钢结构（中英文）
2023年第2期简介
研究
邢尊胜 叶东辰 张志浩 贾尚瑞
浙江精工钢结构集团有限公司
摘要：杭州西站钢屋盖是网架与桁架相结合的复杂空间结构体系，因此该结构存在大量的多杆件相交连接问题。采用有限元与试验研究方法对杭州西站钢屋盖中复杂的铸钢节点进行分析，以确定铸钢节点设计的安全性和可靠性。采用有限元分析方法时，对节点分设计荷载和极限荷载两种工况进行讨论，设计荷载取为节点最不利荷载工况，极限荷载取为节点最不利荷载工况，为设计荷载的4倍。在设计荷载下，节点应力水平低于材料的屈服强度，最大应力为179.1 MPa，等效塑性应变PEEQ为0，表示处于完全弹性状态； 在极限荷载下，节点部分区域的应力超过材料的屈服强度，但整体的荷载-位移曲线仍为线性，说明局部塑性对节点整体力学性能没有影响。此外，有限元分析还指出了铸钢节点的危险位置，即应变较大的区域，分析结果可用于指导后续试验中应变计的布置。之后，对铸钢节点进行了试验研究。材料性能试验表明，铸钢节点的力学性能符合设计规范。其次，对节点进行了全尺寸试验研究，最大试验荷载为设计荷载的1.3倍。加载时，荷载从0到最大荷载均匀分布。试件从始至终没有发生明显变形。此外，应变计采集的数据显示，铸钢节点的最大应变为1036x10-6，表明该节点处于弹性范围内。在设计荷载下是安全的。 以上研究表明，该铸钢节点设计可为今后相关工程中铸钢节点设计提供参考，另外，试验结果与有限元计算结果进行对比，一致性较好，不仅证明了有限元计算结果的准确性，也表明试验装置及加载方法也有相当的参考意义。
关键词：杭州西站；铸钢节点；有限元分析；足尺试验
来源：幸尊胜,叶东晨,张志浩,贾尚瑞.杭州西站钢屋盖复杂铸钢节点性能分析[J].钢结构(中英文),2023,38(2):1-7。
DOI: 10. 13206/j. gjgS22120101
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圆钢管空间桁架结构直接分析设计方法研究
王军1,2 庆强1,2 龚景海1, 2
1.上海交通大学土木工程系
2.上海市公共建筑与基础设施数字化运维重点实验室
摘要：目前国内外许多钢结构设计标准均推荐直接分析法作为钢结构分析设计的首选方法，但对于圆形钢管空间桁架结构直接分析法中构件初始缺陷的应用方向和应用情况有所不同，对构件初始缺陷后的模拟方法和截面纤维划分方法的实现细节尚未详细阐述，还存在一些需要解决的问题。因此，采用基于位移的梁柱单元，综合考虑几何非线性、材料非线性以及圆形钢管空间桁架结构整体的初始缺陷和圆形钢管构件的初始缺陷对结构的稳定性和承载力有重要影响，对结构进行了非线性分析和全应力优化设计，提出了圆形钢管空间桁架结构直接分析设计流程。 以实际工程中某三心圆桁架结构主桁架为例，对比分析了不同构件等分率、初始几何缺陷施加方向及圆钢管截面不同纤维分割数下结构z方向最大变形量，并结合应力、轴力及弯矩结果，研究了上述3个因素对圆钢管空间桁架结构直接分析结果的影响。通过与传统一阶弹性分析方法计算结果对比，验证了所提圆钢管空间桁架结构直接分析设计方法在工程实际中的适用性。
结果表明：在1.3D+1.5L和0.9D+1.5W组合工况下，引入初始缺陷后随着构件个数的增加，计算得到的桁架变形与构件应力逐渐增大；在构件初始几何缺陷施加于构件最大弯曲方向时，随着绕构件双轴方向旋转角度的增大，直接分析计算得到的z方向最大变形、构件应力及双轴弯矩均呈减小趋势，其中构件双轴弯矩受影响较大，其变化率超过80%，由于圆钢管壁厚远小于周长，当径向等分率由2增大到4时，结构计算结果的变化十分有限，变形和应力的变化率均小于0.1%； 在0.9D+1.5W组合工况下，环向等截面分数为32与环向等截面分数为4时结构z方向最大变形相同，相差高达15.9%，说明截面划分数对结构刚度有明显影响。对于圆形钢管空间桁架结构中细长较小的构件，直接分析设计法与传统一阶弹性分析法均能有效计算，得到的应力较为接近，两种工况下应力结果相差在3%以内。但对于细长构件，两种计算方法的计算结果差异相当明显，相差可达25.5%。
关键词：直接分析法；圆钢管空间桁架结构；构件均衡化；初始缺陷；截面纤维模型
来源：王俊,卿强,龚静海. 圆形钢管空间桁架结构直接分析设计方法研究[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(2): 8-17。
DOI: 10. 13206/j. gjgS22101701
铰接六杆四面体球面网壳静力性能分析
张帅良徐震李旭东
中建中原建筑设计院有限公司
摘要：为简化半刚性半铰接六杆四面体球面网壳的节点形式，提出两种由具有圆形投影面的六杆四面体组成的新型球面网壳结构。该结构构型十分简单，节点数和杆件数较双层球面网壳结构较少，网格疏散率高，同时兼具单层和双层球面网壳结构的主要优点。对由六杆四面体组成的球面网壳结构进行了静力、线性特性及非线性稳定性分析。结果表明：上弦径向杆件沿跨度方向布置支撑下弦杆，下弦径向杆件沿跨度方向布置支撑上弦杆。通过线性特征值屈曲分析和考虑几何初始缺陷及荷载不对称布置的稳定性分析，六杆四面体球面网壳结构可获得良好的力学性能。 壳体可采用螺栓球连接，便于标准化设计、工业化生产和安装施工，也符合绿色工程的特点。
关键词：铰接六杆四面体球面网壳；特征值屈曲分析；几何非线性；材料非线性
来源：张帅良, 徐震, 李旭东. 铰接六杆四面体球面网壳静力性能分析[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(2): 18-22。
DOI: 10. 13206/j. gjgS22111403
装配式贝雷梁体系力学性能精细化数值模拟方法研究
赵秋蔡伟陈鹏宇敖林永新
福州大学土木工程学院
摘要：为解决有限元分析中贝雷梁实体模型建模困难、计算成本高的问题，在已验证的贝雷梁实体有限元模型基础上，利用ANSYS有限元分析软件，提出了一种预制贝雷梁实体模型的建立方法。将贝雷梁杆系模型与《预制公路钢桥多功能手册》中的贝雷梁试验进行对比，验证贝雷梁实体模型与杆系模型在线性条件下的准确性，并进行屈曲分析，对比两种模型在非线性条件下的差异，通过修正得到正确的杆系有限元模型，用修正后的杆系模型代替实体模型研究不同工况下的极限承载力。研究了初始几何缺陷对贝雷梁力学性能的影响，为贝雷梁极限承载力验证选取几何缺陷提供了参考。
结果表明：在相同荷载作用下，线性阶段实体模型的位移值略大于杆模型，跨中最大位移相差4%，但各测点处杆模型和实体模型的位移值与试验结果比较接近，误差范围在2%以内。杆模型和实体模型的内力基本一致，截面平均等效应力最大误差为2.78%；两种模型在不同侧向支撑间距下非线性阶段得到的失稳模式高度一致，极限承载力相差在2.4%以内，荷载-位移曲线基本一致，破坏模式基本一致，杆体系模型的荷载-位移曲线与试验曲线具有很好的一致性。证明了杆体系模型可以代替实体模型进行极限承载力分析。贝雷梁的侧向支撑间距对结构的破坏模式起着决定性的作用。 当贝雷梁侧向支撑间距不小于7.5 m时，结构整体不稳定；当侧向支撑间距小于5 m时，贝雷梁局部不稳定，失稳模式为跨中单元上弦发生面外弯曲破坏，出现明显的局部失稳变形。Mises 贝雷梁整体不稳定时，整体几何缺陷对结构承载力影响较大。结构局部不稳定时，应特别关注结构的局部几何缺陷，承载力稳定性受整体缺陷影响较大。面内局部缺陷幅值对贝雷梁稳定承载力影响不大，面外局部几何缺陷对贝雷梁稳定承载力影响明显。 考虑面外初始弯曲幅值为1/初始几何缺陷为1000时，弦杆、竖杆和斜杆的面外局部缺陷分别使稳定承载力降低6.1%、1.3%和1.2%，而面内缺陷仅使稳定承载力降低1.0%、1.0%和1.2%～0.5%。因此，在选用贝雷板时，应特别注意弦杆的面外变形。
关键词：预制贝雷梁；杆件模型；数值模拟；非线性分析；力学性能
来源：赵秋,蔡伟,陈鹏,余傲,林永新.装配式贝雷梁体系力学性能精细化数值模拟方法研究[J].钢结构(中英文),2023,38(2):23-31。
DOI:10. 13206/j. gjgS22111601
氯离子腐蚀对沿海地区输电塔结构风振响应影响研究
李立晓1 荣祥熙1 李强2 顾俊等1 刘师曾2 周海军1
1.深圳大学土木与交通学院
2.中国南方电网有限公司
摘要：沿海地区输电塔结构长期受到海洋腐蚀大气的侵蚀，其构件有效承载面积因腐蚀而减少，力学性能逐渐降低，在长期环境腐蚀与沿海强风的耦合作用下，输电塔结构的服役安全受到很大影响，产品的性能和耐久性受到严重威胁。为准确表征长期氯离子腐蚀对沿海输电塔线路结构体系风致动力响应的影响机理，首先在实验室开展输电塔角钢盐雾加速腐蚀试验，腐蚀时间分别设置为0，800，1600，2400 h；然后，对腐蚀角钢制作拉伸试件，利用MTS试验机进行力学性能测试，探究腐蚀对角钢截面损失率及力学性能退化的影响，建立腐蚀时间（截面损失率）与角钢力学性能之间的关系。 最后，基于修正的二次退化模型描述腐蚀后角钢的本构模型，并利用SAP 2000有限元分析软件建立考虑腐蚀影响的输电塔结构有限元分析模型，对体系进行风振响应分析，探究沿海氯离子腐蚀对输电塔结构风振响应的影响机理。
研究结果表明：随着氯离子腐蚀时间的增加，角钢力学性能逐渐下降，当腐蚀时间为800 h时，极限强度和屈服强度的退化率分别为4.00%和3.01%，角钢的伸长率和弹性模量分别下降5.33%和7.02%；当腐蚀时间达到2400 h时，与未腐蚀状态相比，极限强度和屈服强度的退化率分别达到16.49%和15.22%，下降幅度明显，角钢的伸长率和弹性模量分别下降9.74%和14.33%。通过对输电塔结构进行动力分析发现，随着腐蚀的积累，输电塔结构的固有频率逐渐降低，当腐蚀时间达到2400 h时，输电塔结构的一阶固有频率较腐蚀前有所降低。 3种腐蚀工况（腐蚀时间分别为800、1600、2400 h）输电塔结构风致位移响应与塔杆响应如图2所示。构件应力逐渐增大钢结构设计规范 英文，当腐蚀时间达到2400 h时，塔顶最大位移已达0.466 m，较无腐蚀工况增大了9.8%，杆件应力最大增幅为5.1%。相同风荷载下的最大应力值与对应腐蚀时间下的屈服强度的比值分别为0.52、0.55、0.58、0.60。
关键词：氯离子腐蚀；输电塔结构；性能退化；风振响应
来源：李立晓, 荣祥熙, 李强, 顾俊等, 刘世曾, 周海军. 氯离子腐蚀对沿海地区输电塔结构风振响应影响研究[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(2 ): 32-40。
DOI:10. 13206/j. gjgS22082204
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设计讨论
固有周期与屈曲系数的关系：利用固有周期控制二阶效应
同根树
浙江大学高性能结构研究所
摘要：对比了屈曲分析与自振特性分析的刚度方程的异同钢结构设计规范 英文，指出了自振周期与屈曲荷载之间的关系。由于结构设计规范对屈曲系数有最小值要求，因此由此最小值要求推导出周期的限值，为确定周期限值提供了理论依据。周期与总高度的平方根有关，对于不同性质的结构体系，其系数相差不大。
关键词：屈曲系数；周期；二阶效应；高层建筑
来源：童根树. 自振周期与屈曲系数关系——利用自振周期控制二阶效应[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(2): 41-43。
钢结构热点分析
本期问题：钢结构办公楼为何倒塌？
问题介绍：2021年2月6日下午，晋江市西滨军农场晋江全益无纺布有限公司在建的钢结构办公楼在浇筑混凝土过程中发生倒塌，请问会不会倒塌？
倒塌建筑为4层钢结构建筑，经检测公司建研检测集团有限公司现场测量，建筑开间尺寸为4×4m（柱距）+1.5m（悬挑），进深为3×6m（柱距）+1.5m（悬挑），单层建筑面积约341m2，总建筑面积约1365m2。基础为柱下延伸基础，采用天然基础。
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