钢结构（中英文）
2023年第10期编委会特刊简介
研究
空间结构震害评估指标及等级划分
戴传春 1 丁洋 1,2
1. 天津大学土木工程学院
2.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室（天津大学）
摘要：大跨度空间结构广泛应用于机场航站楼、高铁站、会展中心等大型公共建筑，这些建筑人口密集，投资较大，在地震作用下，不仅要保证其抗震安全性，还要考虑其可能出现的震害程度以及地震造成的经济损失，这些都需要基于性能的抗震设计来确定。我国GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中关于抗震性能化设计的基本原则主要以混凝土结构为主，并不适用于大跨度空间结构。以单层球面网壳、单层柱面网壳和桁架为例，采用有限元法对其地震反应特性及破坏模式进行分析，确定合适的震害评估指标，划分其震害等级，为大跨度空间结构基于性能的抗震设计提供支持。 依据JGJ 7-2010空间网格结构技术规范，利用设计软件3D3S设计了不同跨度、不同矢跨比的15个单层球面网壳结构、9个单层圆柱面网壳结构和16个管网壳结构；利用有限元软件ABAQUS建立这些结构的有限元模型。依据GB 50011-2010的规定，从太平洋地震工程研究中心地震动数据库中选取34个满足结构目标反应谱的地震动，按1∶0.85∶0.65，进行地震动三向调幅，分析结构在不同烈度不同地震动下的响应，总结结构的地震反应特征及破坏模式。
结果表明：对于单层球面网壳结构，节点最大位移随地震烈度变化明显，塑性应变能能充分反映结构的损伤程度，因此，以节点最大位移和反映地震损伤程度的塑性应变能作为结构参数的地震损伤评估指标，在考虑二者不同权重的损伤指标基础上，提出了单层球面网壳结构地震损伤等级划分标准；对于单层圆柱网壳结构，对结构变形和结构地震位移二次静力分析响应进行分析，表明结构在地震后静力作用下的损伤是其地震损伤的进一步发展，因此，以地震前后结构的静力极限承载力作为结构地震损伤的评估指标，提出了单层圆柱网壳结构损伤指标来划分地震损伤等级。 对于管桁架结构，主桁架跨中区域及靠近支座的杆件均发生了较大的塑性变形，结构刚度明显降低，以塑性应变作为塑性变形较大的构件地震损伤评估指标，划分其损伤程度，并提出了基于不同损伤程度构件所占比例的管桁架结构地震损伤程度划分标准。单层球面网壳结构和单层柱面网壳结构的最大位移与跨度的比值与损伤指标呈正相关，因此，也可按照最大位移与跨度的比值划分结构的地震损伤程度，更为简便快捷。
关键词：空间结构；震害；地震响应特性；震害评估指标；震害程度
来源：戴传春,丁阳. 空间结构震害评估指标及分类[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(10): 1-9。
DOI:10.13206/j.gjgS23080402
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基于点云与BIM的大跨度钢桁架虚拟预拼装应用研究
李翔1,2 胡慧峰1 陈天国3 刘杰鹏1 于鹏3 赵国军4
1.重庆大学土木工程学院
2.长沙理工大学土木工程学院
3.中建钢结构有限公司
4.中国电建路桥集团有限公司
摘要：大型复杂钢结构具有构件数量多、焊接与栓接工作量大、施工工序多等特点，传统的预拼装方式成本高、效率低，难以满足大型复杂空间结构的要求。为此，提出一种基于BIM与三维激光扫描技术的大型复杂钢结构虚拟预拼装方法。以西部（重庆）科学城科学馆项目为工程背景，对屋面圆管桁架及大跨度楼面桁架的智能化建造工艺进行研究，并提出技术路线与方法流程。针对工程中常见的圆管桁架，提出一种基于随机抽样一致性算法与拉普拉斯-滚球混合检测算法的拼接控制点提取方法；针对形状规则的楼面工程，提出一种基于随机抽样一致性算法与拉普拉斯-滚球混合检测算法的拼接控制点提取方法； 对于钢桁架及牛腿，提出采用有向包围盒法获取拼接控制点；为了获取施工质量检测数据，提出采用k近邻算法、主成分分析算法和基于区域准则的边缘检测算法完成接口角点的智能检测和提取。
结果表明:BIM与三维激光扫描技术相结合的技术路线对于圆管桁架及工字钢桁架的虚拟预装配均取得了较为准确的结果;将提出的方法获取的圆管桁架的参考点与参考点相结合,得到圆管桁架的虚拟预装配;采用置换算法进行粗配准,采用迭代最近邻算法进行精配准,从而获得较高的配准质量。
关键词：大型复杂钢结构；点云数据；智能虚拟预装配；施工尺寸质量检测
来源：李想,胡惠锋,陈天国,刘杰鹏,余鹏,赵国军.基于点云与BIM的大跨度钢桁架虚拟预拼装应用研究[J].钢结构(中英文),2023,38(10):10-15。
DOI: 10.13206/j.gjgS23081201
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Q345qDNH钢在模拟工业海洋大气中的腐蚀行为研究
李怀峰1贾欣2王洪波1葛汉斌3张建东2,4
1.山东省交通规划设计院集团有限公司
2.南京工业大学
3.名城大学
4. 长大桥梁安全长寿与健康运营维护国家重点实验室
摘要：以实际工程中典型桥梁耐候钢为对象，通过周期性渗透加速腐蚀试验，结合宏观形貌观察、扫描电镜（SEM）、X射线衍射分析（XRD）等方法对耐候钢锈层进行研究，通过分析锈层表面形貌、相组成、腐蚀失重、动力学曲线和电化学性能的变化，研究了典型耐候钢Q345qDNH在NaHSO3和不同NaCl浓度模拟工业海洋大气环境中的腐蚀行为。
结果表明：在不同NaCl浓度的腐蚀环境中，耐候钢表面腐蚀产物均由α-FeOOH、γ-FeOOH、β-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4组成，且腐蚀环境中NaCl浓度与耐候钢腐蚀速率密切相关。当NaCl浓度为0.1%时，随着腐蚀时间的延长，耐候钢腐蚀速率迅速下降至较低水平后趋于稳定，经1440 h腐蚀后锈层表面均匀致密，平均腐蚀速率约为0.76 g/(cm2·h)；当腐蚀环境中NaCl离子浓度为3.5%时，耐候钢腐蚀速率处于较高水平，且随着腐蚀时间的延长先增大后减小。 经过1440 h的腐蚀后，锈层表面出现较多的裂纹和孔洞，平均腐蚀速率约为0.89 g/(cm2·h)。因此，NaCl浓度越低，耐候钢的自腐蚀电位越正，自腐蚀电流密度越小，腐蚀速度越慢。在0.1%NaCl浓度的环境中腐蚀1440 h后，耐候钢的自腐蚀电流密度为105.65 μA/mm2，锈层中α-FeOOH/(β-FeOOH+γ-FeOOH)的比值接近2，远大于3.5%NaCl环境中的比值达到0.104时，锈层趋于稳定，对耐候钢基体起到了良好的保护作用。
关键词：桥梁耐候钢；工业海洋大气环境；氯离子浓度；腐蚀行为
来源：李怀锋,贾鑫,王洪波,葛汉斌,张建东.Q345qDNH钢在模拟工业海洋大气环境中的腐蚀行为研究[J].钢结构(中英文),2023,38(10):16-24。
DOI: 10.13206/j.gjgS23051701
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不锈钢与碳钢焊接接头力学性能研究
姚建宇1 邓瑞婷2 郑宝峰1 舒干平1
1.东南大学土木工程学院
2.石家庄铁道大学土木工程学院
摘要：随着工程应用场景日趋复杂，结构在承载力、耐腐蚀、经济性等方面面临更高的要求，单一的金属材料难以满足所有的工程要求。不锈钢是一种绿色、高性能材料，具有良好的强度和耐腐蚀性能，有利于我国实现“双碳”目标；碳钢价格低廉，应用广泛，但耐腐蚀性能较差，为提高材料利用率，节省成本，工程中常采用不锈钢。目前，由于核电站设备的工作环境、工作介质不同，通常采用奥氏体不锈钢与碳钢进行焊接；在建筑幕墙中，一般室外墙板、对接部位、玻璃幕墙支撑系统会采用不锈钢，而内部龙骨、主钢桁架柱会采用碳钢，因此会有大量不锈钢与碳钢焊接的需求。由于不锈钢与碳钢的化学成分、物理性能不同钢结构设计规范 英文，在焊接时会出现问题。 例如熔点差异会造成金属损失、线膨胀系数差异会造成焊缝产生裂纹、化学成分差异会造成焊接过程中出现脆性化合物等等，因此目前国内多数规范都不支持不锈钢与碳钢之间的焊接。现有的不锈钢与碳钢焊接研究主要集中在Q235B钢与奥氏体不锈钢上，还没有对常见的不锈钢与碳钢进行系统的研究。对不锈钢与碳钢对接焊缝连接，对6种不同组合48个不锈钢与碳钢焊接接头的金相组织、硬度、强度及断口形貌等力学性能进行了系统的试验研究。试验表明：不锈钢与碳钢焊接接头在熔合线附近有明显的渗碳、脱碳层；热影响区晶粒尺寸增大，出现马氏体等脆性组织，使得热影响区的硬度大于金属母材； 不锈钢与碳钢焊接接头拉伸试样断裂在碳钢侧，其抗拉强度与其碳钢母材的抗拉强度一致，屈服强度低于碳钢母材，伸长率明显降低；由于脱碳层的形成，使碳钢熔合线附近硬度和韧性下降；不锈钢与碳钢焊接接头拉伸断口出现韧窝，属于延性断裂。
关键词：不锈钢与碳钢焊接；金相组织；硬度；力学性能；断口形貌
来源：姚建宇,邓瑞婷,郑宝锋,舒敢平.不锈钢与碳钢焊接接头力学性能研究[J].钢结构(中英文),2023,38(10):25-31。
DOI: 10.13206/j.gjgS23102401
设计
“双碳”目标下的结构抗震设计思路
王立军 谭金鹏 王明
华诚博源工程技术集团有限公司
摘要：“碳达峰”与“碳中和”控制目标是引导我国经济发展方向的重要国家政策，由于建筑业是碳排放的“大户”，行业各个环节碳排放控制的程度直接关系到国家整体“双碳”控制目标的成败。一方面，减少建筑材料的使用必然是实现“双碳”建筑的有效途径，这就需要在设计阶段运用更加科学高效的设计方法和设计理念。另一方面，建筑结构在地震作用下的安全性是结构设计最重要的目标之一，但传统的抗震设计方法一般以提高结构本身的抗震性能作为减轻地震灾害的主要手段，这必然会在一定程度上增加建筑材料的使用量。为了解决“双碳”设计目标之间的矛盾，保证结构足够的抗震安全性，需要优化和改进抗震设计思路。
从理念层面探讨结构工程领域“双碳”目标与结构抗震设计的关系，探讨在不降低结构抗震安全性的情况下，能够满足“双碳”理念的设计思路。针对区域建筑结构采用不同的抗震设计思路，对于地震组合条件不起控制作用的低烈度区（6度及以下）和中烈度区（7度）的结构，可以降低结构延性要求，通过提高抗震承载力实现抗震安全性；对于地震组合条件起控制作用的高烈度区（8度及以上）和中烈度区（7度）的结构，更应采用“双碳”目标。采用减震结构、隔震结构、自复位结构、摆动结构、双抗震结构等结构体系，通过增加能耗、隔震来降低结构本身的抗震成本。 另一方面，采用“IO状态”的概念来控制结构的抗震设计目标。对于国务院令第744号《建设工程抗震管理规定》规定的重点设防建筑，如果弹性承载力过高，必然会大大增加建筑材料的使用，这不符合“双碳”设计的理念。考虑到结构的综合安全性和经济性，在设计地震作用下可以允许有少量的塑性发展。至于其塑性发展的控制程度，可以参考美国规范中的“IO状态”。
关键词：双碳；抗震结构；耗能减震；双重抗震；自复位结构；IO状态
来源：王利军,谭金鹏,王明.“双碳”目标下的结构抗震设计思路[J].钢结构(中英文),2023,38(10):32-41。
DOI: 10.13206/j.gjgS23072802
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夏田体育公园体育场单层索网设计
曹永超霍文英石宏童建坤马硕何翔宇
中国建筑设计研究院集团有限公司
摘要：夏田体育公园体育场位于福建省泉州市德化县，其结构由底部钢筋混凝土框架看台和顶部单层索网组成。单层索网采用马鞍形双曲面，沿看台前后方向设置。承重索沿看台左右方向向下凹，抗风索向上凸。承重索与抗风索通过索夹相互连接，索夹的抗滑能力保证承重索与抗风索在交叉处不发生滑移。上部单层索网采用刚柔边界混合约束形式，刚性边界为看台上方钢斜柱顶部支撑的钢拱形，柔性边界为看台前方钢桅杆支撑的环状，看台两侧的拉索及边索均由钢桅杆和基础支撑。 承重索与抗风索在投影面上正交布置，投影方向上的间距约为7m。由于单层索网为全柔性结构体系，在施加预应力之前，结构刚度为零，不能承受任何荷载，因此在进行索网计算分析之前，必须根据建筑物的预期形状对索网进行分析。通过索网找形确定索网的形状和初始应力状态，具有初始应力状态的索网才具有承受外荷载的能力。索网完成找形分析后，可根据不同的荷载和工况对索网进行静力计算、多遇地震的弹性计算和罕遇地震的弹塑性计算。计算确定了柔性索网的边界条件和三维形状；利用力密度法和扩展力密度法的基本原理编制了复杂索网找形基本程序，在工程实践中取得了良好的效果； 通过三维有限元分析及抗滑移试验对关键节点的承载力及变形进行校核，通过以上分析结果表明，本工程单层索网的构造选择基本合理，设计结果满足现行国家标准的要求。
关键词：单层索网；钢屋盖；索结构
资料来源：曹永超、霍文英、石宏、童建坤、马硕、何翔宇。 夏天体育公园体育场单层索网设计[J]. 钢结构（中英文），2023, 38(10): 42-48.
DOI: 10.13206/j.gjgS23080401
全预制模块化建筑及其结构设计策略
侯兆新1,2 龚超1,2 陈金林1 王爽1 刘兆祥2
1.中冶建筑研究总院有限公司
2.中冶建筑研究总院（深圳）有限公司
摘要：模块化建筑是高度预制、装配式的建筑钢结构设计规范 英文，具有标准化、集成化、工业化的特点，近年来在酒店、方舱医院、宿舍等建筑中得到迅速推广应用。与常规建筑相比，模块化建筑在荷载传递路径、设计方法、建造模式、结构体系等方面都有很大的不同。本文从模块化单元、结构体系、结构设计、模块化建筑特点及应用等方面，重点探讨模块化建筑的设计策略以及面向工业应用的关键思路。其中，模块单元内部构件间的连接、相邻模块间的连接、模块单元与抗侧力体系间的连接是模块化建筑结构设计的关键。为推动模块化建筑的工业化发展，将竖向承重体系与抗侧力体系分离，使竖向承重构件与结构层数无关，便于在堆叠箱体结构中实现模块化产品的标准化。
关键词：模块化建筑；结构体系；结构设计；应用
来源：侯兆欣, 龚超, 陈金林, 王爽, 刘兆祥. 全预制模块化建筑及其结构设计策略[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(10): 49-58。
DOI: 10.13206/j.gjgS23083102
设计讨论
关于压杆稳定系数的思考
同根树
浙江大学高性能结构研究所
摘要：介绍了我国GB 50017-2017《钢结构设计标准》及欧洲钢结构设计规范中压杆稳定系数曲线及其选取，介绍了对强度较高的钢材选用稳定系数较高的曲线的原因。为避免柱曲线随钢材强度等级的突变，在稳定系数公式中的缺陷系数中引入了更符合理论推导的钢材屈服强度修正系数，得到的稳定系数可以实现不同屈服强度钢材稳定系数的平滑过渡。新公式与原规范规定的曲线进行比较，十分接近，简化了规范的编制，在理论上也更加合理。
关键词：压杆；稳定系数；缺陷因素
来源：童根树. 关于压杆稳定系数的思考[J]. 钢结构(中英文),2023,38(10):59-61。
钢结构热点分析
本期问题：为什么有吊车时支撑间距要大一些？
问题介绍：GB 51022-2015《门式刚架房屋轻钢结构技术规范》第8.2.5条规定：“柱间支撑……无起重机时，柱间距离宜为30～45m，……有起重机时，……且支撑间距不宜大于50m。”为什么规定有起重机时柱支撑间距要比无起重机时大呢？
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