钢结 构（中 英 文）

2023年第10期编委特刊导读

科 研

空间结构地震损伤评价指标与等级划分

代传春1 丁 阳1,2

1. 天津大学建筑工程学院

2. 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学)

大跨空间结构在航站楼、高铁站和会展中心等大型公共建筑中得到广泛应用。这些建筑里人群较为密集，同时投资规模较大。在地震作用下，不仅需要确保其抗震安全性，还得考虑其可能出现的地震损伤程度以及由此造成的经济损失，也就是要进行性能化抗震设计。我国的 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》里，其关于抗震性能化设计的基本原则主要是以混凝土结构为依据确定的。并且，这些基本原则并不适合大跨空间结构。因此，选取单层球面网壳、单层柱面网壳和桁架这三种在工程中常用的空间结构。运用有限元方法来分析它们的地震响应特征以及破坏模式。明确适合的地震损伤评价指标。划分它们的地震损伤等级。为大跨度空间结构的性能化抗震设计提供支撑。依据 JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》，利用设计软件 3D3S 设计了 15 个不同跨度且不同矢跨比的单层球面网壳结构、9 个单层柱面网壳结构以及 16 个管桁架结构；运用有限元软件 ABAQUS 逐一建立这些结构的有限元模型；按照 GB 50011—2010 的规定，从太平洋地震工程研究中心地震动数据库中挑选出符合结构目标反应谱的 34 条地震动；对结构输入按照 1∶0.85∶0.65 进行三向调幅的地震动；分析结构在不同强度的各种地震动作用下的响应；归纳总结结构的地震响应特征和破坏模式。

对于管桁架结构，主桁架跨中区域以及支座附近的杆件出现了较大的塑性变形，结构刚度明显降低，采用塑性应变作为较大塑性变形杆件的地震损伤评价指标并划分其损伤等级，依据不同损伤等级杆件所占的比例，提出了管桁架结构的地震损伤等级划分准则。单层球面网壳结构的最大位移与跨度之比与损伤指数正相关，单层柱面网壳结构的最大位移与跨度之比也与损伤指数正相关。所以，能够依据最大位移与跨度比来划分结构的地震损伤等级，这样做更为简单快捷。

空间结构存在地震损伤，同时具有地震响应特征，需要通过损伤评价指标来确定损伤等级。

来源为代传春和丁阳。他们的研究成果是关于空间结构地震损伤评价指标与等级划分的，该成果发表在《钢结构(中英文)》2023 年第 38 卷第 10 期，页码从 1 到 9。

DOI:10.13206/j.gjgS23080402

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基于点云和 BIM 的大跨钢桁架虚拟预拼装应用研究

黎翔、呼辉峰、陈天国、刘界鹏、余鹏、赵国军分别为 1、2、3、1、3、4 。

1. 重庆大学土木工程学院

2. 长沙理工大学土木工程学院

3. 中建钢构股份有限公司

4.中电建路桥集团有限公司

摘要：大型复杂钢结构的特点包括构/部件数量多，焊接与栓接的工作量大，施工工序也较多。传统的预拼装方式存在成本高以及效率低的问题，并且难以满足大型复杂空间结构的需求。针对这样的问题，提出了一种基于 BIM 和三维激光扫描技术的大型复杂钢结构虚拟预拼装方法。工程背景为西部（重庆）科学城科学会堂项目，针对屋面圆管桁架以及大跨度楼面桁架的智能化施工流程展开研究，并且提出了相应的技术路线与方法流程。对于工程中常见的圆管桁架，提出运用基于随机采样一致性算法以及拉普拉斯 - 滚球混合检测算法的拼接控制点提取方式；对于形状规则的楼面工字钢桁架和牛腿，提出利用有向包围盒法来获取拼接控制点；为了获取施工质量检测数据，提出采用基于 k 近邻算法、主成分分析算法以及基于区域准则的边缘检测算法，以完成对接口角点的智能提取。

结果表明，将 BIM 与三维激光扫描技术相结合的技术路线，对于圆管桁架和工字钢桁架的虚拟预拼装，都取得了较为准确的结果。采用所提出的方法获取圆管桁架的基准点，接着用基准点全排列算法进行粗配准，然后通过迭代最近邻算法进行精配准，这样就能够获得较高的配准质量。

大型复杂钢结构存在点云数据，可通过智能虚拟预拼装进行施工尺寸质量检测。

黎翔、呼辉峰、陈天国、刘界鹏、余鹏和赵国军指出，进行了基于点云和 BIM 的大跨钢桁架虚拟预拼装应用研究，该研究成果发表在《钢结构(中英文)》2023 年第 38 卷第 10 期，页码为 10 - 15 。

DOI: 10.13206/j.gjgS23081201

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模拟工业海洋大气环境下 Q345qDNH 钢锈蚀行为研究

李怀峰1 贾 鑫2 王宏博1 葛汉彬3 张建东2,4

1. 山东省交通规划设计院集团有限公司

2. 南京工业大学

3.名城大学

4.长大桥梁安全长寿与健康运维全国重点实验室

以实际工程中的典型桥梁耐候钢作为研究对象，进行周期浸润加速腐蚀试验。运用宏观形貌观察、扫描电子显微镜（SEM）以及 X 射线衍射分析（XRD）等方法，对耐候钢锈层表面形貌、锈层物相组成、腐蚀失重及动力学曲线和电化学性质等方面的变化规律进行研究。探究了 Q345qDNH 典型耐候钢在模拟工业海洋大气环境中，在 NaHSO3 以及不同 NaCl 浓度下的腐蚀行为。

结果表明，在腐蚀环境中 NaCl 浓度不同的情况下，耐候钢表面的腐蚀产物包含了α-FeOOH、γ-FeOOH、β-FeOOH、Fe2O3、Fe3O4。腐蚀环境中 NaCl 浓度的大小与耐候钢的腐蚀速率呈正相关。当 NaCl 浓度为 0.1%时，耐候钢的腐蚀速率随着腐蚀时间的延长，迅速下降到低位后保持平稳。在腐蚀 1440 小时后，锈层表面均匀且致密，平均腐蚀速率约为 0.76 克/(平方厘米·小时)。当腐蚀环境中 NaCl 离子浓度为 3.5%时，耐候钢的腐蚀速率处于高位，并且随着腐蚀时间的延长，先升高后降低。在腐蚀 1440 小时后，锈层表面有较多裂纹和孔洞，平均腐蚀速率约为 0.89 克/(平方厘米·小时)。NaCl 浓度低时，耐候钢的腐蚀速率慢。耐候钢在 0.1%NaCl 浓度环境中腐蚀 1440 小时后，自腐蚀电流密度为 105.65μA/mm²。锈层中α-FeOOH 与(β-FeOOH+γ-FeOOH)的比值接近 2。此比值远大于 3.5%NaCl 浓度时的该比值 0.104。此时锈层状态趋于稳定，并且对耐候钢基体能起到较好的保护作用。

关键词：桥梁耐候钢；工业海洋大气环境；氯离子浓度；腐蚀行为

李怀峰、贾鑫、王宏博、葛汉彬和张建东指出，该研究是关于模拟工业海洋大气环境下 Q345qDNH 钢锈蚀行为的。此研究发表于《钢结构(中英文)》2023 年第 38 卷第 10 期，页码为 16 至 24 页。

DOI: 10.13206/j.gjgS23051701

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不锈钢与碳钢焊接接头力学性能研究

姚健宇1 邓瑞婷2 郑宝锋1 舒赣平1

1. 东南大学土木工程学院

2. 石家庄铁道大学土木工程学院

摘要：工程应用场景日益复杂，结构在承载力、耐腐蚀性和经济性等方面需满足更高要求，单一金属材料难以满足工程的所有使用需求。不锈钢是绿色高性能材料，它强度良好且耐腐蚀性佳，对我国实现“双碳”目标有利；碳钢价格低廉，应用较为广泛，但耐腐蚀性较差。为提高材料利用率并节约成本，工程上常进行不锈钢与碳钢的焊接。目前在核电站，因设备工作环境和工作介质不同，通常会用奥氏体不锈钢与碳钢焊接；在建筑幕墙中，一般室外墙板、驳接件、玻璃幕墙支撑体系采用不锈钢，而内部龙骨和主题钢桁架柱采用碳钢，所以存在大量不锈钢与碳钢焊接的需求。不锈钢与碳钢这两种材料的化学成分不同，物理性能也不同。在焊接时就会出现问题，像熔点有差异，这会导致金属流失；线膨胀系数存在差异，可能会让焊缝出现裂纹；化学成分有差异，会使焊接过程中出现脆性化合物等。正因如此，目前国内大部分规范都不支持不锈钢与碳钢进行焊接。目前关于不锈钢与碳钢焊接的研究主要聚焦在 Q235B 钢和奥氏体不锈钢方面。并且，对于常见的不锈钢和碳钢，尚未开展系统的研究工作。为此，将 S30408 不锈钢与 Q235B 碳钢采用对接焊缝连接，对其力学性能进行试验研究；将 QN1803 不锈钢与 Q235B 碳钢采用对接焊缝连接，对其力学性能进行试验研究；将 S22053 不锈钢与 Q235B 碳钢采用对接焊缝连接，对其力学性能进行试验研究；将 S30408 不锈钢与 Q355B 碳钢采用对接焊缝连接，对其力学性能进行试验研究；将 QN1803 不锈钢与 Q355B 碳钢采用对接焊缝连接，对其力学性能进行试验研究；将 S22053 不锈钢与 Q355B 碳钢采用对接焊缝连接，对其力学性能进行试验研究。这些组合包括 6 种不同情况，共 48 个不锈钢与碳钢焊接接头，主要对金相组织、硬度、强度和断口形貌等力学性能进行系统的试验研究。试验表明：不锈钢与碳钢焊接接头在熔合线附近存在明显的增碳层和脱碳层；热影响区的晶粒有所增大，并且出现了马氏体等脆性组织，这导致热影响区的硬度比金属母材的硬度大；不锈钢与碳钢焊接接头的拉伸试件在碳钢一侧发生断裂，其抗拉强度与碳钢母材的抗拉强度相同，屈服强度低于碳钢母材，延伸率明显降低；因为脱碳层的形成，使得碳钢在熔合线附近的硬度和韧性下降；不锈钢与碳钢焊接接头的拉伸断口都出现了韧窝，属于韧性断裂。

不锈钢与碳钢进行焊接；观察其金相组织；测量其硬度；检测其力学性能；分析断口形貌

姚健宇、邓瑞婷、郑宝锋和舒赣平提供了相关内容。该内容是关于不锈钢与碳钢焊接接头力学性能的研究。此研究成果发表在《钢结构(中英文)》2023 年第 38 卷第 10 期，页码为 25 - 31 。

DOI: 10.13206/j.gjgS23102401

设 计

“双碳”目标下的结构抗震设计思路

王立军 谭晋鹏 汪 明

华诚博远工程技术集团有限公司

摘要：“碳达峰”与“碳中和”控制目标是我国指导经济发展方向的重要国策。建筑行业是碳排放的“大户”，该行业各个环节的碳排放量控制程度对国家整体“双碳”控制目标的成败有直接影响。一方面，减少建筑材料的使用必定是实现“双碳”建筑的一种有效方式钢结构设计原理丁阳，这就需要在设计阶段采用更科学、更高效的设计方法和设计理念。一方面，建筑结构在地震作用下的安全性是结构设计的关键目标之一。然而，传统抗震设计方法通常以提升结构自身抗震能力为主要方式来达成减小地震灾害的目的，这势必会在一定程度上导致建筑材料使用量的增加。为了化解“双碳”设计目标与确保结构足够抗震安全性之间的冲突，就需要在抗震设计思路上进行调整和改良。

从概念层面探讨了结构专业范畴内“双碳”目标与结构抗震设计的关系，并且探讨了能够既满足“双碳”思想又不降低结构抗震安全性的设计思路。一方面，提出了针对不同抗震烈度地区的建筑结构，应采用不同抗震手段的设计思路。处于低烈度区（6 度及以下）以及地震组合工况不起控制作用的中等烈度区（7 度）的结构，能够降低结构延性方面的要求，依靠提高抗震承载力来达成抗震安全性；处于高烈度区（8 度及以上）以及地震组合工况起控制作用的中等烈度区（7 度）的结构，应当采用更契合“双碳”目标的结构体系，像减震结构、隔震结构、自复位结构、摇摆结构、双重抗震结构等，借助提高耗能、隔震等方式降低结构自身的抗震代价。一方面，提出了运用“IO 状态”去控制结构抗震设计目标的理念。对于国务院第 744 号令《建筑工程抗震管理条例》中规定的重点设防类建筑，倘若过度要求其具备弹性承载力，肯定会显著增加建筑材料的使用量，这与“双碳”设计的理念不相符。从对结构安全性和经济性的全面考量出发，可以允许在设防地震作用下出现少量的塑性发展。其塑性发展的控制程度方面，能够借鉴美国规范里的“IO 状态”。

双碳与抗震结构相关，其中涉及消能和减震，有双重抗震的特点，还包含自复位结构，处于 IO 状态。

来源为王立军、谭晋鹏、汪明。他们撰写了“双碳”目标下的结构抗震设计思路这一内容，并发表于《钢结构(中英文)》2023 年第 38 卷第 10 期，该期的页码范围是 32 至 41 页。

DOI: 10.13206/j.gjgS23072802

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霞田文体园体育场单层索网设计

曹永超 霍文营 施 泓 童建坤 麻 硕 何相宇

中国建筑设计研究院有限公司

摘要：霞田文体园体育场在福建省泉州市德化县。其结构包含下部的钢筋混凝土框架看台以及上部的单层索网。单层索网呈马鞍形双曲面形态。沿看台前后方向设置有向下凹的承重索。沿看台左右方向设置有向上凸的抗风索。承重索与抗风索借助索夹相互连接。通过索夹的抗滑移能力来保证承重索和抗风索在相交位置不发生滑移。上部单层索网的边界约束形式为刚性和柔性混合。其中，刚性边界是指看台上方的梁端落地，该梁端支承于钢斜柱顶，形成了钢拱；柔性边界则由两部分组成，一是看台前方支承在钢桅杆上的环索，二是看台两侧支承于钢桅杆和基础上的边索。承重索和抗风索是以投影面正交正放的方式进行布置，且投影方向的间距约为 7 米。单层索网属于全柔性结构体系。在施加预应力之前钢结构设计原理丁阳，其结构刚度为零，不能承担任何荷载。所以，在进行索网计算分析之前，必须依据建筑预期的形状对索网进行找形分析。通过索网找形，可以确定索网的形态和初始应力状态。施加了初始应力状态的索网，便拥有了承担外荷载的能力。索网完成找形分析后，便可对索网依据不同的荷载和作用工况分别进行静力计算，进行多遇地震弹性计算，进行罕遇地震弹塑性计算。建筑与结构经过多轮优化和计算，确定了柔性索网的边界条件以及三维形态。利用力密度法和扩展力密度法的基本原理，编制了用于复杂索网找形的基本程序，并且在项目实践中获得了良好的效果。采用三维有限元分析以及抗滑移试验，对关键节点进行了承载力和变形的校核。综合上述分析，结果显示本项目单层索网的结构选型较为合理，设计成果能够符合现行国家规范的要求。

关键词：单层索网；钢屋盖；索结构

曹永超、霍文营、施泓、童建坤、麻硕、何相宇提供了来源。他们的内容是霞田文体园体育场单层索网设计。该设计发表于《钢结构(中英文)》2023 年第 38 卷第 10 期，页码为 42 - 48 。

DOI: 10.13206/j.gjgS23080401

全预制装配模块化建筑及其结构设计策略

侯兆新1,2 龚 超1,2 陈金林1 王 双1 刘兆祥2

1. 中冶建筑研究总院有限公司

2. 中冶建筑研究总院(深圳)有限公司

摘要：模块化建筑属于高度预制的装配式建筑。它具备标准化、集成化以及工业化的特点。近些年来，在酒店、方舱医院、宿舍等建筑领域，它得到了迅速的推广和应用。与常规建筑相比较而言，模块化建筑在荷载的传递路径、设计的方法、建造的模式以及结构的体系等方面，都存在着较大的差别。针对模块化建筑，从以下几个方面进行阐述：模块单元方面、结构体系方面、结构设计方面、模块建筑特点方面以及应用情况方面。重点阐述了模块化建筑的设计策略以及产业化应用的关键思路。在这些方面中，模块单元内部构件之间的连接是关键，相邻模块之间的连接也是关键，并且模块单元与抗侧力体系之间的连接同样是关键，这些连接都是模块化建筑结构设计的关键。为推动模块化建筑产业化的发展，把竖向承载系统与抗侧力系统进行分离。这样一来，竖向承重构件就和结构的层数没有关系了。基于此，叠箱结构能够更方便地实现模块产品的标准化。

关键词：模块化建筑；结构体系；结构设计；应用情况

来源为侯兆新、龚超、陈金林、王双、刘兆祥。他们的研究成果是全预制装配模块化建筑及其结构设计策略，该成果发表在《钢结构(中英文)》2023 年第 38 卷第 10 期，页码为 49 - 58 。

DOI: 10.13206/j.gjgS23083102

设计探讨

关于压杆稳定系数的一个思考

童根树

浙江大学高性能结构研究所

介绍了中国的 GB 50017—2017《钢结构设计标准》以及欧洲钢结构设计规范中压杆稳定系数曲线及其选用情况。介绍了选用稳定系数较高的曲线用于较高强度钢材的原因。为避免柱子曲线随钢材强度等级突然变化，在稳定系数公式中引入了更符合理论推导的钢材屈服强度修正因子。这样获得的稳定系数能够使不同屈服强度钢材的稳定系数实现顺利过渡。同时对新的公式进行了对比，其与原规范规定的曲线十分接近。新公式简化了规范的编制,且理论上更加合理。

关键词：压杆；稳定系数；缺陷因子

来源为童根树所著的《关于压杆稳定系数的一个思考》一文，该文发表于《钢结构(中英文)》2023 年第 38 卷第 10 期，页码为 59 - 61 页。

钢结构热点探析

本期问题:有吊车时,支撑间距为何更大?

问题引入：GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》的第 8.2.5 条有着这样的规定：柱间支撑……如果没有吊车，那么柱间支撑的间距适宜取 30 至 45 米……而如果有吊车，……并且支撑间距不应大于 50 米。为什么在规定中，有吊车时柱间支撑的间距要比无吊车时更大呢？

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