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鋼結構創(chuàng)新填補技術空白

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時間：2010-11-04 16:58:11 [收藏]
    鋼結構穩(wěn)定性成為鋼結構體系和構件設計的核心問題，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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        鋼結構穩(wěn)定性成為鋼結構體系和構件設計的核心問題，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構教學與科研工作，他所研究的“現(xiàn)代鋼結構穩(wěn)定性關鍵技術研究與應用”項目，為新型鋼結構及構件穩(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構穩(wěn)定性研究，對現(xiàn)代鋼結構體系和新型構件如梭形鋼管格構柱、鋼拱結構、多高層鋼結構新型抗側力體系、新型輕鋼高效型材、鋼管錐狀框筒結構等的穩(wěn)定性關鍵技術進行了研究，建立了穩(wěn)定承載力設計的實用計算方法，為結構設計及工程應用提供了重要依據(jù)與技術支持。

        對多肢梭形鋼管格構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柱，構型可謂別具一格，簡潔有力中盡顯技術創(chuàng)新的色彩。

        首先，這些梭形鋼管格構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米的梭形鋼管格構柱進行了1：1的足尺寸破壞試驗。試驗結果非常理想，實際測試出的承載力及失穩(wěn)變形與計算結果比較吻合，為實際結構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”鋼結構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構。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構設計留下了難題：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，成為結構設計最關注的問題之一。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)構件交叉構成；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)時的相關及環(huán)狀構件的彎弓效應。他們針對目前高層結構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，為這類結構的穩(wěn)定設計提供了技術支持。

        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、超高層建筑結構中，一方面是給結構提供抗側剛度，另一方面是形成一個消能減震構件。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，保護主體框架結構免遭破壞。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，無法保護主體結構不受沖擊破壞。

        郭彥林通過對新型抗側力體系的研究，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，保證主體結構的安全。這種在鋼板外側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向剛度，但結構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)濟的結構設計。

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