钢结 构（中 英 文）
2021年第11期导读
科 研
双层索网与张弦梁结构对竖向刚度及索力敏感程度差异化分析
区 彤1,2 林全攀1 姜正荣3 石开荣3
1. 广东省建筑设计研究院有限公司
2. 广东省建筑金属围护系统工程技术研究中心
3. 华南理工大学
摘要：大跨度柔性结构和半刚性结构，因为引入了索单元，所以结构的受力性能得到了显著提高，这使得更多能够满足建筑创新要求的结构得以实现。近年来，上述两种结构在大型体育场馆中被广泛应用，国内外的学者对它们进行了大量的理论研究，并且研究成果已经较好地应用到了实际工程中。柔性结构和半刚性结构对索单元的依赖程度不同。由于这种差异，两种结构在竖向刚度方面以及索力敏感程度方面都产生了较大的差别。而这种差别对实际的设计以及施工产生了极为巨大的影响。
为探究上述问题，我们利用通用有限元软件 ANSYS 构建了尺寸相同的大跨度轮辐式双层索网和辐射式张弦梁结构。接着，以竖向刚度和索力敏感程度为目标，设定了相应的对比参数，这些参数包括等效竖向刚度系数 G、索力敏感程度值 TS1 以及索力敏感程度相对值 TS2。然后，对多组不同跨度的这两种结构进行了对比分析，目的是为了指导相似工程的设计工作。
结果表明：在外荷载持续增大期间，索网结构的竖向刚度既有突变情况，又有缓慢增强的现象。对环向索（构造索）的内力进行跟踪记录后，发现到刚度突变点时，环向索内力逐渐从正值降到零，也就是发生了松弛。这说明环向索的松弛现象使得结构竖向刚度发生了突变。通过相关数据分析能够知道，与荷载施加初期的刚度相比，索网结构在荷载施加末期的刚度增加了约 3.2%，由于增加量比较小，在实际分析中可以忽略不计。张弦梁结构的竖向刚度一直保持不变，也没有刚度突变的情况。跨度较小时，索网和张弦梁的等效竖向刚度系数 G 比较接近。随着跨度逐渐增大，两种结构都有等效竖向刚度系数 G 下降的现象。不过，索网结构的下降速率比张弦梁结构快很多。在相同平面布置的情况下，索网结构的索力敏感程度值 TS1 大于张弦梁结构，索力敏感程度相对值 TS2 也大于张弦梁结构。这表明索网结构对索力的敏感程度较小。而张弦梁结构因为有上部刚性杆件的存在，在较小索力的情况下整体刚度就已经形成，所以该结构对索力的敏感程度得到了加强。在增大预应力或者减小跨度的时候，索网结构出现了对索力敏感程度减弱的现象，张弦梁结构也出现了对索力敏感程度减弱的现象。将索网与张弦梁结构的索力敏感程度值 TS1 进行比较，可以发现，索网结构的 TS1 值与张弦梁结构的 TS1 值的比值稳定在 2.43 到 2.55 之间，这个结果能够为相似工程提供参考。
大跨度结构采用轮辐式双层索网和辐射式张弦梁。轮辐式双层索网和辐射式张弦梁能提升竖向刚度。这种结构对索力较为敏感。
来源为区彤、林全攀、姜正荣、石开荣。他们进行了双层索网与张弦梁结构对竖向刚度及索力敏感程度的差异化分析。该成果发表在《钢结构(中英文)》2021 年第 36 卷第 11 期，页码为 1 - 7 。
DOI: 10.13206/j.gjgS20062901
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柔性钢框架结构受力性能分析
唐强、刘 强、王连坤、杨惠贤、郭 语、严自强、王吉琮分别为 1 和 2 。
1. 五邑大学土木建筑学院
2. 江阴市三江钢结构设计有限公司
摘要：要分析强弱轴、梁柱截面宽厚比、高跨比、轴压比对于柔性框架结构在低周往复荷载作用时初始刚度、承载力、变形能力的影响。首先，针对一榀双层且无轴压的柔性钢框架开展拟静力试验研究。然后，以试验所得结果为基础，在此之上建立非线性有限元模型。4. 柱的强轴和弱轴对构件受力性能的影响。
4. 强、弱轴方向的改变对结构整体性能影响较大，钢柱从强轴方向变为弱轴方向时，承载能力下降 40%，初始刚度下降 65%。
关键词：柔性钢框架；抗震性能；有限元分析
唐强、刘强、王连坤、杨惠贤、郭语、严自强、王吉琮提供了来源。该来源为柔性钢框架结构受力性能分析。此内容发表于《钢结构(中英文)》2021 年第 36 卷第 11 期，页码为 8 - 13 。
DOI: 10.13206/j.gjgS20092302
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特殊桁架式钢框架连接节点的滞回性能分析
庞 琳孙国华董嘉颖廖倩文
苏州科技大学土木工程学院
1994 年美国北岭发生地震，1995 年日本阪神发生地震。在对这两次地震的灾害调查中发现，传统抗弯钢框架结构的梁柱连接节点出现了大量的脆性破坏。这种脆性破坏使得具有良好延性行为的抗弯钢框架结构的变形能力未能得到充分发挥，进而导致结构整体的抗震性能较差。因此，梁柱连接节点性能的优劣，成为决定抗弯钢框架结构抗震性能好坏的关键因素。国内外一些大型公共建筑（像医院、商场、体育场馆等）为适应自身跨度大的特点，逐渐采用了特殊桁架式钢框架结构（简称 STMF）。这种 STMF 结构抗侧刚度大，水平承载力高，耗能性能优良，有着广阔的应用前景。钢桁架与钢柱之间的连接节点容易断裂，其中腹杆与钢柱的连接焊缝处以及弦杆与钢柱的连接焊缝处极易脆断，这使得 STMF 结构的延性和变形能力比较差。目前，国内外学者对 STMF 连接节点的研究还比较少，这对 STMF 结构的工程推广应用是不利的。为明晰滞回性能，以 STMF 结构的边柱节点为研究对象。通过有限元方法分析其受力特征，从而明晰相关设计参数对滞回性能的影响，为工程应用提供参考。
设计了 STMF 连接节点的 base 试件，接着利用 CAD 程序构建了它的三维几何模型，之后用 Hypermesh 程序对该模型进行了网格划分，随后采用 ABAQUS 程序建立了微观有限元模型并对其进行了滞回性能分析。其次，在 base 试件的基础上进行了设计。设计出了 3 个系列的 STMF 连接节点。重点考察了弦杆截面的影响。重点考察了桁架高度的影响。重点考察了端斜腹杆截面的影响。这些因素主要包括弦杆截面、桁架高度、端斜腹杆截面等。重点考察了这些因素对其滞回性能的影响。重点考察了这些因素对其抗弯承载力的影响。重点考察了这些因素对其变形能力的影响。重点考察了这些因素对其破坏模式的影响。重点考察了这些因素对其应力分布的影响。
分析表明：STMF 连接节点中桁架下弦杆的 Mises 应力水平比较高，端节间的下弦杆在弹塑性阶段容易出现整体失稳，并且在加载后期还会出现局部失稳；弦杆截面增加时，STMF 连接节点的抗弯承载力、节点转动刚度、耗能能力都呈现出增大的趋势，不过对 STMF 连接节点滞回曲线的形状影响较小；桁架高度增加时，STMF 连接节点的抗弯承载力、节点转动刚度、耗能能力都呈现出显著增加的趋势，但破坏模式没有显著改变；在桁架端部斜腹杆不过弱的情况下，改变端斜腹杆截面钢结构风塔制造工艺，对 STMF 连接节点的滞回性能、抗弯承载力、节点转动刚度、耗能能力影响不明显，其受力模式和应力分布也没有发生显著改变。
关键词：桁架；梁柱节点；滞回性能；有限元分析
庞琳、孙国华、董嘉颖和廖倩文指出，特殊桁架式钢框架连接节点的滞回性能得到了分析。该研究成果发表在《钢结构(中英文)》2021 年第 36 卷第 11 期，页码为 14 至 20 页。
DOI: 10.13206/j.gjgS20081102
热处理对G20Cr2Ni4A 钢性能影响的正交试验研究
董福元1,2 蒙昭静1,2 张明旭1,2
1. 北方民族大学材料科学与工程学院
2. 北方民族大学“粉体材料与特种陶瓷”重点实验室
摘要：G20Cr2Ni4A 钢属于 CrNi 系的优质合金渗碳钢。这种钢的 Cr、Ni 含量比较高。它的淬透性较好。经过渗碳处理后，其表面具有相当高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度。并且，它的心部还能保留良好的韧性。所以，这种钢具有优良的综合力学性能。G20Cr2Ni4A 钢的临界点 Ac1 和 Ac3 之间温度范围较窄，其中 Ac3 为 780℃。因为这个特点，所以可以选择较低的淬火温度。这样做既能够保证表面和心部的硬度，又能使齿轮畸变减小。G20Cr2Ni4A 经过加热淬火加回火处理后，能够提高材料的冲击韧性，并且可以改善构件心部的综合力学性能。20Cr2Ni4A 钢淬火试样经过回火处理。不同温度下进行回火。回火后的冲击韧性有所不同。当回火温度在 200℃左右时。冲击韧性达到最高值。
选取 200℃作为回火温度，利用两因素三水平的正交试验对 20Cr2Ni4A 钢进行热处理，观察淬火温度对其金相组织、残余奥氏体含量、硬度和冲击性能的影响，同时观察回火时间对其金相组织、残余奥氏体含量、硬度和冲击性能的影响。正交试验对 G20Cr2Ni4A 钢进行热处理，使用的淬火温度为 800℃、850℃、900℃，回火时间为 1h、3h、5h。接着分别测量其硬度、冲击功和残余奥氏体含量。经过正交试验分析，并与原始样品进行对比后得出：淬火加热温度和回火时间对 G20Cr2Ni4A 钢的力学性能有着显著的影响。淬火加热温度升高时，硬度、冲击功、残余奥氏体量先是增大，之后缓慢减小；回火时间延长时，硬度、冲击功、残余奥氏体量先是减小，之后增大。硬度会随着残余奥氏体含量的增加而上升，冲击韧性与残余奥氏体量呈近似直线的关系。G20Cr2Ni4A 钢进行 850℃淬火操作后，再进行 200℃回火 1 小时。此时，残余奥氏体的含量为 2.97%。经过这样的处理，试验钢展现出了最佳的综合力学性能，其硬度达到 45.1，冲击功为 25.0J。
G20Cr2Ni4A 进行了正交试验和热处理，其力学性能和残余奥氏体受到了影响。 正交试验用于研究 G20Cr2Ni4A 在热处理过程中的变化。 热处理对 G20Cr2Ni4A 的力学性能和残余奥氏体有着重要作用。 G20Cr2Ni4A 的力学性能和残余奥氏体因热处理和正交试验而改变。 正交试验与热处理共同作用于 G20Cr2Ni4A 并影响其力学性能和残余奥氏体。
来源为董福元、蒙昭静、张明旭。他们进行了热处理对 G20Cr2Ni4A 钢性能影响的正交试验研究。该研究成果发表于《钢结构(中英文)》2021 年第 36 卷第 11 期，其内容涵盖 21 至 26 页。
DOI: 10.13206/j.gjgS20032601
设 计
关于组合梁桥构造细节设计有关问题的探讨
刘治国李军平车 平张海峰
中铁宝桥集团有限公司
近年来，我国公路钢结构桥梁建设取得了较大成就。然而，钢结构桥梁具有专业性强和工艺性高的特点。并且，设计单位与制造单位的协同性较差，这导致设计人员常常忽略钢桥梁制造的工艺性。所以，在钢结构桥梁制造过程中，出现了设计与制造之间脱节的现象。为提升设计人员对钢结构桥梁构造细节处理的认知，结合我国多座组合梁桥，对钢桥梁的构造细节进行了较为细致的说明。
7. 常规跨径桥梁具有线路长、线形复杂的特点，可采用“通用图+专用图”的设计模式，为保证施工详图转化过程中桥梁线形和构件连接关系的准确性，选择合理的详图转化方式较为重要。阐述的钢结构桥梁构造细节处理内容，能够改善钢结构桥梁设计和制造脱节的现象，还能提升我国钢结构桥梁设计人员构造细节处理的水平，具有较强的指导意义，同时也为类似钢结构桥梁的设计和制造提供了借鉴。
组合梁桥存在构造细节方面的问题，同时也涉及材料选择以及连接方式等内容。其中，焊接接头是重要的部分，而曲线线形也对其有一定影响。
刘治国、李军平、车平、张海峰指出了关于组合梁桥构造细节设计的有关问题并进行了探讨，该探讨成果发表在《钢结构(中英文)》2021 年第 36 卷第 11 期，页码为 27 - 32 。
DOI: 10.13206/j.gjgS20062702
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已建风机基础与置换塔架转接节点有限元分析
彭文兵
同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司
2019 年和 2020 年这两年处于风电抢装潮的背景之下。在这期间，合同违约以及设备无法按照预定时间交付等事件时常会发生。以华东地区的某一个风场作为例子，该风场的大部分风机基础已经浇筑完毕，然而风机厂家却不能够按照预定的时间交付上部的塔筒以及相关设备，所以业主被迫选择了其他的风机厂家。新风机厂的塔筒与已建基础的接口存在不匹配的情况，塔筒接口比基础接口大。并且塔筒已经生产出来了，无法直接进行安装。因此，基础与塔筒之间的转接节点就成为了最重要的设计环节之一。
对于该风场的 2.4MW 机组以及轮毂高度为 141m 的风塔，利用 ABAQUS 有限元分析软件，对已建成的风机基础与置换塔架转接节点的受力性能展开分析，此分析涵盖极限工况和疲劳工况。分析结果表明，在极限工况下，转接节点钢筒的壁厚处于 37 到 45 毫米这个范围内发生变化时，最大塑性总应变都小于 1.0%。在塔架的服役期内，钢筒壁与下法兰之间的对接焊缝焊趾处的损伤累计值比较大，对设计起到控制作用。当转接节点钢筒的壁厚在 37 到 45 毫米的范围变化时，疲劳危险点的损伤累计值会随着厚度的增大而降低，壁厚为 39 毫米时对应的损伤累计值超过了限值 1.0，而壁厚为 45 毫米时对应的损伤累计值是 0.66，最终将壁厚保守地取为 45 毫米。把转接节点当作基础的一部分，采用转换节点之后，其基础的整体抗弯刚度是 81GN·m/rad，依然满足风机厂家对基础的最小抗弯刚度要求（30GN·m/rad），这样机组就可以安全运行。
关键词：风力发电塔；转换节点；热点应力法；焊趾疲劳
来源为彭文兵所著的文章，该文章是关于已建风机基础与置换塔架转接节点的有限元分析，其发表在《钢结构(中英文)》2021 年第 36 卷第 11 期，页码范围是 33 至 38 页。
DOI: 10.13206/j.gjgS21031102
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基于破损安全的柔性吊桥吊杆的优化设计
黄佳鑫1 李 睿2 孔 丹2 刘 坤2 何 嘉3
1. 普洱市地方公路管理处
2. 昆明理工大学建筑工程学院
3. 云南睿德道路桥梁工程设计有限公司
柔性吊桥指的是那种没有设置加劲梁，或者加劲梁高度非常小的吊桥。它具有桥面系构造较为简单的特点，同时耗钢量也比较小。并且，桥面的架设以及维护都很方便。这种桥型看起来十分美观，造价也相对较低。正是因为这些特点，所以它适用于我国地形地势复杂的西南山区。柔性悬索桥中，大部分荷载是由缆索来承担的。在设计时，已经考虑了一定的安全系数。然而，随着时间不断推移，在车辆荷载的作用下，桥面会因为悬索形状的改变而产生 S 形的变形，这种变形不利于行车的安全。与此同时，由于存在超载、疲劳等不确定因素，吊杆会出现破损的情况，这给吊桥的安全运营带来了威胁。另外，山区的自然环境十分恶劣，这使得柔性吊桥的疲劳寿命问题逐渐显现出来。近年来，我国出现了很多因吊杆断裂而致使桥梁垮塌的事件。所以需要对柔性吊桥的吊杆进行优化设计，目的是保障桥梁的安全并且使其高效运行。
以车里格桥作为例子，对吊杆的破损安全优化设计方案进行研究。借助有限元软件，分别计算原桥吊杆以及基于应力差优化后的吊杆的内力。然后对比分析两者是否能够实现寿命差。主要内容如下：1) 通过理论分析和计算分析，提出用由内外部分组成的单吊杆优化方案来代替传统的平行双吊杆，并对其应力差以及强度差的“破损安全吊杆系统”进行评估。3) 通过对吊杆内外部分的面积比以及弹性块的刚度进行改变，来探究寿命差破损安全吊杆的优化效果。
结果显示：它无法实现显著的寿命差异。基于上述情况，提出在安全束下方添加橡胶垫块的方案，利用调整应力幅差来达成破损安全优化设计的目标，并且通过静、动力分析来验证其优化效果；最后通过调整截面参数和橡胶垫块刚度来研究破损安全吊杆的受力特性。结果表明：橡胶垫刚度的变化对吊杆应力幅的影响较为显著。
关键词：柔性吊桥；吊杆；破损安全；结构优化；寿命差
黄佳鑫、李睿、孔丹、刘坤和何嘉提供了相关内容，其来源于基于破损安全的柔性吊桥吊杆的优化设计这一研究，该研究发表在《钢结构(中英文)》2021 年第 36 卷第 11 期，其页码范围是 39 至 45 。
DOI: 10.13206/j.gjgS2008302
学术讨论
关于《大跨单层异形钢网壳整体稳定承载力分析》一文的讨论
王立军
华诚博远工程技术集团有限公司
摘要：大跨的挠跨比如同多高层的层间位移角，始终是设计控制的重要指标。《大跨单层异形钢网壳整体稳定承载力分析》一文从结构稳定这一角度，对周口店遗址（猿人洞）保护建筑工程的结构设计进行了全面且细致的介绍。从网壳挠跨比的限值以及地震稳定这两个方面，对该项目展开了进一步的讨论，旨在引起业内同仁对学术研讨的关注并促使其参与其中。
关键词：大跨；网壳；挠跨比；稳定
王立军提出了关于《大跨单层异形钢网壳整体稳定承载力分析》一文的讨论，该讨论发表于《钢结构(中英文)》2021 年第 36 卷第 11 期，页码为 47 - 48 。
DOI: 10.13206/j.gjgS21110201
钢结构热点探析
本期问题:钢雨篷要考虑正风压吗?
问题引入：JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》（简称《高规》）的第 4.2.8 条作出规定，檐口、雨篷、遮阳板、阳台等这些水平构件，在计算局部上浮风荷载的时候，风荷载体型系数最好不要小于 2.0。因为有了《高规》的这条规定钢结构风塔制造工艺，所以雨篷的负风压体型系数μs 取值为-2.0 是不存在争议的。
《高规》未规定雨篷向下的正风压荷载体型系数的取值方法，因此存在较大争议。很多人认为无需考虑正风压。原因较为简单，从已发生的工程事故情况来看，通常是雨篷被吹翻，很少有听说被吹掉的情况。也有人觉得可以参考 GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》（简称《荷载规范》）表 8.3.1 第 29 项“单坡及双坡顶盖”的体型系数来确定取值，但同时觉得这与雨篷的形式不是很一致。
对于向下荷载工况进行控制时，正风压的不利作用是不可忽视的。大雪时将雨篷压塌的事故，谁敢说没有正风压的作用呢？然而，《荷载规范》并未对此作出规定，由于每个人的想法必然不同，所以在实际执行中会遇到很大困难。
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