钢结 构（中 英 文）
2022年第3期导读
科 研
开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度计算方法研究
邓恩峰1 宗 亮2,3 丁 阳2,3
1. 郑州大学土木工程学院
2. 天津大学建筑工程学院
3. 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：波纹钢板是模块化钢结构常用的抗侧力构件。因为建筑功能有要求，所以常常需要在波纹钢板上开设门窗洞口。然而，目前对于开洞波纹钢板剪力墙的抗侧性能以及设计方法的研究比较少，这在一定程度上制约了模块化钢结构的推广和应用。
已完成开洞波纹钢板剪力墙的抗震性能试验，利用通用有限元软件 ABAQUS 来建立开洞波纹钢板剪力墙的精细化有限元分析模型，此模型考虑了几何非线性、材料非线性以及初始几何缺陷的影响。将所建立的有限元模型与试件在低周往复荷载作用下的试验结果进行对比，以此来验证模型的可靠性，进而揭示试件的破坏机理。结果表明：所构建的有限元模型能够很好地模拟开洞波纹钢板剪力墙在低周往复荷载作用时的初始抗侧刚度、极限抗剪承载力以及破坏模式。在地震作用下，洞口的四角存在较为强烈的应力集中现象。为了确保开洞波纹钢板剪力墙具备良好的延性和变形能力，门窗洞口应当避免设置在试件对角线的端部位置。
建立了开洞波纹钢板剪力墙的理论计算模型，把开洞波纹钢板剪力墙等效为由若干不开洞波纹钢板组成的一系列串并联弹簧模型，进而推导了开洞波纹钢板剪力墙的抗侧刚度计算式，并且将其与相关试验和数值模拟结果进行对比，以此来验证所推导的计算式。结果显示：所推导的计算式具备较好的精度，能够很好地预测开洞波纹钢板剪力墙的初始抗侧刚度。为让开洞波纹钢板剪力墙有较高抗侧刚度，洞口位置宜靠近框架外边缘。上述研究工作完成后，给出了开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度的计算方法，同时也建议了合适的开洞位置。
模块化钢结构中存在波纹钢板剪力墙，该剪力墙开洞后抗侧刚度会发生变化，通过有限元模拟和理论分析可以对此进行研究。
来源为邓恩峰、宗亮、丁阳。他们对开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度计算方法进行了研究。该研究成果发表于《钢结构（中英文）》2022 年第 37 卷第 3 期，页码从 1 至 9。
DOI:10. 13206/j. gjgS21100101
随机局部腐蚀作用下钢管混凝土K形节点的力学性能分析
赵文杰 张静怡 侯 超
南方科技大学海洋科学与工程系
摘要：桁式钢管混凝土组合结构具有传力明确且整体性能良好的特点，具备优越的结构性能与经济优势，在跨海特大桥梁、沿海塔架、海洋平台等大型基础设施中被广泛应用，这些基础设施处于腐蚀环境下服役。在此类结构里，主要承重构件以及关键连接节点受到荷载与腐蚀长期共同作用的影响，这对结构的安全性与可靠性构成了严峻的挑战。在实际工程里，钢材表面的腐蚀作用一般是以随机分布的局部腐蚀为主要形式；过去，由于试验条件以及数值模拟技术存在限制，对于在随机局部腐蚀作用之下的钢管混凝土关键节点的力学性能进行研究的情况并不多见，这在一定程度上对这类主体结构全寿命服役性能的认识以及科学设计方法的制定起到了制约作用。基于此，针对钢管混凝土 K 形节点这一典型桁式组合节点，展开对其在随机局部腐蚀与长期荷载耦合作用下全过程力学性能的深入研究。
建立了一个钢管混凝土 K 形节点精细化有限元分析模型，这个模型能够考虑钢管外壁的随机局部腐蚀以及这种腐蚀对材料所产生的非线性约束作用的复杂时变影响。根据实际环境中海工钢结构随机局部腐蚀的分布规律，利用 Python 与 ABAQUS 搭建模型，生成随机蚀坑分布，识别腐蚀单元，实现蚀坑区域自动化网格划分，从而模拟了弦、腹杆钢管外壁的随机局部腐蚀；同时，模型考虑了腐蚀过程中材料间非线性约束作用的时变劣化以及核心混凝土的长期变形特性；系列试验结果验证了模型的准确性。利用有限元模型，对节点在局部腐蚀作用下的情况进行了深入分析。分析了节点的破坏模态，以及全过程的荷载 - 变形关系和剩余极限承载力。同时，明晰了腐蚀类型（包括均匀分布或随机局部分布）以及体积腐蚀率等重要参数，对节点力学行为所产生的影响规律。
- 腹杆体积腐蚀率对节点承载力起着控制作用。
对影响钢管混凝土 K 形节点力学性能的关键参数进行了系统分析，这些参数包括体积腐蚀率、材料强度、弦杆径厚比、腹弦杆管径比等，且是在随机局部腐蚀作用下。基于参数分析的结果，提出了钢管混凝土 K 形节点腐蚀后剩余强度的简化计算方法。验证结果显示钢结构挠度允许值，该计算方法能够有效地预测带有随机局部腐蚀损伤的节点剩余承载力。
钢管混凝土 K 形节点存在随机局部腐蚀情况，在长期荷载作用下，需进行全过程分析以确定节点剩余强度。
赵文杰、张静怡和侯超指出，对随机局部腐蚀作用下钢管混凝土 K 形节点的力学性能进行了分析，该成果发表于《钢结构(中英文)》2022 年第 37 卷第 3 期，页码为 10 至 20 页。
DOI 为 10.13206/j.gjgS21100801 。
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拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形截面柱轴压承载力研究
缪其亮1宋振森1,2 张仲祥2,3
1. 上海交通大学船舶与建筑工程学院
2. 上海市公共建筑和基础设施数字化运维重点实验室
3. 华东建筑设计研究总院
摘要：带翼缘十字形截面构件在轴心压力作用下，存在发生弯曲屈曲和扭转屈曲的情况。为了研究拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形截面构件在轴心荷载作用下的破坏模式以及极限承载力，设计了三种截面尺寸的拼合柱，并且利用有限元软件 ABAQUS 对不同长细比和螺栓间距的拼合柱实施了数值模拟。所研究的拼合柱的螺栓间距有 150mm、300mm 和 450mm 这几种。其弯曲长细比的范围是 20 到 140，间隔为 20。为了考察拼合作用对这类拼合截面柱承载力的影响，把它和同尺寸的整体截面柱进行了对比。
数值分析结果显示：拼合柱的长细比对拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形截面柱的失稳模式起着决定作用。当弯曲长细比小于换算长细比，也就是λx 时……< λω 时,拼合柱发生整体扭转失稳,反之,则发生整体弯曲失稳;长细比显著影响其极限承载力,相同截面尺寸下,极限承载力随着长细比增大而降低。增大螺栓间距会使试件刚度与稳定承载力下降,但在常见范围内降低幅度很小,且不影响失稳模式。由于拼合作用的影响,拼合截面柱对比相同尺寸的整体截面柱,其力学性能有所下降,且拼合作用对拼合柱扭转失稳承载力的影响比对弯曲失稳承载力的影响更显著。
拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形的轴压性能及失稳模式通过数值模拟来研究。 拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形的轴压性能通过数值模拟进行研究。 拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形的失稳模式通过数值模拟进行研究。 数值模拟用于研究拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形的轴压性能。 数值模拟用于研究拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形的失稳模式。
缪其亮、宋振森、张仲祥是该研究的来源。他们对拼合式冷弯薄壁型钢带翼缘十字形截面柱的轴压承载力进行了研究。该研究成果发表在《钢结构(中英文)》2022 年第 37 卷第 3 期，页码为 21 - 28 页。
DOI:10. 13206/j. gjgS21103101
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设 计
广州秀场屋盖钢结构分析与设计
黄 林1,2 卜龙瑰2
1. 广东省建筑设计研究院有限公司
2. 北京市建筑设计研究院有限公司
广州秀场处在广州市花都区，是专门为特定主题演出而设立的秀场，整个秀场的建筑面积总计 5.02 万 m2。其内部的主体结构运用的是框架 - 核心筒结构；钢屋盖则是呈自由曲面的单层网格结构，该结构的投影直径大概是 105 m，竖向高度大约是 29.1 m。为适应幕墙需求，钢屋盖结构被划分成边长约为 3 米的四边形和三角形网格，其全部网格数大概为 4000 个。因为屋盖的杆件和节点数量较多，倘若全部杆件都当作主受力构件，就会使结构的传力路径变得复杂，并且施工难度也会增加。对比分析了非主次网格和主次网格两种方案，以确定更优的结构方案；对不同边界情况进行对比分析，以便更高效地确定混凝土楼板和钢屋面的连接节点；对合体模型和独立模型进行对比计算分析，从而确定钢屋盖与下部混凝土支承结构受力的相互作用影响大小；并且进一步对整体结构进行动力分析和静力分析，以此确保结构的振型、周期以及变形都在合理范围。采用屈曲分析来计算杆件的临界荷载，接着通过反算得到其计算长度，这样就能较为精确地对杆件的强度进行验算。
4. 主网格、次网格和屋面支撑杆件的最大应力比分别为 0.78、0.85 和 0.72。
使用 ANSYS 对结构进行了整体稳定分析，此分析考虑了材料和几何的双非线性。从荷载位移曲线能够得知：在荷载加至荷载标准值的 1.8 倍之前，结构大致处于线弹性状态；结构的极限荷载约为荷载标准值的 4.6 倍，这满足了 JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》中极限承载力系数 K 大于 2 的要求。最后针对计算所采用的边界假定这一方面，专门对主要连接节点进行了设计，目的是确保节点构造能够符合边界假定的要求。
关键词：网格结构；计算长度；非线性稳定分析；ANSYS
来源为黄林和卜龙瑰。他们进行了广州秀场屋盖钢结构的分析与设计工作，并将研究成果发表在《钢结构(中英文)》2022 年第 37 卷第 3 期上，该期杂志的页码范围是 29 至 35 页。
DOI:10. 13206/j. gjgS21052501
施工技术
某大跨 V 形柱高空散拼施工过程模拟分析
江志远
中铁建设集团有限公司
摘要：空间钢结构形式丰富多样，造型十分优美，它是一种具备三维空间形体以及三维受力特性的结构。不过，随着建造技术不断提升，在国内出现了诸多异形柱、变标高空间桁架、大跨度桁架等安装施工难度较为突出的钢结构形式，这些形式呈现出跨度较大以及受力较为复杂的特点。以南阳南站工程的大跨不等高桁架屋盖作为载体展开研究。因为不等高大跨空间桁架的施工工艺很复杂，并且还有较大的悬挑跨度，所以下部的 V 形柱出现了较大的变形以及高应力。这个工程是空间倒三角钢桁架结构，悬挑部分达到了 25 米，属于大跨度悬挑结构。从结构受力方面进行分析可以得知，大跨度悬挑结构在受力方面是不利的。首先，在竖向力以及水平力发挥作用时，悬挑根部的弯矩和剪力数值都比较大。根部的节点承受的力较为复杂，很容易成为结构中的薄弱点。倘若此处由于应力较大而出现破坏情况，就会致使整个结构变成机构，进而导致整体结构发生坍塌或者倾覆。其次，悬挑结构对于竖向抗震方面表现得十分敏感。如果悬挑的长度较大，并且悬挑部分自身的重量也比较大，那么这种效应就会显得格外明显。第三，悬挑结构的整体稳定性不佳。所以需要对结构的抗倾覆性进行检验和计算。并且要针对性地采取一些平衡的办法。在综合考虑适合本工程的各种方案之后，适宜采用常规的分段吊装方法。这种方法具有可操作性较强以及安全系数较高等优点。高空焊接质量可通过针对性措施来加以控制，以确保工程质量。有限元软件可在施工过程中进行模拟分析，吊装过程中使用的三维动态模型可进行仿真，还可进行实时干涉检测，确保组件安装到位。对施工方案要及时进行优化，以保证施工安全和施工效率。为此，利用 MIDAS 分析软件对采用高空散拼施工过程的 V 形柱进行有限元模拟，以此来确保后续施工的安全与效率；同时，运用 ANSYS 分析软件对 V 形柱的关键连接点进行计算分析，之后采取相应的补强措施，以保障工程的安全与质量。
2. 在柱装配过程中，结构的最大变形位于大横梁，其变形小于挠度规定限值，同时应力不大于 310MPa，满足相关要求。柱在拼接时，最大变形值与最大应力都是在柱悬挑区进行装配的过程中产生的。经过构造加强之后，节点的应力以及变形能够更好地满足“强节点弱杆件”的设计准则。
不等高桁架结构与 V 形柱相结合，形成了大跨悬挑结构。在施工过程中，采用了高空散拼的方式。并且，通过有限元分析对整个结构进行了深入研究。
江志远指出，某大跨 V 形柱进行高空散拼施工过程的模拟分析。该成果发表于《钢结构(中英文)》2022 年第 37 卷第 3 期，页码为 36 至 43 页。
DOI:10. 13206/j. gjgS21101603
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大跨度混合梁斜拉桥中跨顶推合龙施工技术
林桂枫
中国铁建大桥工程局集团有限公司
在满足斜拉索、主塔、主梁受力要求的前提下，要让斜拉桥结构的实际线型趋近于理论线型，并且还需保证桥梁结构合龙施工的安全。基于石首长江公路大桥的桥梁结构特点、力学特性、预计合龙时间以及工艺实施的风险等诸多因素，在进行了理论分析之后，制定出了采用几何控制法的合龙方案。
首先，对几何控制法和温度配切法这两种施工工艺的优缺点进行了综合分析，接着采用了几何控制法来进行合龙施工。其次，对中跨顶推合龙方案展开研究。先明确与中跨合龙相关的特殊条件，然后找出顶推合龙工艺的实施控制条件，例如安排好合龙时间，计算出合龙段长度和顶推位移量等，之后再对顶推进行分析。首先，按照步骤 1 至 8 对中跨进行合龙施工。接着，对中跨合龙的关键技术进行分析。其一，在合龙之前，安装南塔的纵向顶推装置，此顶推装置既要设置正向顶推千斤顶，又要设置反向顶推千斤顶。其二，在合龙时，需要预先通过前期控制过程钢结构挠度允许值，将两侧钢箱梁调整到允许范围内，而不是在合龙时去调整整体偏差。合龙口的锁定装置需有良好的竖向抗弯刚度和横向抗弯刚度。这样能保证在顶推完毕后，主梁的轴线偏位符合要求，并且合龙口的形状能够保持调整后的状态。当合龙口形态调整完毕后，安装拉杆，以完成合龙段的锁定，从而限制合龙段的横、竖向自由度，同时承受合龙段的部分重量，以满足合龙段环缝焊接施工的要求。
通过施加顶推力于合龙口，将单侧起吊的合龙段嵌入合龙口，这样就消除了因温度影响而导致的合龙段长度与合龙口宽度的差值问题，同时也消除了合龙操作空间不足的问题，从而安全、快速且精确地完成了全桥合龙施工。
关键词：斜拉桥；几何控制法；中跨合龙；顶推
来源为林桂枫。其阐述了大跨度混合梁斜拉桥中跨顶推合龙施工技术。该技术刊载于《钢结构(中英文)》2022 年第 37 卷第 3 期，页码为 44 - 50 。
DOI:10. 13206/j. gjgS21052502
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钢结构热点探析
本期问题:底部框架上面加门式刚架钢结构,可以吗?
问题引入：
因为顶部需要大空间，所以经常会出现底部是混凝土框架结构，而顶部做成门式刚架钢结构的形式。这种结构是否符合抗震要求呢？
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