2024年第5期“Q690高强钢构及其焊接关键技术的工程应用研究”专刊
《钢结构（中英文）》2024年第2期《现代膜材料与膜结构技术创新发展》专刊导读
《钢结构（中英文）》2024年第1期《组合结构抗震性能与韧性提升研究》专刊导读
《钢结构（中英文）》2023年第12期《组合结构抗震性能与韧性提升研究》专刊导读
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为研究锁铆连接的铝合金蜂窝板板-杆组合结构的力学性能,对3组锁铆连接的铝合金蜂窝板-杆组合结构进行静力试验分析,探讨蜂窝板、锁铆连接间距等对组合结构受力特性和变形性能的影响。试验表明:铝合金蜂窝板参与网壳结构共同工作后,充分发挥了蜂窝板及铝合金杆件轻质高强的优势,使组合结构的力学性能和变形性能显著提升。铝合金蜂窝板与铝合金杆件之间的有效连接是发挥铝合金蜂窝板及杆件性能的关键,无板组合结构的最终破坏形态为铝合金杆件连接节点处的脆性破坏,而铝合金蜂窝板-杆组合结构的最终破坏形态为在保证锁铆连接件的连接性能时,铝合金杆件断裂后结构仍然能继续承载的延性破坏。同时,不同的连接方式对组合结构有较大影响,相较于传统的抽芯铆钉连接,板-杆采用锁铆连接能有效提高组合结构的整体性,且在结构破坏时不发生锁铆节点破坏,板件仅产生局部屈曲,具有良好的连接性能。此外,锁铆连接间距对铝合金蜂窝板-杆组合结构的承载力和变形性能有较大的影响,在相同连接直径、连接工艺以及相同蜂窝板厚情况下,连接间距越小,组合结构承载力越大。
部分包覆钢-混凝土组合柱(简称PEC柱)在装配式建筑领域具有广阔的应用前景,近几年来在住宅领域中矩形PEC柱推广应用相对较多,但是L型PEC柱,尤其在框架-支撑结构中应用较少。L形PEC柱是一种新型的组合结构构件,因其肢厚与墙体同宽,避免了室内凸柱,因此在装配式钢结构住宅建筑中具有更好的应用前景,但是其箱型钢支撑节点构造较复杂,通常在项目设计中,节点域构造形式参照16G519《多高层民用建筑钢结构节点构造详图》中的钢结构节点构造确定,故对L型PEC柱与支撑的节点域构造及性能的研究尚待完善。以东升和府10号楼住宅项目为背景,依据“强节点、弱构件”抗震设计要求,按设防地震弹性分析要求提取YJK模型中构件内力:在1.3(D+0.5L)+0.3W+1.4Eh和1.0(D+0.5L)+0.3W+1.4Eh工况组合下分别取得支撑最大轴压力和轴拉力。根据该组合下的相关杆件内力开展箱型钢支撑节点传统方案及优化方案的有限元分析,基于有限元分析结果,分析节点域在受拉及受压下混凝土及主钢件应力分布及应力值,得出箱型支撑腹部传来的压力可以由L形PEC柱中填充的混凝土抵抗,传来的拉力可通过水平加劲板有效传递。在设防地震弹性工况组合下优化方案与传统方案应力分布及应力峰值基本一致,且节点域具有较高的安全裕量,满足“中震弹性”组合工况性能要求,优化后的L形PEC柱的箱型支撑节点结构性能未有明显下降,但给加工带来便利性,并提高质量可控性。
钢结构具有自重轻、强度高、抗震性能好、易于装配等特点,是最理想的住宅之一,近年来在国家和地方政策的倡导下取得了较大的发展。传统钢结构住宅主要采用钢框架结构、钢框架支撑结构、钢框架剪力墙结构等,然而这些结构体系普遍存在“凸梁凸柱”问题,影响建筑使用空间和居住体验。为此,在传统钢框架结构的基础上提出了一种扁钢管柱-X型支撑钢框架结构,该结构体系采用截面宽度在200 mm以内的扁钢管柱和窄翼缘钢梁,并通过设置X型支撑来增大结构抗侧刚度,可以较好地解决“凸梁凸柱”问题。针对该新型结构体系,开展了以下工作:1)利用PKPM结构设计软件对分别采用扁钢管柱-X型支撑钢框架结构和传统钢框架结构的某学校学生宿舍楼进行了多遇地震作用下的结构受力性能及整体指标分析,包括结构周期、地震作用下结构最大层间位移角和最小刚度比,并对比了两种结构体系的用钢量;2)利用SAUSAGE软件选择了2条天然地震波和1条人工地震波,对该结构体系进行了罕遇地震下的结构弹塑性分析,统计了结构在各地震工况下的弹塑性层间位移角以及构件性能水平;3)利用MIDAS FEA有限元软件对该体系基本结构单元进行了静力推覆分析,得到了其破坏模式和延性性能。研究结果表明:1)通过合理布置扁钢管柱-X型支撑单元,结构在多遇地震作用下的各项指标均满足GB50011—2010《建筑抗震设计规范》要求,同时具有一定的经济性,与传统钢框架结构相比节约用钢量3%左右。2)结构在罕遇地震作用下表现出良好的抗震性能,大部分构件均未出现中度以上损坏,各工况下结构最大弹塑性层间位移角均小于1/50,满足GB 50011—2010要求。3)通过静力有限元推覆分析计算得出结构位移延性系数为8.5,表明结构具备良好的延性和抗推覆性能,同时可以看出柱在与支撑相连部位有较明显的损坏,因此后续可对该部位进行加强构造措施。
针对矿山化工等行业中烟气脱硫核心装置脱硫塔的结构设计问题,以脱硫塔的质量最小和屈曲承载力最大为优化目标,基于理想点法将多目标优化问题转化为单目标优化问题,结合不同参数下脱硫塔的应力分布特征,构建了针对脱硫塔的轴压屈曲承载力优化模型。以某烟气脱硫工程脱硫塔为工程背景,基于APDL语言设计了一套关于脱硫塔屈曲承载力的参数化建模及优化分析方法。轴压屈曲承载力优化主要结论为:1)环向、纵向加强筋对于轴压荷载下的脱硫塔结构稳定性均有较好加强作用,但纵向加强筋的补强效果明显优于环向加强筋;尽管联合补强的效果要低于纵向加强筋单独补强,但是工程实际中复杂工况决定了环向加强筋不可或缺;2)联合补强后的结构强度有较大提高,结构的最大许用应力提升幅度达一倍多,加强效果明显;从应变云图中可以看到,尽管结构变形程度有小幅增加,但分布更加均匀,能够更充分地利用材料承载性能,保证结构整体稳定;3)优化后的脱硫塔结构质量从417 810 kg增加到429 160 kg,增加了2.715%,结构屈曲承载力从22 077.435 N提升到47 536.231 N,提高了115%。通过该优化分析方法,能够获得较为合理的加筋方案,操作过程简单,优化效果明显。
火灾是钢结构安全的主要威胁之一,传统钢结构的主要防火措施为涂抹防火涂料、浇筑混凝土形成组合结构或设置防火板,其中又以防火涂料应用最为广泛。然而,室外涂抹防火涂料耐久性差,存在坠落伤人隐患。且对于防火要求较高的钢结构需厚涂防火涂料,这尤其会影响地标性建筑的建筑效果。近年来,耐火钢作为一种新型的防火保护措施逐渐兴起,其能够有效避免上述防火措施的缺点,但由于大量添加合金元素Mo导致其成本往往较高。南钢集团研发的新型低Mo耐火钢在保证优异抗火性能的同时减少了Mo元素的添加量,从而减小了综合制造成本而受到广泛关注。基于构件承载力法,依托于某具有高大空间的钢结构大雨棚,对南钢新型低Mo耐火钢在抗火设计中的应用可行性进行了研究。作为某市新建地标性建筑,设计要求大雨棚屋面梁应满足3 h耐火极限。首先探索了高温下该国产耐火钢的材性折减规律,通过与现行规范理论计算结果对比,发现该国产耐火钢满足通用耐火钢的材性折减要求且可根据规范相应公式准确预测不同温度下的材性折减。随后基于结构抗火设计原则共确定了11个火灾场景,分别分布于雨棚边跨及中跨。以上火灾场景被认为已覆盖该大雨棚实际使用状态下可能发生的所有火灾。进一步根据相关规范,分析了各火灾场景下大雨棚的升温规律。分析表明,按照设计要求经3 h升温后,边跨火灾场景下最高空气温度接近750℃,最高构件温度接近730℃;中跨火灾场景下最高空气温度接近600℃,最高构件温度接近570℃,均远低于ISO 834标准火灾升温。高大空间建筑火灾下升温低的特点表明高大空间建筑可作为未来耐火钢应用的主要场景。最终,分别采用Q355普通结构钢与Q345FR国产耐火钢对各火灾工况下各构件进行承载力和稳定性验算。结果表明,若仅采用Q355普通结构钢,高温下钢梁GL3、GL3a及GL4无法满足承载力要求;而若采用Q345FR耐火钢,屋顶钢构件的强度和整体稳定性均能满足要求。
钢结构具有强度大、自重轻、易加工、便安装等优点,在石油化工企业中得到了广泛应用。钢结构防火设计对结构的安全性及经济性的影响十分重大,涉外工程中设计人员有必要熟悉不同标准之间钢结构防火设计的差异。通过对中、美标准中石油化工钢结构防火设计的对比研究,发现中、美标准中火灾危险区划分、防火范围、耐火极限等明显不同。对于防火范围,国标中石油化工企业钢结构的防火范围主要依据的是爆炸危险区,而美标防火范围依据的是火灾危险区,中、美标准危险区域的划分均与设备的火灾危险分类密切相关。国标中爆炸危险区是由电气工程师划分,美标中火灾危险区是由管道工程师划分。对于耐火极限,国标的耐火极限严于美标。对于耐火层,国内石油化工钢结构装置一般选用耐火涂料防火,海外石油化工钢结构装置一般选用外包轻质混凝土防火。1)对比分析中、美标准中承重钢结构(透空钢格板,封闭式楼板,支撑中、高危险设备等)的防火范围和防火高度,表明中、美标准中钢结构防火范围均考虑了楼板形式、空冷器布置等因素,但国标防火高度是具体到某一标高点,美标防火高度是具体到某一层,并且美标防火范围要做到中、高风险设备的支撑层。2)对比分析中、美标准中钢管架的防火范围,表明对于普通钢管架,当底层层高低于4.5 m时,国标防火高度大于美标,当底层层高不低于4.5 m时,中、美标准防火高度要求一致。3)对比分析中、美标准中下部设有可燃液体泵钢管架的防火范围,中、美标准中钢管架(下部设有可燃液体泵)的防火范围是不同的,国标的防火范围是具体到某一标高点,而美标是具体到某一层。4)对比分析中、美标准中耐火层的位置,表明中、美标准承重钢构架、支架及管架的下列部位,可不覆盖耐火层:a.不直接承受或传递设备、管道垂直荷载的次梁;b.仅用于支持楼板、钢格板的梁;c.仅用于抵抗风和地震作用的非承重支撑;d.卧式设备和换热器设备的鞍座。最后,给出了钢结构楼层缩进时的防火范围及柱间支撑的防火要求,采用框架支撑体系的钢结构装置,柱间支撑的防火要求应与钢柱相同。上部存在收进的钢结构防火宜按其平面投影范围内各楼层的楼板封闭情况、空冷器布置等因素确定防火范围。
点支承板件的应用包括螺栓连接受压板件和对拉螺栓拉结的双钢板内填混凝土组合墙。论述了点支承板件受压时板式屈曲和柱式屈曲的临界应力的计算公式,为使弹塑性临界应力达到屈服强度必须限制的螺栓纵向和横向间距。对比了对拉螺栓双钢板组合墙和多腔钢管混凝土组合墙的不同,对组合墙的对拉螺栓提出了设计要求。
结构工程专家,重庆大学教授,国家钢结构工程技术研究中心主任,英国皇家结构工程师学会Fellow,英国皇家特许结构工程师。兼任中国钢结构协会荣誉会长,国家钢结构工程技术研究中心技术委员会主任等学术职务。长期从事钢结构、钢-混凝土组合结构等方向的教学与科研工作。
结构工程专家,清华大学教授,清华大学未来城镇与基础设施研院院长,清华大学术委员会主任,清华大学科学技术协会副主席。兼任中国土木工程学会副理事长,住建部超限高层建筑工程技术专业委员会主任委员等学术职务。长期从事钢-混凝土组合结构、结构新体系和新技术等方向的教学与科研工作。
结构工程专家,北京科技大学城镇化与城市安全研究院院长、国家城市安全发展科技研究院院长、深圳市城市公共安全技术研究院名誉院长与首席科学家等，兼任中国钢结构协会会长、住建部建筑工程抗震设防专家委员会主任、应急管理部专家委员会委员等，长期担任国家科技部社会发展、新材料、科技平台等领域专家。
