带大跨悬挑桁架的武林美术馆超限结构设计

武林美术馆建筑外形独特,其下部5层为钢框架-混凝土简体结构,顶部3层为钢桁架-混凝土简体结构.结构存在平面不规则、楼板不连续和竖向不规则等多项不规则,是一种较为新型的大跨空间结构体系.从结构抗震性能化设计、楼板应力分析、抗连续倒塌性能、楼板舒适度和关键节点分析这五个方面阐述了本工程的设计思路和分析过程.对于分析过程中的技术难点,提出了相应的解决方案.结果 表明,该结构安全合理,抗震性能良好.     

博鳌火车站站房、站台雨棚钢结构设计

本工程包含多个大跨钢框架或混凝土框架与大跨钢桁架组合形成的复杂多层组合体结构。结构设计中解决的主要问题有:复杂连体结构的多模型包络设计,关键部位钢桁架、钢框架、混凝土结构连接节点设计。     

带高位大跨钢桁架转换层建筑结构动力分析

根据一栋带高位大跨钢桁架转换层建筑结构实际工程,建立了考虑楼板面内弹性变形高精度有限元空间质点系计算模型,进行了采用Ritz法求解技术的模态分析、单点加速度响应地震反应谱分析和时程分析。结果表明,转换钢桁架产生局部振型,形成结构薄弱环节,结构主振周期对应着地震力贡献最大的振型;转换钢桁架位置较高及其相邻层质量悬殊,使得高振型对结构动力特性影响显著;结构竖向刚度的非连续性改变了层地震力的分布,转换层及其上部结构层间位移角突变,主体结构与钢桁架平面外变形差异较大;地震波的频谱特性引起主体结构对El Centro波地震响应最强烈,而转换钢桁架局部对人工波地震响应最强烈。     

多层转换桁架体系在某大跨度钢结构工程中的应用

某中心为建筑造型和功能布置均极为特殊和复杂的多层建筑,项目中存在多处大跨度和大悬挑结构部位。结合建筑功能要求,结构工程师通过在结构顶部或上部设置单层或跨层高位转换桁架,通过上部悬挂的方式实现了大空间的需求。分析结果表明,由于采用了相对比较柔软的钢结构,楼板的温度应力普遍很低,但多层桁架提供了足够的竖向刚度,舒适度计算结果也比较容易满足规范要求。恒荷载在跨层桁架上下弦层的产生楼板拉应力很大,可以通过合理的楼板混凝土浇筑顺序加以释放,楼板实际仅承受活荷载产生的膜面应力。另外,项目由于采用了钢框架的结构形式,具有极好的延性性能,能够实现更高一级抗震设防烈度的大震。文中的设计思路可为相关工程实践提供参考。     

某体育馆体操室楼板舒适度分析及减振措施

为研究体操室楼板在有节奏运动下的振动问题，以某体育馆一、二层夹层体操室两种楼板为研究对象，利用Midas Gen建立有限元模型，结合国内规范，研究和分析了楼板结构的振动问题。采用直接积分法，在同步行走激励、有节奏运动激励的工况下进行加速度响应分析，由控制点的分析结果对楼板进行舒适度评价。结果表明钢桁架组合楼板相比普通混凝土楼板更容易出现舒适度问题，一层夹层楼板具有良好的舒适度，二层夹层楼板的自振频率及峰值加速度均不满足规范要求，需要设置减振措施。对比分析了二层夹层体操室减振前后的自振频率和峰值加速度，结果显示布置调谐质量阻尼器减小了自振频率，调谐质量阻尼器对荷载频率为2Hz的有节奏运动可达42%减振效果，对2Hz以上的有节奏运动可达10%，设置调谐质量阻尼器可以有效改善楼板的舒适度，可为类似工程提供参考。     

大跨高位钢桁架转换层结构的实测与分析

浙江省电力调度大楼门厅采用大跨高位钢桁架转换层结构。为消除施工荷载及温度对钢桁架周边结构的影响,施工过程分两阶段进行:第一阶段大跨钢桁架端部混凝土未浇注,钢桁架支座处于可滑动铰支状态;第二阶段,待上部结构封顶后,再将钢桁架端部实行固支。对该钢桁架转换层第一阶段施工全过程的结构应力、位移进行现场试验研究,并将现场实测数据与缩尺模型试验结果进行对比。结果表明:第一施工阶段钢桁架挠度及应力实测值与模型试验值较接近,在温度和施工荷载作用下钢桁架端部产生了一定的水平位移,但其值远小于理想可动铰支模型的计算结果。     

多层大悬挑钢结构施工全过程仿真分析研究

内蒙古伊旗全民健身体育中心工程上部结构采用多层大悬挑结构。大悬挑桁架根部应力高度集中,是结构的关键部位;位于悬挑桁架上弦处的楼板受拉、下弦处的楼板受压,楼板浇筑时机对结构体系受力、楼板本身受力状态有非常大的影响。采用Midas/Gen软件建立有限元模型,通过单元的“激活”与“钝化”建立施工过程的力学模型,对主体结构的施工安装过程、楼板刚度形成次序及关键构件安装次序进行计算模拟,分析了施工过程中结构内力变化及变形,得到了最佳施工安装方案。该方案在临时支撑部分卸载后安装悬挑根部构件,使关键构件内力得到优化,有效解决悬挑根部应力集中问题;在临时支撑完全卸载后浇筑桁架上弦处楼板,有效地减小了位于桁架上弦处混凝土楼板的拉力。     

珠海无人船基地结构设计

珠海无人船基地造型独特,总高度46.3 m,采用了矩形钢管混凝土柱、钢梁带支撑框架、现浇混凝土楼板结构。本建筑四边为大悬挑结构,建筑之间设置了46 m跨度的桁架。本文简要介绍了本工程的设计概况,结构体系,大跨悬挑桁架设计,大跨桁架及支座设计,温度应力及楼板舒适度验算等。     

清远市科技馆与青少年活动中心A单元结构设计

清远市科技馆与青少年活动中心A单元结构设计中,通过采用钢桁架和无粘结预应力楼板解决了建筑功能对大跨、大空间的要求。并根据施工仿真,分析了结构各阶段的受力情况,确保了该方案的全过程可行性。最后,对大跨度区域进行了舒适度分析,验证得知楼板竖向振动加速度峰值可满足规范要求。     

甘肃省全民健身活动中心二期综合馆大跨预应力混凝土结构设计

甘肃省全民健身活动中心二期综合馆采用37.2m跨后张有粘结预应力混凝土框架结构,重点介绍该工程的结构选型、结构布置、预应力控制指标和预应力效应的计算方法,分析了楼板平面内刚度对预应力效应的影响。对大跨预应力楼盖的舒适度进行了多种模型下的评估。分析结果表明,在大跨楼盖中采用后张有粘结预应力混凝土结构,楼盖梁可以实现较大的跨高比,经济性好,楼盖竖向振动舒适度较高。预应力效应的分析可采用平面框架模型,但应重视楼板平面内刚度对预应力轴向效应的影响分析。     

某城楼大跨度钢-混凝土叠合板组合楼盖振动舒适度研究

以某城楼大跨度楼盖为工程背景,开展了钢-混凝土叠合板组合楼盖振动舒适度评估研究。首先通过现场动力特性测试获得的楼盖结构一阶竖向动力特性,校核了建立的整体结构精细化有限元模型,然后仿真分析得到了楼盖受单人行走、多人行走以及单人跳跃等多种激励的动力响应,最后开展了楼盖振动舒适度评价。结果表明:该新型楼盖结构竖向刚度整体较大,具有较好的振动舒适度;有限元建模可将混凝土叠合板等效为整体壳单元,根据刚度、质量等效原则增加板厚来模拟装饰面层,钢梁和混凝土板的连接可按刚接处理。研究结果可为类似楼盖振动舒适度评估与有限元精细化建模提供参考。     

大尺寸大开间页岩陶粒混凝土双向叠合板足尺试验研究

针对目前装配式建筑中常用的钢筋混凝土叠合楼板自重较大、工厂标准化生产的预制底板规格尺寸较小的问题,提出了一种由两块预制普通混凝土大板通过一条整体式接缝拼装,并后浇轻质页岩陶粒混凝土而成的大开间叠合楼板,页岩陶粒混凝土后浇层可有效减小楼板自重,提高楼板的保温、隔热和隔声性能。通过进行叠合板足尺试件的堆载试验,研究其在竖向荷载作用下的承载力、变形特征、破坏形态及整体式接缝的传力性能。结果表明,该大开间叠合板试件在正常使用极限状态下的跨中挠度和裂缝宽度均满足相关规范要求,且表现出明显的双向板裂缝分布特征,所采用的整体式接缝具有良好的传力性能,可以作为结构楼板使用。此外,有限元模型所选取的材料本构模型和接触面设定较为合理,计算结果与试验结果吻合良好,可用于轻质混凝土叠合楼板受力性能及影响参数分析。     

页岩陶粒轻质混凝土双向叠合楼板

根据3块足尺页岩陶粒轻质混凝土双向叠合楼板试件和1块足尺现浇双向楼板对比试件的静力堆载试验结果,分析了双向叠合楼板预制底板的普通混凝土和后浇叠合层的页岩陶粒轻质混凝土采用相同强度等级时的挠度变形特点,并根据试验结果和弹性力学薄板理论推导了页岩陶粒轻质混凝土双向叠合楼板的挠度计算公式。推导了四边固支页岩陶粒混凝土和普通混凝土叠合板在竖向均布荷载作用下截面中和轴高度、抗弯刚度和挠度的计算表达式,并分别对挠度和初始刚度计算公式进行了修正,提出了考虑四边支承转动的页岩陶粒轻质混凝土双向叠合楼板挠度计算公式。结果表明:页岩陶粒轻质混凝土双向叠合楼板跨中位移呈现线弹性变化特征,页岩陶粒轻质混凝土材料的弹性模量、叠合楼板中设置的钢筋桁架以及双向叠合板的板端约束条件是影响叠合楼板刚度和跨中挠度的主要因素;采用所推导公式计算的页岩陶粒混凝土叠合楼板的挠度值与试验值吻合良好。     

胶合木-混凝土组合楼盖人行荷载激励下振动舒适度研究

为研究胶合木-混凝土组合楼盖在人行荷载激励作用下的振动舒适度,对胶合木-混凝土组合楼盖进行了动力特性试验,测得其基本自振频率和阻尼比等相关动力特征值,并对该楼盖施加了多种人行激励工况,分析了步频、行走路径、行人数量、行走荷载布置方式、行走方式等因素对胶合木-混凝土组合楼盖振动性能的影响。结果表明：随着步频的增大和行走人数的增加,组合楼盖的峰值加速度逐渐增大;多人保持一致行走状态下组合楼盖的峰值加速度较随意行走的大;当步频相同时,原地踏步时的组合楼盖峰值加速度较连续行走的大。在试验研究的基础上,提出了胶合木-混凝土组合楼盖基本自振频率以及单人行走下峰值加速度的计算方法。最后结合国内外相关规范,建议采用自振频率和峰值加速度的双重指标来评价胶合木-混凝土组合楼盖振动舒适度,即楼盖的自振频率不小于15Hz,峰值加速度不大于0.15m/s²。     

Vibration serviceability of pre-stressed concrete floor system under human activity

A comprehensive research was undertaken to study the vibration serviceability of a long-span pre-stressed concrete floor system intended to be used in an indoor badminton court, using the field test and finite element method. Specifically, heel-drop was adopted to capture the natural frequencies and modal damping ratios of the floor system and the tests for jumping impact and different types of human excitations (walking, running and hopping) were performed to capture the acceleration responses. The floor system is found to have low frequency and modal damping ratio. The comparison of the experimental results with the published values from China’s design code, AISC design guide and PCI design handbook indicates that the pre-stressed concrete floor system exhibits satisfactory vibration perceptibility overall. The acceleration threshold value given in the China’s code and AISC design guide may be conservative for the pre-stressed concrete floor under hopping excitation. For determining the fundamental natural frequency analytically, fixed-pinned support condition is recommended for accounting for the effect of adjacent structures on floor stiffness. Coefficients β_rp is proposed to calculate the RMS acceleration conveniently by hand.     

Calibration of analytical models to assess wind-induced acceleration responses of tall buildings in serviceability level

An accurate estimate of natural frequencies is essential to correctly predict wind-induced acceleration for serviceability checks in the design of tall buildings. In this study, finite element (FE) models for three tall reinforced concrete buildings were constructed using a popular PC-based finite element analysis program and calibrated to match their fundamental natural frequencies to actual values extracted from the acceleration measurements using the system identification technique. The modification of the FE models for calibration included: (i) consideration of the effect of beam-end-offsets, (ii) modeling of floor slabs instead of using ‘rigid diaphragm assumptions’, (iii) inclusion of major non-structural components such as plain concrete walls and cement brick walls, and (iv) higher elastic modulus of actual concrete than specified value. Natural frequency estimates from the calibrated FE models and the measurements showed remarkable agreement in all the buildings. Using the dynamic properties obtained from the calibrated FE models and the wind-tunnel test results, the acceleration response of one building during a typhoon was predicted and compared with the measured accelerations. Predicted accelerations during the typhoon also indicated a reasonable match with the measured values.     

考虑人-结构相互作用装配式轻质楼盖振动舒适度评估

考虑人-结构相互作用,精确评估了装配式轻质楼盖的振动舒适度,评估结果以概率的形式给出,并通过半刚性约束提高了楼盖振动舒适度。建立了行人-楼盖相互作用的耦合振动控制方程,控制方程是与时间相关含Dirac函数的偏微分方程,用微分求积-积分求积(DQ-IQ)混合法进行处理,得到楼盖的加速度响应。以轻质、模态较为密集的冷弯薄壁(CFS)组合楼盖为例,分别用振型分解法和DQ-IQ混合法计算当行人以中速步频通过楼盖时楼盖的加速度响应,对比两种方法的计算结果,验证了DQ-IQ混合法的准确性。行人以中速步频通过楼盖时,得到相应步频下楼盖特定的峰值加速度对应的概率值以及不大于某个特定峰值加速度累积概率值,并统计了在半刚性约束下取不同刚度系数楼盖满足舒适度限值时的累积概率。结果表明,采用半刚性边界条件时,通过增大刚度系数可降低楼盖的加速度响应,增大楼盖舒适度累积概率,使得楼盖满足舒适度要求,当刚度系数为10.5时,楼盖舒适度概率达到100%。在考虑装配式楼盖振动舒适度要求时,刚度系数可为设计时边界条件转动刚度的选取提供参考,可为设计时半刚性约束系数的选取提供参考。     

沈阳奥体中心大跨度预应力混凝土楼盖动力特性实测与分析

大跨度预应力混凝土及钢-混凝土组合楼盖在体育建筑、大跨空间结构及高层建筑中的使用越来越广泛。由于大跨度楼盖阻尼小、基频低,在人日常活动激励等作用下会产生竖向振动,超过一定限度时会影响使用者的舒适度。因此,大跨度楼盖竖向振动舒适度问题日益受到重视。沈阳奥体中心综合体育馆三层楼盖主梁跨度41.5 m,是目前国内体育建筑中跨度最大的混凝土楼盖系统。本文针对此楼盖系统的动力特性进行了现场实测,并与理论分析结果进行了比较。     

矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区受力性能试验研究

矩形钢管混凝土组合桁梁由混凝土板和矩形钢管混凝土桁架组成,在竖向荷载作用下,其正弯矩区可充分发挥混凝土板和桁架的组合作用,但负弯矩区的力学性能较为薄弱且受拉混凝土板容易开裂。针对这一问题,提出了在负弯矩区混凝土板施加预应力以及布置局部释放剪切作用的剪力钉相结合的组合桁梁结构形式。采用跨中施加反向集中荷载模拟连续梁支点反力的方法,对2榀承受负弯矩的矩形钢管混凝土组合桁梁进行了静力加载试验,对其荷载-位移关系、裂缝发展规律、混凝土板应变分布、桁梁荷载-应变关系、钢与混凝土界面滑移及承载力进行了分析。还根据组合桁梁的简化力学模型对不同加载阶段的结构特征荷载进行了讨论。结果表明：采用局部释放剪切作用的剪力钉和混凝土板施加预应力的组合桁梁结构形式可有效提高其抗裂性能,但对受弯承载力影响较小;在加载过程中混凝土板的开裂和杆件的屈服导致结构塑性变形增大,最终节点处焊缝撕裂,组合桁梁丧失承载力;由简化力学模型计算得到的结构特征内力与实测值吻合较好,可为矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区的设计和计算提供参考。     

Non-linear analysis of membrane action effect in profiled steel sheeting dry board flooring system

This study highlights the effect of membrane action in improving load carrying capacity of Profiled Steel Sheeting Dry Board (PSSDB) floor system. PSSDB system is a lightweight composite structural system composed of profiled steel sheeting and dry board, attached together by self-drilling and self-tapping screws. Many literatures have reported that restricting conventional slabs, such as reinforced concrete slab, at the supports against translation and/or rotation while it is subjected to vertical loading develops the compressive membrane action in the slab. The development of this phenomenon is considered in the PSSDB system with concrete infill for continuous and practical spans, with and without topping concrete. Previous authors’ experimentally verified non-linear finite element model for the PSSDB floor without topping was extended to parametrically predict the effect of different boundary conditions on the performance of the system for practical applications. It was revealed that preventing the in-plane movement of the slab ends improves the flexural rigidities of the slab up to more than three times when considering central deflection of serviceability limit state. This was observed when the deflection limit load of the fixed both end supports model was compared to the pin-roller support model. Moreover, the topping concrete enhances the applicability of the system in longer span and the developed compressive membrane action dramatically boosts the load carrying capacity of the slab with restricted translation and/or rotation of the slab ends.