ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
框架梁柱节点性能研究在国内外已经取得较多的研究成果。由于研究条件和方法的差异,使得这些成果的适用性、可比性存在不足,并影响到其推广应用。基于结构体系优化的趋势和节点刚度研究的深入,对框架节点性能研究成果进行分析,重点评述了弯矩-转角关系中的转角测试技术,指出转角测试存在节点域变形的考虑、转角的定义和组成、测试方法的选择等问题。对节点域剪切变形进行了力学计算和试验分析,说明节点域剪切变形对节点转角的影响不可忽略;针对不同的节点类型和构造,需要明确转角的定义和组成,并选用合适的测试方法,其测试结果才能提供结构分析所需的数据。在此基础上,阐明了建立标准的转角测试方法的必要性和途径。
介绍15个带约束拉杆方形钢管混凝土短柱和8个带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱的轴压试验结果,分析钢管壁厚度、拉杆直径、拉杆水平间距等参数对其轴压性能的影响。试验研究结果表明,约束拉杆的设置有助于延迟钢管的局部屈曲、提高方形钢管混凝土短柱的轴压承载力和延性,提高矩形钢管混凝土短柱的延性。约束拉杆的作用主要表现为对核心混凝土的约束作用及通过改变钢管侧壁局部屈曲的边界条件从而提高钢管的屈曲强度。同时,在合理考虑拉杆作用的基础上,应用等效侧向压力的概念和基于混凝土真三轴试验的破坏准则确定核心混凝土的峰值强度,提出带约束拉杆方形、矩形钢管混凝土短柱轴压承载力的计算方法,承载力计算结果与试验结果吻合良好。
为了减小大跨度梁的自重,便于管道在梁腹通过,实现施工阶段梁的自承重,提出灌浆圆钢管桁架-混凝土组合梁结构。为了解梁的受力性能、破坏机理、正截面承载力及变形计算方法,设计制作4根灌浆圆钢管桁架-混凝土组合梁,通过模型试验考察桁架上弦、下弦、包裹上弦的钢筋混凝土等对组合梁受力性能的影响,介绍4根试验梁从加载到破坏的全过程,建立这种梁的正截面受弯承载力和刚度计算方法。
针对两类混凝土短肢剪力墙结构形式,分别进行了4片相同的4层1∶3缩尺模型的短肢剪力墙结构非线性全过程试验研究。采用基于损伤能释放率的混凝土弹塑性损伤本构模型,针对两种类型的短肢剪力墙结构,进行了较为全面的非线性分析,给出了典型时刻整体结构的应力和损伤分布与演化过程。分析发现:随着结构逐渐进入非线性,刚度不断劣化,损伤程度不断增大,导致结构各个不同层次上的反应均出现了重分布现象。将分析结果与试验结果进行了对比,发现混凝土材料随机性导致结构反应具有显著变异性,模型的非线性分析结果仅能在均值意义上描述结构非线性行为。
提出了一种新型的防屈曲钢板墙用作高层建筑的抗侧力构件。从理论与试验两个方面对防屈曲钢板墙的滞回性能进行研究。其中理论分析主要考察两个不同高厚比的防屈曲钢板墙(Ⅱ型)与普通钢板墙滞回性能的差异;试验研究则主要针对两种高厚比共计7个不同的试件,考察防屈曲钢板墙(Ⅰ型和Ⅱ型)、组合钢板墙以及普通钢板墙在往复荷载作用下的极限承载力性能、滞回特性、延性以及破坏特征等。通过对比分析,揭示不同类型钢板墙的受力机理与特点,对四种不同类型钢板墙的直观表现与受力性能进行总结与评价。
防屈曲钢板剪力墙由内嵌钢板与其两侧的预制混凝土盖板通过螺栓连接而成。预制混凝土盖板与周边框架梁柱之间预留一定间隙,同时在大震下允许混凝土盖板与钢板之间产生相对滑移,以确保两侧混凝土盖板不发生严重破坏,从而保护内嵌钢板获得很好的承载性能和耗能能力。采用数值方法对防屈曲钢板剪力墙在水平荷载作用下的弹性屈曲性能、混凝土盖板的最小约束刚度(厚度)以及连接螺栓的最大间距进行研究,给出了防屈曲钢板墙的结构设计中混凝土盖板约束厚度及连接螺栓最大间距的参考公式。
钢筋混凝土内填墙弥补了钢框架侧向刚度不足的缺点,为钢框架采用相对经济的半刚性节点提供了可能。为了研究半刚性节点钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构的滞回性能,在一榀循环加载模型试验的基础上,建立了非线性有限元模型,并验证了模型的有效性。考虑影响结构滞回性能的6个主要因素:节点刚度、剪力墙厚度、栓钉的设置、剪力墙的配筋、竖向荷载及混凝土强度等级,进行了6个系列22个有限元模型的变参数分析。结果表明:降低节点刚度有利于提高结构的延性和耗能能力;增加内填墙的厚度可提高结构的初始刚度和承载力;增加水平向栓钉的数量,采用普通混凝土以及合理设置暗柱、暗梁,能够有效地提高结构的整体性能,在此基础上提出了相关的抗震设计建议。
进行了3榀钢管混凝土桁梁试件四分点对称加载静力试验,研究腹杆布置形式对整体受力性能的影响,并探讨了有限元法和节点承载力验算方法。试验研究结果表明,3榀桁梁试件的整体极限承载力和极限变形能力从大到小的腹杆布置形式为修正的Warren式、Pratt式和Warren式。不同腹杆布置形式的桁梁节点失效模式不同,修正的Warren桁梁和Pratt桁梁的节点失效模式为弦杆钢管扯裂失效,而Warren桁梁为受压腹杆接头局部屈曲。通过对比荷载-变形关系实测曲线与计算曲线,对有限元梁单元模型计算钢管混凝土桁梁整体受力性能的精度进行了分析。在不考虑节点处弦杆钢管与管内混凝土界面非线性的影响时,有限元刚接梁单元模型和铰接梁单元模型计算的整体极限承载力均大于实测值,而计算变形值均小于实测值。与铰接梁单元模型比较,刚接梁单元模型计算的弹塑性阶段整体抗弯刚度及整体极限承载力的精度更高。刚接梁单元模型计算的腹杆轴力与实测值吻合良好。当忽略腹杆弯矩影响时,桁梁节点承
进行6根配置表层钢筋的混凝土梁和2根未配置表层钢筋的混凝土梁受弯性能试验,研究其裂缝和变形特点,同时对配置和未配置表层钢筋构件的裂缝宽度和挠度进行对比分析。试验结果表明,在构件的混凝土保护层中配置表层钢筋能有效地控制其裂缝宽度,增加其短期刚度。分析表层钢筋对钢筋混凝土梁裂缝间距和裂缝宽度的影响规律,提出相应计算公式,并参考欧洲规范有关规定对配置表层钢筋的混凝土梁提出设计建议。根据试验结果,提出正常使用状态下考虑表层钢筋的短期刚度计算公式。根据文中公式计算的结果与试验结果符合较好。
碳纤维增强复合材料是一种脆性材料,其变形能力远低于钢材,应用于建筑及桥梁结构加固有可能削弱原结构的延性。预应力碳纤维加固技术具有充分利用材料性能,改善结构应力分布的优点,但对碳纤维施加预应力将伴随产生初始应变,碳纤维的剩余变形更少,对加固结构延性的影响也更大。本文对碳纤维面积、初始应变等参数与结构屈服曲率、破坏曲率之间的关系进行推导,通过确定延性系数来设计碳纤维的加固参数,以达到控制结构延性的目的。在此基础上根据推导的结果进行实例分析,并将延性控制的计算结果与已有的试验研究结果进行对比,试验结果与理论计算结果吻合良好,表明提出的延性控制方法正确有效。
通过6个足尺模型节点的平面外弯曲加载试验,对上海光源工程屋盖结构中X型圆钢管节点的破坏形态、刚度、承载力及应力分布等进行了系统研究。试验和有限元分析结果表明,节点平面外弯曲失效主要表现为显著的主管塑性变形和焊缝断裂;主、支管弯曲方向对节点初始刚度影响不大,但对极限承载力有一定影响;节点刚度与支管线刚度的比值是判断节点刚性程度的关键指标;节点相贯线区域的不均匀刚度分布导致与其相邻的支管根部截面出现显著的边缘应力放大现象。基于极限变形限值确定的节点实测承载力与各国规范公式计算值的比较表明,API推荐的公式对X型钢管节点平面外抗弯强度提供了较准确的预测。
为了解主管内填混凝土对矩形钢管X型节点性能的影响,分别进行4个矩形钢管混凝土X型节点和1个矩形钢管X型节点的受拉和受弯试验,试验主要参数为支主管宽度比β和主管宽厚比γ。试验结果表明,主管内填混凝土能够改善节点受力性能,提高节点刚度和承载力,与矩形钢管节点相同,参数β和γ是影响矩形钢管混凝土受拉和受弯节点承载力的主要因素,β越大、γ越小,矩形钢管混凝土节点受拉和受弯承载力越高,节点刚度越大;由于主管内填混凝土的作用,改变了节点破坏模式几何参数的变化范围,节点破坏模式与矩形钢管节点不同。建议套用相应矩形钢管节点承载力计算公式,依据破坏模式来验算矩形钢管混凝土X型节点的受拉和受弯承载力。
通过4个1/2比例的钢管混凝土分叉柱与钢梁连接节点的拟静力试验,对其滞回性能、刚度退化、延性性能、耗能能力以及破坏特征进行了研究与分析,并与纤维杆元模型模拟的结果进行了比较。结果表明:节点在梁端塑性铰破坏模式下钢管混凝土树状节点的抗震性能较好;在局部焊接破坏模式下延性较低,抗震性能相对较差;钢管分叉柱长宽比较大时,设置纵向隔板能更好地保证节点区域的稳定性。
栓钉是钢-混凝土组合梁中常用的柔性受剪连接件。通过18个栓钉受剪试件在单调荷载下的推出试验,较系统地研究了混凝土强度等级、栓钉直径以及钢梁类型等参数对栓钉的破坏形态、破坏机理、荷载-滑移规律和极限受剪承载力的影响。研究表明:栓钉的受剪承载力随着混凝土强度等级的提高以及栓钉直径的增大而增加;轧制工字钢试件中栓钉的受剪承载力比焊接工字钢试件中的高10%~30%。在试验的基础上提出了栓钉受剪承载力的计算方法。
带悬臂梁段全螺栓拼接的梁柱刚接节点,螺栓孔开成长圆形来提高节点的抗震性能。通过3个长圆孔变型性高强螺栓节点及1个对比节点试件的低周反复加载试验,研究了节点在地震作用下的承载力、延性变形能力、耗能能力、滞回性能,并与传统栓焊节点性能作对比。试验结果表明,这种节点的延性好于传统栓焊节点,通过螺栓在长圆孔中的滑移,可明显提高节点的延性变形能力。最终节点延性破坏,3个试件梁端塑性转角分别达到0.0500 rad、0.0560 rad、0.0523 rad,位移延性系数分别为7.14、5.03、4.51,而栓焊节点的塑性转角与位移延性系数仅能达到0.0204 rad与2.28,较大程度地改善了节点抗震性能。
广州西塔高432m,是目前华南地区的最高建筑,风荷载是该超高层建筑的控制荷载。采用同步多压力扫描系统(SM-PSS)对其进行多点同步瞬态测压试验,并结合完全二次型组合(CQC)方法和扩展的荷载响应相关(ELRC)方法对其进行风振响应分析和等效静风荷载(ESWL)计算。分析了不同风剖面取值方式、结构模态阻尼比、峰值因子等参数对西塔风致响应的影响,同时也分析了待建的东塔对西塔的干扰效应。结果显示:采用不同风速分布模型计算得到的风荷载可能会产生38%的差异;由于横风向效应,结构在控制性风向的风致响应、荷载和结构模态阻尼比的均方根成反比;待建东塔的干扰影响会使西塔的100年重现期基底弯矩、50年重现期结构位移和10年重现期峰值加速度分别增加9%,37%和75%。
利用超声风速仪和加速度传感器现场实测了中信广场在台风"达维"的作用过程中的风场特性、建筑物表面风压以及加速度响应时程,分析了平均风速、平均风向的变化历程,以及纵向、横向和竖向风速谱特性和加速度响应谱特性。结果表明,中信广场顶部的风速谱与von Karman谱较为接近,通过现场实测的加速度响应谱得到中信广场的固有频率比有限元模型的计算结果大32%,分析认为由于非结构构件参与工作,增加了结构刚度以及结构没有满负荷工作,结构的实际质量小于有限元分析中的计算质量。
双层通风幕墙的抗风设计需考虑外层幕墙的内、外表面风压以及内层幕墙的外表面风压,其风荷载取值不同于普通单层幕墙,使得其风载取值变得复杂。通过多个不同截面形式的模型进行双层幕墙压力分布风洞试验研究。介绍风洞试验模型的设计及数据处理方法,着重分析一字形双层幕墙和L形双层幕墙的内外层幕墙的平均风压分布。试验结果表明:L形双层幕墙和一字形双层幕墙的平均风压分布有很大的不同。对于一字形双层幕墙,无论是正风压还是负风压,都主要作用在内幕墙上,外幕墙除拐角区域外所承担的风压很小。对于L形双层幕墙,其外幕墙的正风压要比内幕墙的风压大;负风压时,L形双层幕墙的短边区域是外幕墙所承担的风压大于内幕墙,其长边区域则是内幕墙所受的风压要大于外幕墙。
在考虑混凝土框架的协同作用下,对采用拱形梭式桁架屋盖的华中科技大学光谷体育馆进行了有限元分析,并与用振弦应变计进行施工过程现场监测的结果进行了对比,验证有限元模型的正确性。分析了3个关键问题:温度效应、地震响应和整体稳定极限承载力。其中,整体稳定极限承载力分析采用非线性有限元法,其他分析不考虑材料塑性。结果表明:温度变化对该屋盖受力影响显著;不同地震波作用工况下,控制杆件应力变化的最大值超过40%;行波效应对杆件应力的影响随波速的减小而增大,且对不同位置杆件应力的影响不同;主桁架腹杆和侧向支承的强度和刚度,对屋盖整体稳定极限承载力影响显著;当考虑不同支承方向的框架协同作用时,屋盖整体稳定极限承载力变化较为明显。
进行了1∶8缩尺比例钢结构交错桁架的低周反复荷载试验,深入研究了钢结构交错桁架结构的屈服荷载、最大荷载、极限荷载、滞回曲线、骨架曲线及位移延性和耗能能力等抗震性能。通过建立考虑材料非线性和几何非线性影响的有限元模型对试验模型进行模拟分析,规律方面基本吻合。采用有限元方法分析了不同结构高度、桁架形式、底层桁架落地布置、结构空腹节间距、结构高宽比以及桁架跨高比对钢结构交错桁架结构抗震性能的影响。研究表明:桁架落地混合式交错桁架结构的位移延性系数和能量耗散系数比桁架不落地式的分别高9%和17%;随着结构高度增大,空腹节间距增大、高宽比增大和跨高比的减小,钢结构交错桁架结构的抗震性能均有所降低。最后给出了交错桁架结构相应参数的合理取值范围和设计建议,可供工程设计参考。
为了探讨钢筋混凝土(RC)梁-钢管混凝土柱框架的抗震性能,进行一榀单跨两层RC梁-钢管混凝土柱框架的拟静力试验,对结构的破坏形态、破坏机制、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化、耗能能力等性能进行了研究。试验结果表明:RC梁-钢管混凝土柱框架滞回曲线比较饱满;框架在低周反复荷载下,承载力较高,变形能力和耗能能力较强;正向和反向的位移延性系数分别达到9.5和6.8;在反复荷载作用下,框架的水平刚度(割线刚度)随着位移循环次数的增加而降低,模型框架的割线刚度在荷载达到最大后下降变缓;框架的强度随着位移的循环次数的增加降低不大;当梁端出现塑性铰时钢管工作状态良好。
进行了5个对照组,总计8个1∶5四桩承台冲切破坏的模型试验与有限元分析,试件均按空间桁架理论设计,配筋形式包括集中于桩顶区域布置纵筋,布置腹部水平钢筋网与配置型钢桁架。研究结果表明:承台冲切破坏的传力体系为带有主要单向压应力区域的混凝土作压杆,桩顶区域间的纵筋作拉杆的空间桁架;以我国现行规范与ACI 318-08规范中的临界截面应力法为代表的上限解法在传力机理方面存在理论欠缺;当承台与桩筏筏板的破坏形式为冲切破坏时,可依据空间桁架传力机理,合理布筋,创造出性能优良的新型结构。给出了与试验结果吻合良好的承台与桩筏筏板的开裂荷载公式。
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