ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
研究了由倒T型预制梁、预制板和现浇板组成的钢筋混凝土T型叠合梁。开展了低周反复荷载下叠合梁与现浇对比梁的足尺模型试验,对其破坏形态、滞回曲线、位移延性、刚度退化与耗能等进行了较系统的研究。研究表明:低周反复荷载下叠合梁与现浇梁均发生了受弯破坏;峰值荷载下,叠合梁中实测的预制梁与预制板之间和靠近腹板侧预制板与现浇板之间的滑移分别为0.5mm和0.2mm;叠合梁与现浇梁的滞回曲线前期均较饱满,后期表现出一定的捏拢,但总体耗能均较好;反复荷载下叠合梁的刚度退化主要发生在开裂至屈服阶段,屈服后其刚度退化较缓慢;叠合梁的正、负弯矩截面受弯承载力分别较现浇梁的低9%和3%左右;叠合梁的正、反向位移延性分别比现浇对比梁约低6%和14%,但2个试件的位移延性系数均大于4.8。此外,还对低周反复荷载下与单调荷载下试件的受力性能进行了对比与分析。
以一幢六层现浇柱叠合梁框架实际工程为背景,按照强柱弱梁、强节点弱构件等原则进行设计,取4个不同位置的现浇柱叠合梁框架节点进行低周反复荷载下的足尺模型试验,对现浇柱叠合梁框架节点的破坏形态、滞回曲线、位移延性、刚度退化、耗能能力、预制梁与预制板之间和预制板与现浇板之间的滑移等进行了较系统的研究。结果表明:4个现浇柱叠合梁框架节点均实现了强柱弱梁、强节点弱构件的设计目标,破坏形态均为梁端受弯破坏形式,节点核心区仅有少量细小裂缝;边节点、中节点和平节点的初裂位置为梁中新旧混凝土界面处,而角节点的初裂发生在柱上;与其他2个节点相比,中节点和边节点的滞回曲线饱满;中节点、边节点和平节点的位移延性高于角节点;4个节点的刚度退化规律基本一致。研究成果可为现浇柱叠合梁框架在地震区的推广应用提供技术依据和基础数据。
以六层现浇柱叠合梁框架底部两层为原型,通过一榀1/2比例的两层两跨现浇柱叠合梁框架低周反复荷载试验,对其受力过程、破坏形态、破坏机制、恢复力模型、变形恢复能力、位移延性、滞回特性、刚度退化、耗能能力等进行了较系统的研究。研究表明:参照现浇混凝土框架抗震设计方法设计的现浇柱叠合梁框架实现了强柱弱梁、强节点弱构件的设计目标;框架的破坏机制为混合机制,即塑性铰首先在一层梁端出现,在一层梁端出现3个塑性铰后柱端出现塑性铰,试件以柱脚混凝土压溃、柱内纵筋压曲外露为破坏标志;在试件受力全过程中,节点核心区箍筋一直处于弹性状态;框架整体及层间的滞回曲线均较为饱满,表明现浇柱叠合梁框架具有良好的耗能能力;框架正、反向的整体位移延性系数分别为5.1和4.2,表明其在低周反复荷载下具有较好的位移延性;得到了四折线型的框架水平荷载-侧移恢复力模型。
以六层现浇柱叠合梁框架实际工程为原型,通过一榀1∶4比例的六层两跨现浇柱预制梁框架的低周反复荷载试验,对其受力过程、破坏形态、破坏机制、位移延性、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能能力以及等效黏滞阻尼系数等进行了较系统的研究。结果表明:现浇柱预制梁框架在低周反复荷载下实现了强柱弱梁、强节点弱构件的设计目标;破坏机制为混合机制,即塑性铰首先在梁端出现,在二层梁端出现塑性铰后柱端才开始出现塑性铰,试件以二层柱脚混凝土部分压碎剥落、柱内纵筋压曲外露为破坏标志,节点核心区内的箍筋在整个试验过程中处于弹性状态;框架整体及层间的滞回曲线表现出一定的捏拢现象;框架正、反向整体位移延性系数分别为3.9和5.3,表明其在低周反复荷载下具有较好的位移延性。研究成果可为预制混凝土框架在地震区的推广应用提供技术依据和基础数据。
为研究剪力墙设置暗柱的钢筋混凝土梁-墙平面外连接节点的抗震性能,完成了6个按强墙(暗柱)弱梁设计的梁-墙平面外连接节点试件在梁端施加往复竖向荷载的试验,试件的主要变化参数为暗柱宽度、暗柱纵向配筋和梁纵筋在暗柱内的锚固。结果表明,6个试件在达到最大承载力前,梁的纵筋已屈服;梁纵筋在墙内锚固不足的试件,最终为剪力墙墙面混凝土局部拉脱破坏;暗柱宽度为梁宽3倍、梁纵筋在墙内锚固得到加强的试件,为梁弯曲破坏,具有大的变形能力;暗柱宽度为梁宽4倍的试件,梁、墙都发生破坏。在试验研究的基础上和参照现行国家标准,提出了剪力墙暗柱的设计建议:暗柱宽度不宜大于3倍梁宽;暗柱平面外弯矩设计值应根据梁端实配抗震受弯承载力确定;暗柱最小总配筋率不小于1.0%,箍筋最小直径为10mm、最大间距为150mm等。
把握无粘结预应力钢筋应力增长规律是准确计算无粘结预应力混凝土梁(板)刚度、裂缝开展宽度及受弯承载力的基础。首先定义了正常使用阶段无粘结预应力钢筋应力增量与有粘结非预应力钢筋增量的比值为无粘结预应力钢筋等效折减系数。然后针对无粘结部分预应力混凝土受弯构件在受荷过程中无粘结预应力钢筋不符合变形平截面假定的特点,应用等刚度法及弯矩-曲率非线性分析法,编制了可分别用于考察正常使用阶段和承载能力极限状态无粘结预应力钢筋应力增长规律的计算程序。最后基于模型试验结果和仿真分析结果,得到了无粘结预应力钢筋等效折减系数与非预应力钢筋配筋指标βs和预应力钢筋配筋指标βp的关系式,以及无粘结预应力钢筋极限应力增量与非预应力钢筋配筋指标sβ、预应力钢筋配筋指标pβ和跨高比l/h的关系式。
对6块闭口型压型钢板-轻骨料混凝土组合板试件进行了两点对称集中加载静力试验研究,考察了组合板在不同剪跨比下的破坏形态、钢板与混凝土应变发展、端部滑移和裂缝发展情况,研究了组合板的纵向剪切极限承载能力。研究结果表明,端部设置栓钉的闭口型压型钢板-轻骨料混凝土组合板具有较好组合作用,剪跨比较小的闭口型压型钢板-轻骨料混凝土组合板主要发生纵向剪切粘结破坏,而剪跨比较大的组合板主要发生接近于弯曲破坏的弯剪破坏;根据试验研究结果,建立了闭口型压型钢板-轻骨料混凝土组合板的承载能力计算公式,并给出了组合板刚度计算建议方法。为考察组合板的动力特性,对6块闭口型压型钢板-轻骨料混凝土组合板的前三阶自振频率和阻尼比进行了试验测试,测试结果表明闭口型压型钢板-轻骨料混凝土组合板阻尼比比较小,并结合自振频率实测结果对经验计算公式进行了对比验证,为闭口型压型钢板-轻骨料混凝土组合板动力特性计算及组合楼盖的竖向振动分析控制设计提供依据
完成了8个钢-闭口型压型钢板轻骨料混凝土组合梁试件的静力试验,对组合梁受力性能进行了研究。试验中详细考察了钢-闭口型压型钢板轻骨料混凝土组合梁在不同名义剪跨比、不同栓钉布置形式下的受力过程、裂缝发展、破坏形态和型钢、钢板与混凝土应变发展过程、跨中弯矩与跨中挠度以及型钢与组合板端部滑移发展情况;根据对试验结果与现行规范所建议方法计算结果的对比分析,提出了钢-闭口型压型钢板轻骨料混凝土组合梁的受弯承载能力以及受剪承载能力计算方法。研究结果表明,钢-闭口型压型钢板轻骨料混凝土组合梁试件的破坏形态主要表现为弯曲剪切破坏,组合梁具有较好的承载能力和延性,在80%Pu后,组合梁界面才表现出明显的滑移现象,截面不满足平截面假定。研究还表明,即使组合梁试件按照我国现行规范计算所得连接程度较小时,也具有较高的受弯承载能力。同时,为考察组合梁动力特性,对8个组合梁试件的前三阶自振频率和阻尼比进行了试验测试,测试结果表明组合梁阻尼比较
基于隔板贯通节点在地震作用下的破坏调查结果,提出了一种改善钢梁翼缘与隔板连接处受力性能的新型节点——倒角放坡型隔板贯通节点。对7个十字形节点试件进行了静力拉伸试验,研究了隔板贯通式连接中方钢管混凝土柱与钢梁受拉翼缘的连接性能,分析了钢梁翼缘与隔板连接构造以及浇注孔直径、隔板厚度、钢管的宽厚比等参数对节点局部受拉承载力的影响,并将试验得到的承载力与规程公式计算结果进行了比较。研究结果表明:倒角放坡型隔板贯通节点具有较好的承载力和延性;影响节点承载力的主要因素是隔板的厚度、浇注孔径和钢管的宽厚比,在钢管中填充混凝土有利于提高节点的屈服承载力和刚度;对于填充混凝土的试件,采用公式计算节点承载力偏于保守。
设计了专用的加载装置,对4种不同形式的N型圆钢管相贯节点进行了往复加载的试验研究,得到了节点的滞回曲线。观察节点的破坏现象,得出往复荷载作用下相贯节点在不同加强形式下破坏特征一致的结论。分析比较各节点的延性、耗能能力和强度等力学性能,揭示了垫板加强和弦杆内填混凝土等加强措施在一定程度上降低了节点的滞回性能和延性,但有效提高了节点的极限承载力。得到了各节点的承载效率、节点延性系数,并对其进行量化比较和评价,发现弦杆内填混凝土N型加强节点承载效率最高,其延性系数也较大;N型直接焊接节点承载效率最低,其延性系数最大。这些结论对于N型圆钢管相贯节点的优化设计具有一定的参考价值。
在考虑材料非线性和几何非线性的基础上进行了钢管混凝土柱-钢梁平面框架结构力学性能的非线性有限元分析,核心混凝土采用考虑钢管约束效应的应力-应变关系,钢材采用二次塑流模型或线性强化模型,通过在有限元公式中引入几何刚度矩阵,并在荷载步中更新坐标描述二阶效应来反映框架结构的几何非线性效应。基于近似修正的拉格朗日表述来反映框架结构变形前后位形之间的关系,利用虚功原理建立相应的增量平衡方程,并采用位移增量法求解非线性有限元方程,理论计算结果得到试验结果的验证。分析表明,基于非线性纤维梁-柱单元理论的分析方法可以反映钢管混凝土框架在受力过程中构件屈服和塑性分别沿截面和杆长两个方向扩展的分布塑性特征,并考虑初始缺陷、残余应力等,因此可较好地反映钢管混凝土框架的力学性能。在此基础上对影响钢管混凝土框架力学性能的主要因素进行了参数分析,分析的具体结果可供有关研究或工程应用参考。
为研究型钢混凝土(SRC)异形柱的抗震性能,对17个型钢混凝土异形柱试件采用"建研式"加载装置进行低周反复荷载试验,观察了不同配钢形式的SRC异形柱的受力过程和破坏形态。试验表明SRC异形柱的破坏形态有剪切斜压破坏、剪切粘结破坏、剪弯破坏和弯曲破坏;分析了SRC异形柱的破坏机理和特点,给出了荷载-位移滞回曲线和荷载-应变滞回曲线;分别推导了各种配钢形式的SRC异形柱在正向荷载(沿工程轴)以及斜向荷载作用下发生剪切斜压破坏和剪切粘结破坏时的受剪承载力计算公式,计算结果与试验实测值吻合较好。理论分析和试验结果表明:异形柱中的翼缘对构件的抗剪强度有提高作用,提高的程度与荷载作用方向和柱的肢长肢厚比有关,但在肢长肢厚比一定的前提下与肢厚的改变无关。T、L形截面柱的斜向抗剪强度大于正向加载抗剪强度,而十字形截面柱的斜向抗剪强度小于正向加载抗剪强度。
为研究空腹式交错桁架结构体系的抗震性能,进行了1个5层空腹式交错桁架钢结构1/3缩尺模型试验,研究了该结构体系在循环荷载作用下的抗震性能和破坏机理,并从滞回性能、刚度退化、结构延性、耗能能力及破坏模式等方面评价该结构体系的抗震性能。试验及分析结果表明:该结构具有承载能力高、变形能力较强、耗能能力好等优点,但其侧向刚度偏弱,各层层间位移延性角差别较大,结构沿高度方向侧向刚度分布不均匀。应力测试结果表明,该结构塑性铰开始形成于桁架腹杆,然后是桁架弦杆,最后在柱中形成塑性铰,地震能量主要通过桁架耗散,其破坏属于梁铰机制,满足强柱弱梁的抗震要求。
提出了一种组合式碟形弹簧竖向隔震支座(DSB),性能试验结果表明,DSB具有较低的竖向刚度和20%左右的竖向等效阻尼比。采用不同地震波进行了1/2比例的基础固定模型及DSB竖向隔震模型振动台试验,试验结果表明,DSB的竖向隔震效果显著,随着输入地震加速度幅值的增加,DSB竖向基础隔震模型的隔震层发生较大的竖向变形,而上部结构的层间相对位移变化不大,输入加速度幅值为0.4g时DSB竖向隔震模型的加速度反应降低了50%以上,结构顶层的位移反应降低了40%以上,具有明显的竖向隔震效果。最后利用有限元分析软件,采用时程分析法对相同工况时模型结构的地震反应进行了数值分析,并与振动台试验结果进行了对比,两者吻合较好。
针对一种新型高层建筑半柔性悬挂结构体系提出阻尼减振控制的方案。首先,阐述了结构体系构建方案及优越性;其次,以主体结构的时程响应最大值最小为控制目标,对粘滞流体阻尼器的阻尼系数进行优化分析;最后,基于最优的阻尼器参数,对半柔性悬挂减振结构与普通悬挂抗震结构进行了时程对比分析。结果表明:半柔性悬挂减振结构能够有效地消弱结构的峰值响应;存在最优的阻尼系数使得主体结构的顶点位移和基底剪力动力响应最小;悬挂楼段保持较小层间位移,有效发挥了各层阻尼器的效率,保护了非结构构件。
以广州合景大厦顶部玻璃幕墙减振设计为工程背景设计了新型夹层钢板橡胶耗能阻尼片。探讨了靠弯曲错动耗能的粘弹性阻尼片的工作机理,建立了耗能阻尼片设计与ANSYS软件计算的接口。利用几何关系、物理关系等建立阻尼理论的Kelvin-Voigt模型,通过机理分析得出等效阻尼力。选择了3组典型试件进行同工况动力试验,验证和分析了等效阻尼力模型。所提出的理论模型能够提供任意尺寸和任意布置的耗能阻尼片适用ANSYS计算的阻尼单元,可直接用于结构减振控制时程分析计算。理论计算、同工况动力试验以及ANSYS软件计算所表现出的结果具有较好的一致性,说明理论分析可以用于一般工程的耗能阻尼片设计。
为了研究不同块型非烧结多孔砖砌体的抗压强度,通过试验研究,对Tasuji-Slate-Nilson破坏准则进行修正后,结合ANSYS有限元分析,得到了分析各种块型砌体抗压强度的理论模型。用该模型对各种块型砖砌体分析结果表明,块体原材料、几何尺寸和孔洞率对砌体抗压强度有明显的影响。在普通砖砌体抗压强度计算公式基础上,引入块型影响系数,得到了各种块型非烧结多孔砖砌体抗压强度计算公式。通过与493个蒸压灰砂多孔砖砌体、144个混凝土多孔砖砌体及30个蒸压粉煤灰多孔砖砌体抗压试验结果对比表明,计算公式的计算精度良好。
设计制作了2个不同矢跨比的ETFE薄膜气枕模型,进行了气枕形状测试、加压以及铺砂加压试验,得到了气枕形状坐标以及膜面随气压的变形量。对ETFE薄膜进行单向拉伸试验,测得材料的屈服强度、切线弹性模量和割线弹性模量。利用几何非线性有限元进行了数值分析,将数值结果与试验值进行了比较分析。结果表明:ETFE薄膜可按各向同性材料分析,数值计算结果与试验值吻合较好;在同样内压作用下,气枕矢高较高时膜面位移与膜面应力较小;ETFE薄膜采用割线弹性模量计算得到的膜面位移与试验值比较吻合,采用切线弹性模量计算得到的变形小于试验值。
FAST(five-hundred-meter aperture spherical telescope)是500m口径、具有主动反射面的巨型射电望远镜。作为先期验证模型,其30m缩尺模型采用整体索网结构作为反射面支承结构,为保证结构的安全性、苛刻的精度等要求,对其张拉成形过程进行健康监测。针对结构特点以及张拉方案,布设相应传感器,研究并提出了有效、实用的结构安全评定方法,在此基础上,综合运用Matlab、ANSYS、SQL2005等软件开发了结构健康监测系统,实现了可视化操作、自动安全预警、结构模型实时修正以及数据库等功能。最终该系统成功应用在FAST 30m模型索网张拉成形过程中,准确评估张拉各阶段的结构安全性,切实确保了安全施工,及时计算各阶段反射面成形精度,为精度控制提供了科学依据,为FAST原型结构健康监测和索网张拉施工积累了工程经验。
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