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鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新填補技術(shù)空白

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2010-11-04 16:58:11 [收藏]
    鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成為鋼結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件設計的核心問題，大量的工程實踐亟需成熟且實用的設計理論和設計方法給予指導。
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        鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成為鋼結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件設計的核心問題，大量的工程實踐亟需成熟且實用的設計理論和設計方法給予指導。

        清華大學郭彥林教授一直致力于鋼結(jié)構(gòu)教學與科研工作，他所研究的“現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)研究與應用”項目，為新型鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件穩(wěn)定設計提供了成熟、實用的設計理論和方法。該項目立足當前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究，對現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)體系和新型構(gòu)件如梭形鋼管格構(gòu)柱、鋼拱結(jié)構(gòu)、多高層鋼結(jié)構(gòu)新型抗側(cè)力體系、新型輕鋼高效型材、鋼管錐狀框筒結(jié)構(gòu)等的穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，建立了穩(wěn)定承載力設計的實用計算方法，為結(jié)構(gòu)設計及工程應用提供了重要依據(jù)與技術(shù)支持。

        對多肢梭形鋼管格構(gòu)柱屈曲性能的研究與應用

        廣州新白云機場主航站樓立面粗壯高大、起支承作用的鋼鐵人字形布置的梭形鋼管格構(gòu)柱，構(gòu)型可謂別具一格，簡潔有力中盡顯技術(shù)創(chuàng)新的色彩。

        首先，這些梭形鋼管格構(gòu)柱由三根鋼管分肢與聯(lián)系三根鋼管的平置鋼板組成，當時國內(nèi)外對于這種構(gòu)件穩(wěn)定性的研究基本是空白。郭彥林和他的學生們在分析梭形格構(gòu)柱失穩(wěn)機理時，發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：一般兩端鉸接的柱子，在受壓時其失穩(wěn)模態(tài)呈現(xiàn)單波形，而兩端小中間大的梭形柱受壓時的失穩(wěn)波形卻是S形的。起初，這樣的計算結(jié)果讓郭彥林覺得不可思議，但后來經(jīng)過反復的分析與推算，郭彥林認為梭形柱的失穩(wěn)機理確實有別于一般軸心受壓構(gòu)件的失穩(wěn)機理，二者的穩(wěn)定性計算方法完全不同。機場航站樓建設與設計單位對這一項目非常重視，郭彥林帶領學生對航站樓三種不同高度19米、23米和29米的梭形鋼管格構(gòu)柱進行了1：1的足尺寸破壞試驗。試驗結(jié)果非常理想，實際測試出的承載力及失穩(wěn)變形與計算結(jié)果比較吻合，為實際結(jié)構(gòu)設計提供了重要依據(jù)。此后，郭彥林及其學生們對各種梭形格構(gòu)柱失穩(wěn)機理與承載力的研究拓展到更廣闊的范圍，為這類構(gòu)件的設計提出了更通用的計算方法。

        研究群柱面外穩(wěn)定承載力設計

        享有“少女回眸”鋼結(jié)構(gòu)雕塑之稱的廣州新電視塔，又名海心塔，全高610米，整體呈兩端粗中間細的錐形狀框筒結(jié)構(gòu)。遠遠看去，陽光下白色的新電視塔身形曼妙，宛如一位纖腰素束的少女，楚楚動人。電視塔中央細腰段的核心筒與外框筒之間有很少的水平聯(lián)系構(gòu)件，建筑設計希望在此形成一個鏤空區(qū)，實現(xiàn)160米區(qū)域旋轉(zhuǎn)上升的空中漫步，并讓行人在漫步的同時毫無遮擋地欣賞塔下的風景。

        海心塔奇妙的建筑造型為結(jié)構(gòu)設計留下了難題：塔體中部“纖纖細腰”，正是受力最不利的部位，最小直徑不到30米。如何保證塔身外筒在各種荷載作用下的穩(wěn)定性，成為結(jié)構(gòu)設計最關(guān)注的問題之一。電視塔外筒采用網(wǎng)狀布置的鋼管支承體系，由斜置的24根立柱、斜撐和圓環(huán)構(gòu)件交叉構(gòu)成；外筒在其面內(nèi)主要承受軸向壓力，在其面外群柱則遭遇失穩(wěn)的不利影響。

        為了解決這一問題，郭彥林和他的學生們不僅進行了多荷載工況的有限元承載力數(shù)值模擬分析，還進行了腰部與底部鏤空區(qū)的穩(wěn)定性模型試驗，研究了群柱面外失穩(wěn)時的相關(guān)及環(huán)狀構(gòu)件的彎弓效應。他們針對目前高層結(jié)構(gòu)外筒設計中存在的樓層抽空或缺失而造成的通高群柱面外穩(wěn)定設計這一難題展開研究，為這類結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設計提供了技術(shù)支持。

        創(chuàng)造性地提出了防屈曲鋼板剪力墻

        鋼板剪力墻應用在高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)中，一方面是給結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，另一方面是形成一個消能減震構(gòu)件。在大震作用下，鋼板墻受剪力進入屈服，消耗地震輸入的能量，保護主體框架結(jié)構(gòu)免遭破壞。然而純鋼板剪力墻在往復荷載作用下會發(fā)出鼓曲及聲響且滯回曲線出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象，耗能性能不能令人滿意，無法保護主體結(jié)構(gòu)不受沖擊破壞。

        郭彥林通過對新型抗側(cè)力體系的研究，創(chuàng)造性地提出了防屈曲鋼板剪力墻。簡單來說，這種新型的剪力墻相當于在薄鋼板剪力墻兩側(cè)配置了兩塊預制混凝土板，對中間承受荷載的鋼板墻起約束作用，如此就能防止鋼板墻的屈曲，很好地改善它的延性及耗能能力，保證主體結(jié)構(gòu)的安全。這種在鋼板外側(cè)配置兩層板的新方法與單純加厚鋼板有著本質(zhì)的不同——直接加厚鋼板是過去采用的一種以剛克剛的辦法，雖然采用厚鋼板能提供更大的側(cè)向剛度，但結(jié)構(gòu)本身招來的地震作用也大大增加，其設計的經(jīng)濟效益不高；而防屈曲鋼板剪力墻可以使中間鋼板薄一些，能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的剛度漸變調(diào)幅，避免了鋼板面外屈曲對其抗剪剛度的折減，可以滿足各種剛度的設計要求，實現(xiàn)最經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)設計。

        2010年1月11日，2009年度國家科學技術(shù)獎勵大會召開，“現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)研究與應用”項目榮獲國家科學技術(shù)進步獎二等獎。對此，郭彥林教授說，“項目以近年來出現(xiàn)的新型鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件為研究對象，對其穩(wěn)定設計關(guān)鍵技術(shù)進行研究，理論研究與工程實踐緊密結(jié)合，解決了許多大型工程中的實際技術(shù)問題。社會認可就足夠了，獲獎只是對前面所做工作的總結(jié)，更多的研究還得繼續(xù)”。
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