建筑科学与工程学报

冷弯型钢构件几何缺陷研究进展

2025年03月20 00:00

为完善冷弯型钢(CFS)构件设计体系中的几何缺陷部分,通过缺陷分类、测量技术、模拟理论等方法对各国的相关试验与理论成果进行分析。结果表明:目前中国规范缺乏畸变缺陷的相关规定,需要进一步完善; 在测量技术方面,接触式测量法和非接触式测量法在成本、测量精度和数据后处理等多个方面存在不同的优势和缺点; 在数值模拟方法中,有限条法在分解屈曲模态、求解半波长等方面具有独特优势; 在目前的几何缺陷模拟理论中,一致缺陷模态法最为简便,但理论依据不足,预测结果不够准确; 传统组合模态法对整体缺陷的模拟不够准确,对于中长柱和长柱的预测结果偏于安全; 一维频谱模态法将几何缺陷由时域变换至频域,缺陷幅值表现出一定周期性,预测结果较为准确; 二维频谱法理论复杂,对畸变缺陷和整体缺陷的模拟存在局限性; 机器学习为随机概率法提供了一个新的研究方向,但需要大量的实测几何缺陷数据用以训练模型。

基于卡槽连接的装配式梁柱节点抗震性能分析

2025年03月20 00:00

为简化节点构造,防止由于节点区钢筋过密而影响混凝土的浇筑,提出一种卡槽连接的梁柱节点。通过低周反复加载试验,将一个现浇节点与两个卡槽连接节点进行对比,研究了各节点试件的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能能力等抗震性能指标。在试验基础上,用ABAQUS软件对各试件进行有限元分析,并对卡槽上部端板厚度进行参数拓展分析。结果表明:使用C30混凝土灌注的卡槽连接节点承载力接近现浇节点,但由于卡槽上部端板出现应力集中而发生起拱,导致卡槽周围混凝土破坏,增加了钢筋与混凝土之间的滑移,最终导致滞回曲线的捏缩现象明显,且刚度、耗能等指标也不如现浇节点; 使用高强灌浆料的卡槽连接节点时,由于灌浆料的抗压强度较高,且灌浆料在卡槽内处于三向受压状态,随着围压的增加,其极限抗压强度会得到明显的增强,由卡槽上部端板变形产生的对灌浆料的破坏作用有所减小,保证了钢筋和灌浆料之间的协同工作,其滞回曲线相对饱满,刚度及耗能也得到改善,抗震性能与现浇节点相当,能够满足实际工程的需求; 模拟的骨架曲线及试件破坏特征与试验结果吻合较好,卡槽上部端板的厚度会影响试件的初始刚度及承载力。

基于小波散射变换的RC框架结构震后损伤异常智能检测

2025年03月20 00:00

基于传统方法的地震损伤评估存在精度和效率低的问题,为实现基于结构地震响应观测数据的震后结构损伤快速评估,并有效解决数据类型不平衡的问题,提出基于时频分析与卷积自编码(CAE)模型的损伤异常数据检测方法。首先应用小波散射变换对原时域信号进行处理,生成时频数据; 然后建立相应的卷积自编码网络模型,将时频数据输入CAE模型进行重构训练,根据重构误差确定异常判断阈值; 基于该阈值精准区分数据中的异常值,并将计算结果与基于时域输入方法的计算结果进行对比分析,最后验证该方法在噪声环境下的有效性。结果表明:基于CAE模型的异常检测方法可以很好地识别损伤数据集中的异常序列,召回率达到了90%以上,且在小波散射变换作用下的异常检测效果更好; 时频分析结合CAE模型的损伤异常数据检测方法极大地提升了震后损伤评估的效率,基于小波散射变换的耗时仅为基于传统时域输入方法的1/3,该方法在噪声作用下也表现出较高的检测精度。

新型浮动式对压蝶形弹簧-拉索减震器设计与力学性能试验

2025年03月20 00:00

提出了一种新型浮动式对压蝶形弹簧-拉索减震器,其在拉压荷载作用下均处于受压工作状态,且初始刚度可调节; 推导了减震器承载力、竖向刚度、变形能等参数的计算公式,建立了相关设计参数之间的量化关系; 此基础上设计加工了该新型减震器试件,在静态、动态荷载作用下开展了力学性能试验研究,通过与理论计算结果对比验证了减震器的合理性,揭示了减震器力学性能与加载频率、预压变形量、加载幅值之间的影响规律。结果表明:新型蝶形弹簧-拉索减震器可通过调节拉索长度、改变蝶形弹簧数量满足不同场合设计需求,试验结果与理论结果吻合良好,在设计变形量下的相对误差仅为3.82%; 相同预压变形条件下,减震器等效刚度和等效阻尼比随加载频率增大而缓慢下降; 相同加载频率下,等效刚度和等效阻尼比随预压变形量增大呈线性放大趋势,等效刚度的增幅为41.37%; 相同加载频率、预压变形量条件下,增大加载幅值有助于提升减震器的耗能能力。

基于机器学习的钢筋混凝土矩形柱破坏模式预测研究

2025年03月20 00:00

针对传统分析方法识别效果差、数据依赖性强等问题,以既有试验数据为基础,建立矩形截面钢筋混凝土柱的数据库,应用K邻近、随机森林、支持向量机、梯度提升决策树、深度神经网络等机器学习算法,实现矩形柱破坏模式的有效识别与预测。借助机器学习强大的自学习、自适应能力,精准预测钢筋混凝土矩形柱的破坏模式,并为震后结构的维修加固与损伤评估提供依据。结果表明:机器学习技术对弯曲破坏均有良好的识别效果,随机森林和梯度提升决策树算法的准确率和回归率均达到100%,可用于矩形柱弯曲破坏模式的精准预测; 机器学习技术对于剪切破坏的识别效果差别不大,准确率均达66.67%,K邻近、支持向量机、梯度提升决策树的回归率最高,达到100%; 对于弯剪破坏模式,随机森林和梯度提升决策树的准确率最高,达到83.33%,支持向量机的预测效果较差。

多螺旋复合箍筋约束混凝土方柱轴压承载力计算

2025年03月20 00:00

为研究多螺旋复合箍筋约束混凝土方柱的轴心受压承载力,对7根该类型短柱进行了轴心受压试验,分析了箍筋间距、箍筋形式、箍筋强度对其轴压性能的影响。考虑到矩形外箍、圆螺旋内箍以及外围圆螺旋箍内的混凝土圆柱体对核心混凝土的多重约束作用,对多螺旋复合箍筋的约束机理进行了分析。基于双剪统一强度理论,推导出多螺旋复合箍筋约束混凝土方柱的轴心受压承载力计算公式,并与试验结果、已有规范及学者提出的计算公式进行对比。结果表明:随着箍筋间距的减小或者箍筋强度的提高,多螺旋箍筋约束混凝土试件的强度和延性均提高; 多螺旋复合箍筋的约束效果好于传统井字形复合箍筋,且五螺旋复合箍筋的约束效果好于四螺旋复合箍筋; 提出的轴压承载力计算公式精度较高,验证了统一强度理论在多螺旋复合箍筋约束混凝土方柱轴压承载力计算中的适用性; 相比矩形外箍,圆螺旋内箍的间距与强度对约束混凝土方柱轴压承载力提高幅度的影响更为明显。

圆锥形中空夹层钢管混凝土构件压弯性能及承载力计算方法研究

2025年03月20 00:00

面向海上风电支撑结构大型化发展需求,研究了大空心率、大筒身锥度和超限径厚比下圆锥形中空夹层钢管混凝土(CFDST)构件的压弯受力全过程机理,将构件弯矩-位移曲线划分为弹性、开裂、弹塑性和破坏4个受力阶段; 阐明了关键因素对圆锥形CFDST构件承载力和刚度的影响规律。基于截面应力积分理论提出了圆锥形CFDST构件压弯相关性曲线计算方法,分析了不同约束混凝土本构模型计算轴力-弯矩曲线的差异性,对比了规范建议压弯承载力公式和极限状态法计算结果,验证了截面应力积分理论计算方法的准确性。结果表明:筒身锥度、内外钢管径厚比与承载力和刚度呈负相关; 截面空心率、轴压比小于界限值时与承载力和刚度呈正相关,反之呈负相关; 内外钢管屈服强度和混凝土强度与承载力和刚度呈正相关; 采用截面应力积分理论、规范压弯承载力计算公式和极限状态法均可良好描述轴力-弯矩曲线的变化规律,且具有计算效率高、准确性好的优势; 研究成果可对大空心率、大锥度及超限径厚比的圆锥形中空夹层钢管混凝土构件在风电工程中的应用提供有益参考。

四边简支螺钉拼合薄钢板的屈曲后强度计算

张蕾,周天华,桑刘睿,王帅兵 — 2025年03月20 00:00

为研究冷弯薄壁型钢螺钉拼合薄钢板的屈曲后强度,对自攻螺钉连接的21根冷弯薄壁型钢背靠背截面拼合柱进行轴压试验研究,并采用ABAQUS有限元软件对试件开展数值模拟分析。在此基础上,以背靠背截面立柱的拼合腹板为研究对象,考虑板件连接界面的剪切滑移变形和自攻螺钉对拼合板件的约束作用,建立螺钉拼合薄钢板屈曲后应力的计算模型,提出四边简支螺钉拼合薄钢板屈曲后应力的解析式。为扩大该式的适用范围,对其进行修正,并通过试验和有限元结果对比,进行适用性分析评价。结果表明:有限元分析结果与试验结果的相对误差控制在10%以内,数值模型可以较好地反映试件在轴压条件下的变形破坏特征,模型具有较高的准确性; 随着板件宽厚比的增加,提出的螺钉拼合薄钢板屈曲后应力解析式计算结果趋于保守; 在常见的冷弯薄壁型钢拼合板件宽厚比变化范围内,经过修正的螺钉拼合薄钢板屈曲后应力计算结果与试验结果吻合良好,表明修正的解析式具有较好的准确性和适用性。

端锚CFRP网格U型箍加固RC箱梁抗弯性能试验

2025年03月20 00:00

为研究聚合物砂浆(PCM)-碳纤维增强复合材料(CFRP)网格U型箍加固钢筋混凝土箱梁在受弯过程中的界面机理和破坏模式,深入探究不同加固方式下的抗弯加固效果以及网格U型箍的受力情况,对5根箱形钢筋混凝土梁进行四点弯曲静力加载试验。结果表明:在使用CFRP网格U型箍进行端部锚固后,箱梁的抗弯承载力以及底部CFRP网格的抗拉利用率都有进一步提升,使用宽度为120 mm的45°斜向U型箍进行加固时,其抗弯承载力相比FT试件(仅在梁底部用纵向CFRP网格加固的试件)提升了18.4%,CFRP底部网格最大应变提升了93.1%; PCM-CFRP网格组合加固系统与钢筋的共同受力性能良好,能有效延后钢筋进入屈服阶段; 当使用90°U型箍对箱梁进行端部锚固时,试件破坏模式为PCM-CFRP网格组合层与混凝土之间的中部剥离破坏,而45°斜向U型箍锚固加固的试件在同样的荷载下未出现中部剥离和受压区混凝土压碎的情况,说明其可有效遏制中部剥离破坏的出现; U型箍宽度越大,45°斜向U型箍加固效果越好,但90°U型箍加固的试件延性比45°U型箍加固的试件更好。

精细化城市RC建筑信息的快速智能获取方法

刘鸿儒,余丁浩,李钢,董志骞 — 2025年03月20 00:00

为便于开展城市区域精细化震害模拟工作,提出一种适用于城市建筑的精细化快速信息获取方法。首先采用基于无人机倾斜摄影的低空遥测技术,通过三维重建获取区域建筑外部几何信息; 然后结合卷积神经网络和模糊推理方法,实现建筑层数和结构类型的快速识别; 最后利用AdaBoost和Random Forest两种集成算法对框架和框剪结构内部构件信息进行预测,提出城市区域常用RC框架和RC框剪结构内部隐蔽信息的确定方法,并采用该方法对两栋实际建筑进行参数预测和震害模拟。结果表明:采用该方法可对结构内部柱截面尺寸、柱距、配筋率等构件级信息进行快速精细化预测,建立的结构有限元分析模型可实现区域建筑的精细化震害模拟,有效提高城市建筑参数获取及建模的效率和精细化程度,基于该方法计算出的结构地震响应相比于传统区域建筑信息获取方法和震害模拟方法具有更高的计算精度。

三点弯曲下再生砂浆断裂性能与裂纹扩展过程

2025年03月20 00:00

为研究再生细骨料(RFA)取代率对砂浆断裂性能与裂纹扩展特性的影响,开展了4种RFA取代率(0%、25%、50%和100%)下的砂浆断裂行为试验研究。基于三点弯曲切口梁试验,获得再生砂浆断裂响应,包括完整的荷载-裂纹口张开位移曲线、临界裂纹扩展、起裂韧度、失稳韧度与断裂能。利用非接触式数字图像相关技术,测得试件表面变形,获取再生砂浆裂纹发展全过程。结果表明:RFA的使用降低了再生砂浆荷载-位移曲线的初始线性段斜率与峰值荷载,主要影响再生砂浆临界裂纹宽度方向的张开而不是裂纹长度方向的扩展; 再生砂浆的起裂韧度、失稳韧度和断裂能随着RFA取代率的增加而逐渐减小,当RFA取代率为100%时,砂浆的起裂韧度、失稳韧度和断裂能分别减小了31.1%、29.5%和37.8%; 不同RFA取代率下再生砂浆的断裂过程区长度l_FPZ发展表现出相似的特征,即先缓慢发展至峰值荷载(l_FPZ为0.24倍～0.32倍的韧带长度),接着迅速增加至完全发展(l_FPZ为0.83倍～0.91倍的韧带长度),之后l_FPZ随裂纹的扩展而减小。

硫酸钠调控石灰激发矿渣-钢渣胶凝体系性能研究

2025年03月20 00:00

为解决石灰激发矿渣-钢渣胶凝体系工作性能较差、早期强度较低的问题,将石灰-硫酸钠按摩尔比1:1组成复合激发剂对矿渣-钢渣胶凝体系进行激发。对比分析在石灰、石灰-硫酸钠两种激发剂下矿渣-钢渣胶凝体系抗压强度、工作性能的异同,并利用X射线衍射仪(XRD)等探究硫酸钠对石灰-矿渣-钢渣胶凝体系水化特征的影响。结果表明:用水胶比为0.4、摩尔比为1:1的石灰-硫酸钠激发矿渣-钢渣胶凝体系的3 d和28 d抗压强度分别为28.7 MPa和36.5 MPa,较石灰单独激发矿渣-钢渣胶凝体系分别提升155.3%、14.8%,新拌浆体的流动度可提升44.2%,硫酸钠的加入缩短了石灰-矿渣-钢渣胶凝体系的凝结时间; 石灰-矿渣-钢渣胶凝体系的水化产物主要为C—(A)—S—H凝胶、方解石、水化碳铝酸钙以及Ca(OH)₂; 随着硫酸钠的加入,胶凝体系的傅里叶红外光谱中增加S—O振动谱带,水化碳铝酸钙生成量减少并向钙矾石转化,胶凝体系中水化产物明显增加且相互搭结交错,填充结石体孔洞,使结石体内部更加致密,进而提高矿渣-钢渣胶凝体系的抗压强度; 研究成果可为新型低碳胶凝材料的制备以及钢渣的资源化利用提供参考。

盐冻作用下再生砖粉ECC力学性能及寿命预测

2025年03月20 00:00

利用再生砖粉取代石英砂制备工程用水泥基复合材料(ECC),研究了不同砖粉取代率对ECC力学性能的影响; 根据力学性能试验结果选取再生砖粉100%取代石英砂制备再生砖粉ECC,对比其与基准配合比ECC、同强度等级混凝土在不同介质(清水、NaCl溶液、Na₂SO₄溶液以及NaCl与Na₂SO₄混合溶液)侵蚀下的抗冻耐久性,对不同侵蚀介质下基准配合比ECC和再生砖粉ECC的抗冻耐久性寿命进行预测。结果表明:随再生砖粉取代率的增大,ECC的抗折与抗压强度逐渐减小,100%取代率下基体抗折强度为16.5 MPa,抗压强度为33.7 MPa; 不同砖粉取代率下基体拉应变均可达2.5%以上,且弯曲韧性良好; 300次冻融循环后,C30混凝土质量损失率、相对动弹性模量变化率及抗压强度损失率均最大,再生砖粉ECC次之,基准配合比ECC最小; 基准配合比ECC和再生砖粉ECC均具有良好的抗盐冻能力; 再生砖粉ECC在“三北”地区的抗冻耐久性良好,单一冻融环境下抗冻耐久性寿命均在90年以上,单一盐冻环境下均在65年以上。

服役桥梁拆解基本方法与资源化利用

2025年03月20 00:00

为提高桥梁类工程拆除固废的资源化利用水平,实现服役桥梁结构拆解后的分级利用,针对现有桥梁过于粗放的拆除方式及固废未充分资源化利用的现状,从拆解设计、拆解工艺和资源化再利用等多角度,初步构建了以安全性为前提、层级资源化利用为目标的桥梁拆解理论技术体系,提出了桥梁拆解的安全性和再利用性原则,分析了桥梁拆解工艺与再利用性之间的联系,讨论了不同层级(材料、构件和结构)资源化利用的逻辑关联,总结了多种拆解工艺的优劣势并给出了今后桥梁拆解工艺的研究建议。以钦江沿线待拆解桥梁为例,基于安全的拆解设计和施工,依据桥梁结构特点实现了拆解桥梁的资源化再利用目标,提高了桥梁再利用水平和资源化利用效率。结果表明:采用拆解的策略实现桥梁的低损化解构有助于提升旧桥的资源化再利用水平; 通过构建桥梁拆解与资源化利用技术框架,使桥梁建造由传统的单链范式转变为循环范式,可为未来桥梁的绿色低碳建造提供研究依据。

高寒地区预制混凝土箱涵水化热温度效应与开裂风险研究

2025年03月20 00:00

为研究高寒地区大尺寸预制混凝土箱涵水化热温度场分布规律,降低箱涵预制期间早龄期开裂风险,对青海地区预制混凝土箱涵开展水化热温度有限元模拟计算,分析了混凝土箱涵水化热温度时程变化及温度分布特点。基于考虑混凝土龄期增长的温度应力计算方法,评估了水化放热期间的混凝土箱涵开裂风险。通过参数分析得到了不同因素对混凝土箱涵水化热温度作用的影响规律。结果表明:混凝土箱涵受水化作用影响的温度时程变化过程可以分为水化升温、水化降温及环境影响阶段; 截面内水化热温度呈现出以形心为中点的放射状分布; 混凝土箱涵顶面及底面应力水平较高,其中倒角顶面内侧位置应力最大,为1.71 MPa; 混凝土箱涵倒角位置由于框架效应产生的次应力最显著,故开裂风险最高; 材料属性、结构参数、环境作用对混凝土箱涵预制期间水化热温度作用均有显著的影响,其中材料属性的影响最为显著; 通过降低水泥水化放热量,减少混凝土水泥掺量,减小箱涵尺寸,减小初始温度和降低顶面对流换热系数等参数可以有效降低混凝土箱涵早期开裂风险; 可以通过调整材料属性、结构参数及环境作用来优化混凝土箱涵设计及施工方案,以降低早期开裂风险。

裂缝性状对隧道衬砌结构受力特征及安全性能影响研究

2025年03月20 00:00

以陕西某高速公路隧道为背景,采用扩展有限元法建立带裂缝衬砌三维数值计算模型; 针对裂缝类型、裂缝位置、裂缝长度及裂缝分布范围影响下的衬砌结构力学状态进行定量分析,研究了带裂缝衬砌结构安全性能演变规律,并定量给出不同裂缝性状影响下的衬砌安全系数拟合公式。结果表明:衬砌结构带裂缝时受力处于非对称状态; 单一预设纵向裂缝处轴力随着裂缝长度增大而逐渐减小,弯矩随着裂缝长度增大而增大; 拱顶+拱肩、拱顶+拱腰、拱顶+拱肩+拱腰3种组合预设纵向裂缝条件下拱顶轴力受影响最明显,相比单一预设纵向裂缝轴力变化率分别为21.55%、-17.52%、13.45%; 环向裂缝影响下衬砌弯矩分布模式呈现“拱肩外凸,拱腰及边墙内凹,拱脚外凸”模式; 带纵向裂缝衬砌结构安全系数拟合曲线呈现由“W”形逐渐向“U”形过渡的趋势; 带环向裂缝衬砌结构安全系数拟合曲线呈现近似对称的波浪形分布。

新型叶片式螺旋钢管桩极限承载性能研究

2025年03月20 00:00

针对传统叶片式螺旋钢管桩在承载力方面的局限性,通过改良其几何结构,提出了一种叶片直径递变的新型叶片式螺旋钢管桩以提升其极限承载力。进行了6组抗压试验和6组抗拔试验,每组抗压试验包含1根桩,每组抗拔试验包含2根桩,以研究叶片间距和叶片直径递变对螺旋钢管桩承载力的影响; 利用ABAQUS数值模拟软件建立模型,并与实测数据进行对比,以验证模型的精确性和准确性。通过对比现场试验结果与数值模拟结果,分析改良后的新型叶片式螺旋钢管桩在极限承载力方面的提升效果。结果表明:叶片参数的改变对螺旋钢管桩的承载力具有显著影响,叶片直径的递变与螺旋钢管桩的极限承载力呈正相关关系,即叶片直径的适当增加能够显著提升桩的承载力; 叶片间距决定着螺旋钢管桩的承载模式,叶片间距改变同样会对桩的极限承载力产生影响; 在用钢量相同的情况下,新型叶片式螺旋钢管桩的抗压承载力相比传统螺旋钢管桩提升了约28%,抗拔承载力提升了约13%; 验证了ABAQUS数值模拟软件在新型叶片式螺旋钢管桩承载力分析中的可行性,也进一步证明了该桩型在村镇住宅承载力不均匀地基中应用的可靠性。

湿陷性黄土的一维压缩模型及其应用

2025年03月20 00:00

以不同初始含水率下的原状黄土和重塑黄土为研究对象,通过侧限压缩试验和微观电镜扫描试验,深入探究了湿陷性黄土在不同初始含水率下的变形及湿陷特性。基于扰动状态理论,在充分考虑了湿陷性黄土结构组成以及初始含水率的影响后建立了能够预测不同初始含水率下原状黄土一维压缩行为的扰动状态理论(DSC)模型,并选用渭南黄土对其室内试验结果与预测结果进行对比。提出了基于DSC模型的湿陷性黄土湿陷系数及场地变形量的预测方法,并通过与室内试验结果对比验证模型的合理性和实用性。结果表明:原状黄土压缩曲线存在明显的转折点,重塑黄土压缩曲线未出现明显转折且近似表现为倾斜的直线; 重塑黄土相较于原状黄土的孔隙结构更加密实; 初始含水率对原状黄土及重塑黄土的变形特性均产生较大影响且初始含水率越大,黄土的屈服应力越小; 初始含水率对于原状和重塑黄土的微观结构均有显著影响,随着试样初始含水率的增大,土体内部架空结构逐渐破坏,湿陷性逐渐被消除。