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钢结构创新填补技术空白

作者：建筑钢结构网    
时间：2010-11-04 16:58:11 [收藏]
    钢结构稳定性成为钢结构体系和构件设计的核心问题，大量的工程实践亟需成熟且实用的设计理论和设计方法给予指导。
    关键词：空白 技术 填补 创新
        钢结构稳定性成为钢结构体系和构件设计的核心问题，大量的工程实践亟需成熟且实用的设计理论和设计方法给予指导。

        清华大学郭彦林教授一直致力于钢结构教学与科研工作，他所研究的“现代钢结构稳定性关键技术研究与应用”项目，为新型钢结构及构件稳定设计提供了成熟、实用的设计理论和方法。该项目立足当前钢结构稳定性研究，对现代钢结构体系和新型构件如梭形钢管格构柱、钢拱结构、多高层钢结构新型抗侧力体系、新型轻钢高效型材、钢管锥状框筒结构等的稳定性关键技术进行了研究，建立了稳定承载力设计的实用计算方法，为结构设计及工程应用提供了重要依据与技术支持。

        对多肢梭形钢管格构柱屈曲性能的研究与应用

        广州新白云机场主航站楼立面粗壮高大、起支承作用的钢铁人字形布置的梭形钢管格构柱，构型可谓别具一格，简洁有力中尽显技术创新的色彩。

        首先，这些梭形钢管格构柱由三根钢管分肢与联系三根钢管的平置钢板组成，当时国内外对于这种构件稳定性的研究基本是空白。郭彦林和他的学生们在分析梭形格构柱失稳机理时，发现了一个有趣的现象：一般两端铰接的柱子，在受压时其失稳模态呈现单波形，而两端小中间大的梭形柱受压时的失稳波形却是S形的。起初，这样的计算结果让郭彦林觉得不可思议，但后来经过反复的分析与推算，郭彦林认为梭形柱的失稳机理确实有别于一般轴心受压构件的失稳机理，二者的稳定性计算方法完全不同。机场航站楼建设与设计单位对这一项目非常重视，郭彦林带领学生对航站楼三种不同高度19米、23米和29米的梭形钢管格构柱进行了1：1的足尺寸破坏试验。试验结果非常理想，实际测试出的承载力及失稳变形与计算结果比较吻合，为实际结构设计提供了重要依据。此后，郭彦林及其学生们对各种梭形格构柱失稳机理与承载力的研究拓展到更广阔的范围，为这类构件的设计提出了更通用的计算方法。

        研究群柱面外稳定承载力设计

        享有“少女回眸”钢结构雕塑之称的广州新电视塔，又名海心塔，全高610米，整体呈两端粗中间细的锥形状框筒结构。远远看去，阳光下白色的新电视塔身形曼妙，宛如一位纤腰素束的少女，楚楚动人。电视塔中央细腰段的核心筒与外框筒之间有很少的水平联系构件，建筑设计希望在此形成一个镂空区，实现160米区域旋转上升的空中漫步，并让行人在漫步的同时毫无遮挡地欣赏塔下的风景。

        海心塔奇妙的建筑造型为结构设计留下了难题：塔体中部“纤纤细腰”，正是受力最不利的部位，最小直径不到30米。如何保证塔身外筒在各种荷载作用下的稳定性，成为结构设计最关注的问题之一。电视塔外筒采用网状布置的钢管支承体系，由斜置的24根立柱、斜撑和圆环构件交叉构成；外筒在其面内主要承受轴向压力，在其面外群柱则遭遇失稳的不利影响。

        为了解决这一问题，郭彦林和他的学生们不仅进行了多荷载工况的有限元承载力数值模拟分析，还进行了腰部与底部镂空区的稳定性模型试验，研究了群柱面外失稳时的相关及环状构件的弯弓效应。他们针对目前高层结构外筒设计中存在的楼层抽空或缺失而造成的通高群柱面外稳定设计这一难题展开研究，为这类结构的稳定设计提供了技术支持。

        创造性地提出了防屈曲钢板剪力墙

        钢板剪力墙应用在高层、超高层建筑结构中，一方面是给结构提供抗侧刚度，另一方面是形成一个消能减震构件。在大震作用下，钢板墙受剪力进入屈服，消耗地震输入的能量，保护主体框架结构免遭破坏。然而纯钢板剪力墙在往复荷载作用下会发出鼓曲及声响且滞回曲线出现捏拢现象，耗能性能不能令人满意，无法保护主体结构不受冲击破坏。

        郭彦林通过对新型抗侧力体系的研究，创造性地提出了防屈曲钢板剪力墙。简单来说，这种新型的剪力墙相当于在薄钢板剪力墙两侧配置了两块预制混凝土板，对中间承受荷载的钢板墙起约束作用，如此就能防止钢板墙的屈曲，很好地改善它的延性及耗能能力，保证主体结构的安全。这种在钢板外侧配置两层板的新方法与单纯加厚钢板有着本质的不同——直接加厚钢板是过去采用的一种以刚克刚的办法，虽然采用厚钢板能提供更大的侧向刚度，但结构本身招来的地震作用也大大增加，其设计的经济效益不高；而防屈曲钢板剪力墙可以使中间钢板薄一些，能够实现宽范围的刚度渐变调幅，避免了钢板面外屈曲对其抗剪刚度的折减，可以满足各种刚度的设计要求，实现最经济的结构设计。

        2010年1月11日，2009年度国家科学技术奖励大会召开，“现代钢结构稳定性关键技术研究与应用”项目荣获国家科学技术进步奖二等奖。对此，郭彦林教授说，“项目以近年来出现的新型钢结构及构件为研究对象，对其稳定设计关键技术进行研究，理论研究与工程实践紧密结合，解决了许多大型工程中的实际技术问题。社会认可就足够了，获奖只是对前面所做工作的总结，更多的研究还得继续”。
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