四川大学博物馆结构设计重难点分析研究

四川大学博物馆采用钢框架结构体系,并设置屈曲约束支撑改善结构的抗震性能。介绍了四川大学博物馆的结构设计参数及抗震性能目标。针对结构设计中的重难点,开展了屈曲约束支撑的工作机理分析、框架柱计算长度与穿层柱分析、东侧大悬挑空间的相关分析。利用反应谱分析及时程分析探究了屈曲约束支撑工作机理,分析结果表明,屈曲约束支撑能够有效改善钢结构产生塑性铰的状况,起到保护主体钢框架的作用。针对东侧大悬挑空间的功能要求,设计采用了屋顶桁架结合钢拉杆吊挂东侧大楼梯的结构形式,通过结构防连续倒塌分析、楼板应力分析、楼盖舒适度分析、关键节点有限元分析等确保该部位结构设计安全合理。对整体结构受力机理和薄弱部位进行了研究,提出了重点部位的设计原则和加强措施。

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。

基于新型耗能板提升钢框架节点抗震和抗连续倒塌能力

针对全焊节点在地震和连续倒塌条件下有限的抗倒塌能力,该文基于新型耗能板对其进行改进提升。首先通过试验、数值模拟和理论分析相结合的方法揭示了新型耗能板在单调荷载和循环荷载作用下的力学性能;进而通过新型耗能板与节点在地震作用和连续倒塌条件下的协同作用,给出了新型耗能板节点的设计方法。结果表明:新型耗能板在单调和循环荷载作用下的力学性能不同,在单调荷载作用下表现为受拉破坏,在循环荷载作用下表现为剪切破坏;通过算例分析表明,新型耗能板节点的抗震与抗连续倒塌设计方法是合理的;新型耗能板全焊节点在地震和连续倒塌条件下主要经历双塑性区域形成阶段和硬化阶段,其中新型耗能板全焊节点的抗震和抗连续倒塌性能的差异主要体现在硬化阶段;新型耗能板的增加可同时有效提高全焊节点在地震和连续倒塌条件下的承载力、变形和耗能能力。

基于多水准的高强钢框架-D形偏心支撑结构层剪力分布研究

高强钢框架GD形偏心支撑结构中耗能梁段采用Q355钢,非耗能构件(即框架梁和柱)采用高强度钢材,形成一种新型结构体系.耗能梁段在结构遭遇罕遇地震时充分发挥塑性变形耗能,保护高强钢框架处于弹性受力状态,高强钢框架GD形偏心支撑结构由于在塑性状态下结构刚度发生改变,其层剪力分布模式不再符合基于强度的设计理论,因此,本文研究了高强钢框架GD形偏心支撑结构在多水准地震动状态下的层剪力分布模式.本文设计了四种不同层数(4层,8层,12层和16层)和三种不同耗能梁段长度(900mm,1000mm和1100mm)的高强钢框架GD形偏心支撑结构,输入40条近场脉冲地震和40条远场地震记录,得到结构在多遇地震、设防地震、罕遇地震以及极罕遇地震下的层剪力分布模式,并对罕遇地震下的层剪力分布模式进行参数标定,获取塑性状态下结构的弹塑性侧向力分布状态.

木结构墙体空气声隔声性能

【目的】研究全频段范围内木结构墙体空气声隔声性能,明确限制常规构造木骨架墙体隔声性能的瓶颈,揭示设置隔声垫层、改变骨架类型、设置窗体等设计参数对墙体隔声性能的影响规律,提出高空气声隔声等级的木结构墙体体系,为木结构墙体在装配式建筑中的高效应用提供技术支撑。【方法】通过小尺寸材料层面的阻抗管法试验,比较分析60~6300 Hz频率范围内工业级弹性橡胶板(橡胶板)、聚氨酯橡胶隔音减震板(聚氨酯板)和聚苯乙烯挤塑板(XPS板)等隔声垫层的隔声性能;基于实验室法开展全尺寸墙体在100~5000 Hz频率范围内的隔声试验,通过1/3倍频程频段18个中心频率对应的单值隔声量,得到墙体计权隔声量(R_(w))、频谱修正量和隔声等级,并与装配式建筑中广泛应用的蒸压加气混凝土(ALC)墙体和正交胶合木(CLT)墙体进行比较。【结果】相较同一厚度的聚氨酯板和XPS板,全频段范围内橡胶板的隔声量较高,且其隔声性能随板厚增加而提高,试验范围内,10 mm厚橡胶板隔声效率最高。常规构造木骨架墙体的隔声量整体上随声波频率增加而提高,该墙体体系在125和3150 Hz处分别出现明显的共振隔声低谷和吻合隔声低谷,其R_(w)为43 dB,用作隔墙或围护构件时的空气声隔声等级分别为4和3级;在墙骨架和定向刨花板(OSB)间设置10 mm厚橡胶板后,受制于木龙骨的声桥作用,墙体隔声性能提升有限,R_(w)增至45 dB,隔声等级未发生改变,常规构造和设置橡胶板的木骨架墙体体系均不满足现行国家标准对普通住宅墙体的隔声要求。当墙骨架采用轻钢骨架且轻钢骨架两侧均覆面双层石膏板(GB)时,该墙体体系的R_(w)增至50 dB,用作隔墙或围护构件时的空气声隔声等级分别升至6和5级;在石膏板和轻钢骨架间设置10 mm压缩玻璃棉条后,R_(w)增至51 dB,隔声等级未发生改变,该轻钢骨架墙体体系满足现行国家标准对普通住宅墙体的隔声要求。与200 mm厚单层和复合ALC墙体相比,试验范围内轻钢骨架墙体的厚度和面密度分别降低35%和70%,但空气声隔声性能更高;针对道路交通、企业生产经营和日常生活等噪音对应的频率范围(160~630 Hz),该轻钢骨架墙体体系的隔声性能增加明显。在常规构造木骨架墙体基础上开洞安装R_(w)为33 dB的窗体,墙体在全频段范围内的隔声频谱特性曲线未发生明显变化,其R_(w)达44 dB,用作隔墙或围护构件时的空气声隔声等级分别为5和4级;常规构造木骨架墙体一侧的GB由单层增至双层、木骨架和OSB间设置10 mm厚橡胶板、木骨架和GB间设置金属减震龙骨制成复合墙体,在复合墙体上安装窗体,该墙体的R_(w)增至48 dB,且在低频段下的共振隔声低谷和高频段下的吻合效应低谷消除或明显变浅,用作隔墙或围护构件时的空气声隔声等级分别升至6和5级,满足现行国家标准对普通住宅墙体的隔声要求。【结果】与木骨架墙体相比,CLT墙体的空气声隔声性能较低;共振隔声低谷、吻合隔声低谷和声桥效应是限制常规构造木骨架墙体隔声性能的瓶颈因素,导致该墙体体系不能满足现行国家标准对普通住宅墙体的隔声要求。将木骨架替换为轻钢骨架,并设置隔声垫层、增加墙面板数量,能够有效提高墙体的空气声隔声性能。

钢框架-偏心支撑结构消能梁暗置侧向支撑设计

在钢框架-偏心支撑结构中,针对钢结构住宅等建筑中不能接受常规消能梁侧向支撑的情况,设计了一种在消能梁段端部的楼板内设置型钢连接件及暗梁组成的暗置侧向支撑。有限元模拟分析表明,在规范规定的消能梁段下翼缘侧向水平荷载的作用下,该消能梁暗置侧向支撑能显著减小消能梁的扭转变形和侧向弯曲变形;在考虑消能梁上局部楼板失效的情况下,暗置侧向支撑也能提供消能梁合适的扭转约束刚度。通过某工程的原位静荷载试验,验证了该暗置支撑对消能梁发挥的预期侧向支撑作用。

某高层钢框架结构组合减震设计

某转化医学中心位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区,从减震效果和经济性等方面对不同减震方案进行比选后,选用BRB+VFD组合减震方案,同时提出了阻尼器布置原则。采用有限元法进行弹性和弹塑性时程分析,结果表明BRB+VFD组合减震方案可为主体结构提供一定的附加刚度和附加阻尼比,降低地震作用下基底剪力,延缓主体结构破坏,满足主体结构第二道防线设计要求;VFD在多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下均发挥耗能作用;BRB在多遇地震作用下仅提供刚度,在设防地震和罕遇地震作用下进入屈服耗能,提高了结构抗震性能;随着地震烈度的增加,结构附加阻尼比随之增大,有效保证了结构抗震性能。

基于Inception-BiLSTM和迁移学习的结构损伤识别

针对传统卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)方法在时空特征提取存在不足,提出了一种改进的Inception与双向长短期记忆(bi-directional long short-term memory,BiLSTM)联合模型,以全面学习振动信号中的空间和时序信息。首先,构建具有多尺度感受野的Inception模块,自适应地提取不同尺度下的空间特征;其次,BiLSTM序列化处理时间特征,以深度挖掘时间相关性;最后,通过全局平均池化和Softmax分类器来实现钢框架结构的损伤识别。为评估该模型对噪声的鲁棒性,引入高斯白噪声作为干扰。此外,采用迁移学习策略来评估模型在不同强度激励和小样本下的泛化能力,确保适用于不同的损伤识别任务。结果表明,与传统的CNN方法相比,该模型在无噪声条件下及信噪比超过25 dB时保持了100%的识别精度。该方法解决了土木工程应用中样本量不足和不同强度激励的实际挑战。通过微调预训练模型的参数,实现了在不同强度激励和小样本情况下的知识迁移与泛化,从而增强了模型的实际适用性。

地震作用下掉层钢框架结构抗倒塌能力分析

采用PERFORM-3D程序对掉层钢框架结构进行了抗震倒塌能力研究。考虑不同的掉层情况和结构措施,设计了2个普通钢框架结构模型和4个掉层钢框架结构模型(其中2个模型带拉梁加强),利用增量动力分析方法对上述钢框架模型进行了易损性分析和抗震倒塌能力评估。结果表明,掉层钢框架结构的抗震倒塌能力与掉层数关系不大;采用拉梁加强的掉层钢框架,上接地侧的抗震倒塌能力和抗震倒塌安全储备性能有所提高,但掉层侧的抗震倒塌能力和抗地震倒塌安全储备降低;增加拉梁的数量对该类结构影响不大,但会改变其破坏模式;上接地侧倒塌模式下,上接地一层是上接地侧最薄弱的楼层;掉层侧倒塌模式下,上接地二层是掉层侧最薄弱的楼层。

预应力耗能钢框架抗连续倒塌机制研究

针对预应力耗能(PTED)钢框架结构的连续倒塌问题,采用ABAQUS软件建立精细化有限元模型,对框架结构拆除承重构件后不平衡荷载重分配的行为展开研究。并将有限元结果与1/3缩尺PTED钢框架的准静态试验结果进行对比分析,验证了模型的准确性。在此基础上,进一步开展了PTED钢框架抗连续倒塌受力机制的研究,并分析了初始预应力、预应力钢绞线数量、钢构件材料强度和梁翼缘宽厚比四种因素对钢框架抗连续倒塌机制的影响。结果表明:PTED钢框架抗连续倒塌过程主要包括三个阶段:初始阶段、压拱机制有利阶段和压拱机制不利阶段;倒塌抗力由预应力钢绞线拉力和梁柱之间的竖向作用力共同提供;提高初始预应力、预应力钢绞线数量、钢材屈服强度和降低梁翼缘宽厚比,均会使峰值荷载增大;钢绞线数量的增多使框架在失效柱位移较小时可以提供较大的抗力;增强梁柱构件抵抗局部屈曲变形的能力会提升预应力钢框架抗连续倒塌能力。

高烈度区多层长悬挑钢结构设计

长安乐传媒港是十四届全运会重要配套项目,为南侧带3层大悬挑的不规则复杂结构,最大悬挑长度38.5m。主体结构采用钢结构框架-支撑体系,悬挑部分采用钢桁架结构。针对大悬挑结构设计难点开展了分析和研究;重点介绍了整体结构方案选型、结构整体分析结果以及结构抗震性能化设计结果;也重点介绍了单人行走激励和人群激励下悬挑钢桁架舒适度分析,考虑长悬挑结构安装过程、卸载顺序和楼板刚度形成次序的施工模拟分析,以及长悬挑对基础设计的影响。结果表明,本工程的多层长悬挑构结构具有较高的安全储备,整体结构具有良好抗震性能;长悬挑结构设计中需要特别关注施工过程的影响,基础设计时应考虑竖向构件受拉的不利影响。

钢管混凝土键连接框架梁和剪力墙的受剪性能

目的 研究钢管混凝土键连接框架梁和剪力墙的受剪性能,为工程应用提供设计依据。方法 应用有限元分析软件ABAQUS对比钢管混凝土键连接与现浇连接梁墙的结构受剪性能,分析前者受剪机理及不同因素对受剪性能的影响。结果 钢管混凝土键连接梁墙的结构承载力和延性系数较现浇结构分别提高约10%和34%;钢材强度从Q235到Q390,初始刚度增加8.44%;截面高度从100 mm到120 mm,延性系数提高17.73%;截面厚度每增加2 mm,承载力提高约15%;截面长度和混凝土强度等级对承载力、初始刚度和延性系数的影响均小于15%,纵向距离对其受剪性能几乎无影响。结论 采用钢管混凝土键连接梁墙的结构总体受剪性能优于现浇结构;钢材强度和截面厚度分别是影响初始刚度和承载力的主要因素。

单跨两层含减震外挂墙板装配式混凝土框架拟静力试验研究

该文在对一个含减震外挂墙板平面框架(简称减震结构)以及一个作为对比的纯框架(简称抗震结构)进行混合试验的基础上,进一步对其单跨2层试验子结构进行了拟静力试验,研究了两结构在水平地震作用下的受力过程、损伤模式及减震外挂墙板对主体结构抗震性能的影响。研究结果表明:减震结构和抗震结构的破坏机制均为梁端和柱底出现塑性铰的梁铰机制,减震外挂墙板未改变主体结构的破坏模式;减震结构中,在最大层间位移角达到1/55之前,消能器呈预期的履带式滚动变形,此后由于外挂墙板的面内转动变形,消能器水平剪切变形值增加不大,且圆弧段产生明显变形;试验过程中减震外挂墙板未出现裂缝;墙板与框架间上部线连接处裂缝宽度较小,连接钢筋应变也较小,表明连接可靠;两试件均具有较好的变形能力和耗能能力;在相同位移级别下,减震结构的刚度、极限承载力和耗能能力均更好。