基于构件重要性指标的RC框架结构抗震优化设计研究

通过引入基于结构广义刚度的构件重要性指标,提出了考虑构件重要程度差异的RC框架结构抗震优化设计方法。根据“构件重要性越大,承载力储备也越大”的结构系统设计策略,以构件的重要性程度由小到大逐渐发生损伤破坏的破坏模式为目标,根据现有一般构件的安全储备取值,建议了基于构件重要性指标的安全储备表达式。以广义结构刚度损失率作为结构失效判定依据,通过一RC框架结构抗震设计算例,分别对采用基于构件重要性指标方法和现行规范方法设计的结果进行对比,结果表明,建议方法的设计结果,其配筋分布更加合理,抗震性能得到显著改善,且总用钢量略有降低。     

结构鲁棒性评价中的构件重要性系数

 考虑结构的鲁棒性是保证结构安全、特别是应付突发事件的最重要措施之一。如何对结构的鲁棒性进行定量评价是目前结构工程界最具有挑战性的前沿问题之一。以移除所分析构件前后的结构承载力变化为着眼点,给出一个结构鲁棒性评价中计算构件的重要性系数的新方法。在概念上,综合考虑结构的几何拓扑关系、构件的刚度和强度以及外荷载对结构鲁棒性的影响;在力学意义上,描述已破坏的构件是如何影响剩余结构的,实际上考虑了结构本身的性质与外荷载的共同作用机制;在加载过程中,以结构退化成机构为分析终止点,从一定程度上表现构件重要性与整个结构鲁棒性之间的关系;在算法上,以摄动法建立将构件“概念移除”前后的结构刚度矩阵关系,避开重组刚度矩阵和对其求逆的复杂过程,从而简化运算。最后通过两个满应力设计下的平面桁架结构为例,说明计算的过程,同时通过与已有构件重要性系数指标方法作比较,找到其中的区别和内在联系,论证计算结果的正确性和合理性。     

考虑平面弯曲变形的单跨排架结构布置规则性判定指标研究

周期比和扭转位移比是多高层结构抗震设计常用的控制指标,但无法真实反映大跨度结构平面布置规则性及其在地震作用下的变形、内力特征。为此,以单跨排架结构为主要研究对象,考虑其屋面结构面内弯曲刚度小等特点,根据控制平面布置规则性要求的本质目的,即控制抗侧力构件侧移的均匀性,提出判断其平面布置规则性的两个指标——广义扭转位移比和剪力-刚度匹配指标。探讨了两个指标在各种参数下的变化规律,建立了两个指标的函数关系,划定了基于广义扭转位移比的结构平面布置规则性限值。结果表明：广义扭转位移比和剪力-刚度匹配指标能更合理地表征地震作用下,单跨排架结构的响应特性;按照两个指标,排架结构平面布置规则性不但取决于抗侧力构件的布置、质量分布,也取决于结构面内弯曲刚度及平面弯曲变形大小。     

交错桁架结构体系的受力性能

介绍了交错桁架结构体系的受力特点,给出该体系在静力荷载和动力荷载作用下的受力性能,结果表明其结构简单、受力明确,大部分构件主要承受轴力,结构侧向刚度大,侧移小,抗震性能良好,是一种极具发展前景的结构形式。     

随机性验证荷载对既有建筑结构构件可靠度的影响分析

对既有建筑结构构件进行安全性评定时,容易推断其在已服役时间内的随机性验证荷载。以混凝土受弯、大偏压和轴压三类构件为例,研究了随机性验证荷载作用下结构构件可靠指标的时变规律。不考虑抗力退化时构件可靠指标和失效概率的时变规律分析表明：①经5年左右的验证荷载作用后,构件的失效概率均趋于与服役时间成正比;既有结构评定时的构件失效概率回复至零,且失效概率增长速率基本与原设计构件相同;②评定时的已服役时间越长、评估使用年限越短、永久荷载占比越大,验证荷载引起的构件可靠指标基本增量越大,而三类构件之间的可靠指标基本增量差异不大;③验证荷载引起的可靠指标综合增量由可靠指标基本增量和评估使用年限缩短引起的可靠指标增量构成,且后者大于前者;④评估使用年限不超过5年和已服役时间的一半时,验证荷载的有利作用较显著,采用基于良好结构状态的评定方法评定既有结构构件的安全性时应限定评估使用年限和已服役时间。完整的结构构件时变可靠指标分析应同时考虑抗力退化、验证荷载作用以及评估使用年限缩短的影响,验证荷载作用及评估使用年限缩短可抵消部分因抗力退化引起的可靠指标降低。     

基于客观赋权法的构件重要性评估

总结了平均应力比法、稳定退化系数法和刚度退化系数法3种关键构件的评价方法,介绍了客观赋权法的基本原理,并将客观赋权法应用于结构的构件重要性评估,确定各评价指标的权重系数。最后以平面框架为算例,分别使用平均应力比法、稳定退化系数法、刚度退化系数法和基于客观赋权法的评价方法对结构的构件进行重要性评估。结果表明:基于客观赋权法的评价方法能够很好地寻找出结构中的关键构件,而且克服了单一评价指标的不足,具有较好的优越性。     

降温作用下开裂混凝土拉弯构件的有效轴向刚度计算方法

温度作用对超长混凝土结构的影响非常显著。在正常使用荷载作用下，结构可能已经出现少量弯曲裂缝，而在降温作用下，构件中可能产生的拉力将使混凝土构件进一步开裂，构件的刚度会因此大幅降低。提出了一种简化的弹性分析方法，考虑拉弯构件在温度作用下的刚度折减，通过计算迭代至刚度收敛，得到开裂拉弯构件的有效轴向刚度。分别采用所提出的方法和ANSYS有限元模拟，对单跨超静定梁在正常使用荷载和降温共同作用下的内力进行分析，得到梁在温度作用单调增加时的轴力变化曲线。对比两种分析方法的结果，表明提出的简化方法计算的内力与有限元模拟的结果较为吻合，该简化方法避免了复杂的非线性有限元分析，具有较好的可行性和较高的精度。     

既有网格结构构件重要性实用判定方法

从结构刚度和构件抵抗外荷载的角度出发,提出了一种适用于既有网格结构构件重要性判定的计算方法。通过理论公式推导,建立了构件重要性系数和构件重要性判定系数的简化计算方法,给出了根据构件重要性系数和构件重要性判定系数判断结构是否为静定结构的推论。最后,以一个平面桁架和一个空间网架结构为算例,验证了既有网格结构构件重要性判定方法的实用性和可靠性。     

索网的普遍变分原理及其应用

本文首先采用了广义内力和广义形变的观念建立了一般化变分原理。其次采用了三角形单元,作出了索网的有限单元法构式,推导了刚度矩阵及荷载矩阵的表示式以及非线性问题的迭代过程。在附录中列出边缘构件曲梁的刚度矩阵的形式。将素网的刚度矩阵和曲梁的刚度矩阵结合起来可以考虑它们之间的相互作用。并用本文方法计算了振动问题。从例题中可以看出无论在静力计算或动力计算中考虑边缘构件的共同作用与不考虑共同作用其计算结果将有显著不同,这说明了考虑共同作用的重要性。     

大体积混凝土转换构件叠合法施工的荷载传递研究

对钢筋混凝土结构中的大体积转换构件叠合施工时的模板支撑体系进行数值模拟试验,研究了在采用叠合法施工时转换构件和模板支架的荷载分配与这二者的线刚度的关系,并通过数理统计得出荷载分配和刚度的结果。     

竖向承重与水平抗侧相分离的组合框架-剪力墙结构体系抗震性能研究

为提高传统钢结构体系在住宅产业化应用中的标准化程度、装配化效率以及安全性能,提出了竖向承重与水平抗侧相分离的组合框架-剪力墙结构体系,并对其抗震性能进行了分析与评价。以某高层住宅楼工程为结构方案原型,基于多遇地震作用下弹性层间位移角相同的控制标准,分别按传统组合框架-剪力墙结构体系和按竖向承重与水平抗侧相分离的组合框架-剪力墙结构体系设计了两种结构方案,并建立了相应的有限元模型。采用静力弹塑性推覆方法,对两种体系在设防地震和罕遇地震作用下的变形和受力特征进行了对比分析,通过结构层间变形、关键构件损伤状态以及安全系数等指标对体系抗震性能进行了综合评估。分析结果表明：竖向承重与水平抗侧相分离的组合框架-剪力墙结构体系在地震作用下的侧移模式呈弯曲型,推覆过程中结构塑性铰主要出现在底层柱端,而传统组合框架-剪力墙结构体系侧移模式呈弯剪型,塑性铰主要出现在梁端;选取的两种剪力墙损伤判断标准均可用于准确判断两种结构方案的极限状态;在相同弹性层间位移角控制标准下,竖向承重与水平抗侧相分离的组合结构体系设计方案安全系数指标值更高,在地震作用下具备更高安全储备。     

不同结构组合形式的GFRP-钢组合桁架梁受力性能研究

为了研究玻璃纤维增强复合材料(GFRP)-钢组合结构的受力性能,根据各向异性体弹性力学理论确定GFRP材料的物理力学参数,依托淮河出海口闸区工作桥工程实例,利用ABAQUS建立基于板壳单元的桁架梁有限元模型,分析其受力特性.采用将部分应力较大的GFRP构件替换成钢构件的结构组合方案,对比分析了结构自重、跨中挠度、单元应...     

某弧形平面超高层建筑结构方案选型与分析

对某弧形平面超高层建筑的结构概念设计、结构选型、结构布置方案及结构优化等过程进行论述,初步揭示弧形平面超高层建筑结构设计时需关注的主要问题。通过对某弧形平面超高层工程结构抗侧力构件布置的不断优化,最终得出了既满足建筑使用要求又符合规范关于侧向刚度、平面抗扭刚度等要求的合理的结构布置方案。     

保证真实钢结构稳定的剩余物理刚度

通过框架弹性和弹塑性稳定、压弯杆弹塑性稳定、水平支撑杆对柱子提供侧向支撑和双重抗侧力结构中支撑架对框架的支撑作用等几个典型的钢结构稳定问题,提出并阐述了扣除水平力和弯矩消耗掉的构件和支撑的部分刚度以后的剩余物理刚度,才是保证真实钢结构稳定的因素。稳定性验算的实质是保证结构具有足够的剩余物理刚度,确保结构不会失稳。通过压弯杆平面内稳定验算公式的分析和双重抗侧力结构的弹塑性失稳讨论发现,极限状态下,水平力(弯矩)对弹塑性构件和支撑架刚度的消耗速度是线性和高于线性的。     

超高层公寓楼结构体系选型及大偏心节点分析

针对超高层建筑特点,进行了结构体系比选,对比了不同结构体系的技术和经济指标。结果显示,混合结构体系造价较现浇钢筋混凝土结构高30%以上,伸臂桁架对现浇钢筋混凝土结构的刚度影响不显著。同时,对于梁、柱大偏心节点进行了分析和ABAQUS数值模拟。结果表明,根据规范公式验算的节点核心区抗剪强度满足要求,且柱截面应力分布可以满足平截面假定,节点区梁、柱的混凝土应力相差不大,偏心节点模型和不偏心节点模型的楼板均能够与梁柱共同作用。最后对大偏心节点提出了不加腋时的加强措施。     

广义组合结构及其发展展望

本文对组合结构的发展历史和当前的研究及应用现状进行了综述。根据钢-混凝土组合结构的发展趋势和新材料的不断出现和应用,本文提出了广义组合结构的概念。广义组合结构不仅包括钢和混凝土的组合,而且包括更多新材料的组合,是对传统钢-混凝土组合结构的发展。广义组合结构将不同的材料或构件组合在一起共同工作,在设计时将各组成材料和构件的结构性能进行整体考虑,以最有效地发挥各种材料和构件的优势。此外,还对新型组合构件的研发、组合结构体系的创新、组合加固技术的发展以及组合结构在其他领域内的研究和应用进行了展望。     

张弦空间结构的非线性分析

运用非线性有限元基本理论研究张弦空间结构的非线性特征。针对5个张弦空间结构工程,研究结构的几何非线性、材料非线性和边界条件的状态非线性特征,揭示其基本力学特性。分析表明:张弦空间结构的刚性构件体系贡献了结构的线性刚度,结构的变形协调使拉索应力刚化进而增大结构的几何刚度;对索施加初始预拉力可以增大结构几何刚度,但不影响结构总刚度增量的变化规律;结构总刚度的非线性部分随荷载步的改变而更新,结构分析须先确定结构所处的荷载工况;结构材料进入塑性后表现为结构总切线刚度中线性部分的降低,当结构达到弹塑性极限承载力时表现为结构材料失效。基于张弦结构的自平衡特性,当张弦空间结构滑动支座滑移达到滑程时,结构的边界条件转变为相应的铰支座或弹性支座。通过屋盖结构支座附近同位置且同方向的下部支承结构体系的刚度与屋盖邻支座区域杆件体系刚度的比较,可方便准确地对屋盖单独模型进行屋盖结构在实际工作环境中边界条件的模拟。     

Numerical study of built-up double-Z members in bending and compression

The use of the finite element method (FEM) for the design of composed, thin-walled, structural steel members is considered. The bolted double-Z frame member is an interesting and economical engineering solution, already used in practice [1]. However, the European recommendations for the design of steel structures do not consider built-up members from cold-formed steel profiles. Finite element analysis is used to capture the various buckling effects that shape the response of slender thin-walled members. From the finite element model, the importance of initial imperfections and stiffness of connections is identified. The experimentally validated model predictions show that a non-linear finite element analysis can predict the member behaviour, in terms of failure mode and ultimate load, yield line pattern, overall stiffness and local strain in the cold-formed profiles. To obtain a good prediction, overall and localised initial imperfections should be considered and included in the analysis.