[分享]建筑钢结构进展

        在考虑往复荷载作用下混凝土材料的刚度损伤和恢复，以及钢材的包辛格效应的基础上建立了钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土梁节点在柱端恒定轴压力和梁端往复侧向力共同作用下的有限元分析模型。有限元模型考虑了几何非线性和材料非线性的影响，并合理考虑了节点核心区各组件之间的接触作用。采用有限元模型模拟了4个组合节点试件的滞回试验，计算的破坏模态和荷载-位移滞回曲线均和试验结果吻合良好。在此基础上，利用该模型对节点受荷全过程的工作机理进行了分析，细致剖析了节点区各部件的应力、应变发展状态以及节点的破坏机理。此外，还对节点的滞回性能进行了参数分析，研究了各重要参数如核心区构造、楼板、柱轴压比和梁抗弯能力等对其荷载-位移关系曲线和极限承载力的影响规律。本文的研究结果可为此类组合节点的工程抗震设计提供参考和依据。

         为了研究双钢板组合剪力墙施工时的应力和应变分布情况，进行了2片双钢板组合剪力墙施工应力的实测试验，监测了从开始浇筑混凝土到最终应变值稳定这一过程中各测点的应变值。将应变值进行整理并对同一水平高度或同一竖直方向的应变值进行对比分析。根据监测结果分析得出在浇筑混凝土时所产生的应变分布规律，并得出外侧钢板及对拉栓钉的最大主应力大小和方向，通过不同位置的应变值随时间的变化情况及最终趋于稳定的稳定值大小得出混凝土凝结硬化过程对外侧钢板应变值的影响规律，可为类似工程提供参考依据。

        为了研究非对称（半跨均匀）荷载对具有初始几何缺陷（节点偏差）的单层球面网壳稳定性的影响，采用N阶特征缺陷模态法模拟节点偏差，利用有限元软件ANSYS对矢跨比分别为1/3、1/4、1/5、1/6和1/7的K8型单层球面网壳进行了荷载-位移非线性全过程分析。通过对网壳结构施加全跨缺陷、半跨缺陷、全跨荷载、半跨荷载不同组合作用的方法，可以判断结构对非对称荷载的敏感程度以及非对称荷载与初始几何缺陷对结构相互影响的关系。分析表明：单层球面网壳在施加半跨缺陷和半跨荷载组合下的最不利缺陷模式均出现在前3阶，此状态下网壳的稳定极限承载力极低；矢跨比为1/5的K8型单层球面网壳结构受半跨缺陷影响较大，其稳定极限承载力下降最为显著；单层球面网壳结构全跨缺陷的最不利分布模式受荷载布置方式的影响较小；在非对称荷载作用下，初始几何缺陷的分布模式对单层球面网壳结构的稳定极限承载力影响较小。

        为研究冷弯薄壁型钢柱的相关屈曲，介绍了一种分析柱构件相关屈曲的方法——临界分叉荷载侵蚀理论（ECBL理论），该方法考虑了试件在截面屈曲（局部屈曲或畸变屈曲）和整体屈曲（弯曲屈曲、扭转屈曲或弯扭屈曲）相互作用下的极限承载力，通过评估、量化构件的侵蚀因子和缺陷因子使Ayrton-Perry方程表示的屈曲曲线适用于冷弯薄壁型钢构件的相关屈曲分析。利用此理论对我国既有的部分冷弯薄壁型钢柱试验数据和有限元分析结果进行了处理，提出了对应的相关屈曲曲线。

        钢结构现场检测一般采用抽样检测，我国现行规范提供的计数抽样最小样本容量不是最佳样本容量，分析表明，由此确定的抽样方案偏于宽松。基于保障结构安全要求，提出确定钢结构计数抽样检测最佳抽样方案的原则：优先保护使用方；根据抽样统计理论，提出采用风险点确定与计算最佳抽样方案的方法。采用实际算例进行了分析，结果表明，提出的方法优于现有抽样方案，同时验证了该提出方法的可行性与合理性。

        采用火灾动力学数值模拟软件（FDS）建立火灾场景模型空间，对火灾热量传递进行数值模拟，得到多参数影响下的烟气温度及火焰辐射温度。基于绝缘表面温度（AST）原理，以及火焰辐射半球模型和火焰辐射范围的判别原则，对参数分析得到的温度数据进行曲面拟合，得到顶棚面升温受火焰辐射影响的辐射半径和顶棚升温不受火焰辐射影响的临界高度的经验计算式，同时也提出了垂直构件迎火面升温受火焰辐射的临界高度的计算方法。本文提出的计算方法可偏于安全的预测火焰辐射对大空间建筑顶棚及垂直构件迎火面升温影响的范围，为进一步预测大空间建筑火灾中构件升温边界条件提供理论依据。

        基于已有研究得出的网架杆件高温下瞬变约束刚度比的求解方法，开展了多参数影响下瞬变约束刚度比变化规律及伴随的轴力历程变化规律的分析。研究表明：在结构升温历程中，杆件瞬态约束刚度比均呈不同程度的下降趋势；杆件初始轴向约束刚度比及轴力历程受结构升温非均匀程度系数η、荷载比R、火源位置及结构跨度的耦合影响。随结构温度分布趋于均匀（η值增大），杆件初始约束刚度比下降；随着火源位置从结构几何中心向边缘移动，在η=0.2~0.6范围，关键腹杆的初始约束刚度比依次递减，在η=0.7~0.8范围，则依次递增；随结构跨度递增（24m~36m）各关键腹杆的初始约束刚度比依次递减。中心火源场景中，在η=0.2~0.5且R=0.2~0.6取值范围内，杆件具有高温屈曲后承载力；随着火源位置偏移及网架跨度增加，在η=0.2~0.5范围，杆件具有高温屈曲后承载力。

        由于拉索内部的力学性能比较复杂，有限元的方法被用于拉索分析。对于钢绞线的有限元模型，目前多采用Solid164单元来进行建模，而对于半平行钢丝束拉索的有限元模型，目前多采用Pipe16单元来进行建模，该模型的特点是由短梁单元和弹簧单元组成。分别采用Pipe16单元和Solid164单元建立拉索的模型，分析了两种有限元模型的弯曲荷载-挠度曲线和拉索的有效弯曲刚度，并与试验数据进行了对比分析。结果表明，无预应力条件下，Pipe16单元的模型结果与试验数值误差比Solid164模型的要大；有预应力条件下，两种不同的有限元模型结果与试验数据都比较接近，误差很小。因此，采用Solid164单元建立的模型，可以用于对半平行钢丝束的弯曲性能研究。        

        拉索索力的识别对拉索甚至整个结构的性能鉴定和可靠性评估具有重要意义，因此，对索力的测试显得尤为重要。频率法是目前广泛采用的索力测量方法，但对于建筑中的短粗拉索现有方法难以进行精确有效的索力测量。由于建立拉索精细化的有限元模型比较复杂，目前对于拉索索力的研究，很多研究者将拉索简化为实心截面来分析。通过建立拉索的精细化模型与实心模型来对比分析，同时选取了5种基于频率的单索索力实用计算公式进行误差分析。分析结果表明：精细化模型的数据更加接近试验数据；对于工程中大量采用的短粗拉索现有各种方法都难以进行精确有效的索力测量，因此有必要对拉索的索力与频率的关系进行研究。提出了一种基于拉索一阶频率测试标定拉索索力的方法，该方法与5种单索索力实用计算公式结果的对比分析表明该方法能够满足结构的索力测试精度要求。

        Kelvin多面体空间刚架是一种新型的空间结构形式。首先采用弯曲起拱方式建立了柱面Kelvin多面体网壳模型；接着研究了切割面位置、边界条件、旋转角度和荷载分布对网壳静力承载力的影响；最后分别采用几何非线性和双非线性方法，研究了不同工况下网壳的稳定承载性能。结果表明：1）相同工况下，旋转60°时网壳相比不旋转时的轴力较小、弯矩变化不大，两侧边支承时网壳相比四角点支承时的轴力较大、弯矩较小；2）柱面Kelvin网壳以局部屈曲模态为主，几何非线性分析时的荷载-位移曲线基本呈线性增长，双非线性分析时在最大竖向位移为0.2m时即已出现显著的非线性特征；3）双非线性分析时，荷载-位移曲线开始出现计算不收敛时对应的荷载作为屈曲极限荷载。

        为了减小钢框架梁柱弱轴连接中柱腹板上的应力水平，提出了在梁端加过渡竖板的方式以使得柱翼缘更好地参与受力，同时为了使得塑性铰不出现在梁柱连接焊缝处，对梁翼缘进行削弱处理，最终提出了一种新型的梁端加强与削弱并用的梁柱弱轴连接形式（SWWC），并运用有限元软件ABAQUS对已有的RBS型工字形柱弱轴连接节点的试验进行模拟验证后，对此类节点进行循环荷载作用下的受力性能分析。结果表明，在梁端加过渡竖板可以明显降低节点域的Mises应力水平，使得梁截面的屈曲主要集中在竖向板的外侧；在梁端加过渡竖板的同时对梁翼缘进行削弱处理可以使得塑性铰外移；随着削弱深度c的增加，节点的承载能力逐渐降低，RBS削弱处的屈曲发展的越充分，削弱起始位置距离梁端的距离a和削弱区域的长度b对节点的承载能力影响很小，随着参数a或b的增加，梁上塑性铰中心逐渐远离梁翼缘焊缝处；建议削弱参数c=0.17bf，a=(0.65~0.70) bf，b=0.75 hb，其中bf和hb分别为梁翼缘宽度和梁截面高度。

        钢结构旋转楼梯整体自振模态一般呈现典型的空间特性。利用有限元软件建立某旋转钢楼梯模型并分析获得模态参数，以三向（侧向、纵向、竖向）行人上、下楼梯的连续荷载模型为例，构建了基于步行路径的旋转楼梯三向振动响应计算方法。进一步分析了不同行走频率上、下楼梯时的振动加速度响应，结果表明，三向人行荷载比单向（竖向）人行荷载下的加速度响应有较明显的增幅，对于此类柔性旋转钢楼梯不应忽视人行荷载水平分量对振动响应的影响。

        为克服传统Pushover方法的局限性，提出了基于能量平衡的位移自适应多模态Pushover方法，这种方法结合了能量平衡方法和位移自适应Pushover方法，对所考虑的各个振型分别进行Pushover分析，然后将所得各个模态性能点处对应的各向性能指标按SRSS组合规则进行组合，这种方法可以考虑高阶振型影响以及结构屈服以后侧向力分布的变化，同时也避免了传统基于位移自适Pushover方法无法反映高阶振型Pushover分析中侧向力反折返问题。为验证所提出方法的预测效果，选取三个高层钢框架作为案例，将基于能量平衡的位移自适应多模态Pushover与传统基于模态Pushover分析方法及弹塑性动力时程分析的计算结果进行对比，结果表明：提出的方法能够很好地预测高层钢框架结构的楼层位移和层间位移角。

        为了研究薄壁组合型箱体剪力墙-柱体系模拟预拼装，进行了某大型塔楼19层第九节柱和钢板剪力墙部分构件（共18根）的预拼装模拟。试验详细分析了预拼装方案的可行性及准确性，在此基础上结合钢结构安装顺序，构件主次关系和安装基准面，介绍了结构形式复杂的薄壁组合型预拼装模拟思路。研究结果表明，三维激光扫描仪可大幅提高测量自身精度，让控制点繁多的薄壁组合型实测模型与实测构件最大程度的接近；采用的预拼装模拟实现了薄壁组合型结构的检测过程及拟合结果可视化；预拼装模拟在薄壁组合型箱体剪力墙-柱体系中的研究可为后续研究提供参考。

        南京牛首山树状结构的施工空间狭小、施工平台薄弱和大型设备不能进驻，根据其特殊施工环境提出了自平衡提升工法。对自平衡提升过程中可能产生的平面外位移问题，设计了双支撑胎架方案解决。利用3D3S空间结构设计软件对施工全过程进行了模拟，同时对树状结构提升全过程进行了施工监测，模拟结果和监测结果吻合较好。研究表明自平衡提升施工法能够满足特殊施工条件下大型钢结构安装的施工要求，为此类工程的合理施工提供参考，采用3D3S设计软件对特殊环境下的空间钢结构进行施工预分析是可行的，能有效提高工程安全性。