ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
为拓宽基础隔震技术的应用范围,开发了一种三维隔震抗倾覆支座并对其进行了试验研究。介绍了该支座的设计制作,通过拟静力试验研究其水平向和竖向力学性能。将该支座安装在一高层钢框架模型结构底部,输入不同场地不同峰值加速度的地震动激励,进行了有无三维隔震抗倾覆支座的地震模拟振动台对比试验,测试了模型结构的动力特性、加速度和位移反应以及基底剪力反应等。试验及分析结果表明:该支座具有较好的稳定性和较强的可靠性,结构在8度罕遇烈度地震作用下仍然是安全的;支座对结构在所给4条不同场地地震动作用下的动力反应有着良好的控制效果,且受输入加速度峰值的影响小。
对一栋12层一户一开间一进深大开间短肢剪力墙结构的1/10比例模型,采用不同加速度峰值的3种地震波作为激励,进行了模拟地震振动台试验研究,得到了模型结构的自振频率及加速度和位移等反应结果,并对模型结构的开裂部位、裂缝发展和破坏状态进行了观察分析。试验结果表明:在多遇地震阶段,结构未发生明显破坏;在罕遇地震阶段,连梁首先发生开裂,其后部分墙体出现破坏,但结构的整体性能良好。采用有限元软件ABAQUS对该模型结构进行了弹塑性地震反应分析,分析结果与试验结果吻合较好。研究表明,大开间短肢剪力墙结构具有良好的抗震性能,适合在7度抗震设防地区推广使用。最后,对该结构体系的设计方法提出了若干建议。
通过一榀高强螺栓端板连接的2层1跨半4∶7比例组合梁-方钢管混凝土模型框架的拟动力试验、拟静力试验和静力推覆试验,运用子结构方法,模拟了一榀10层3跨的平面框架,研究了钢管混凝土框架结构的破坏形态、位移响应、滞回特性和耗能等抗震性能。拟动力试验中,多遇烈度地震时,框架刚度降低很小;基本设计烈度地震时,框架刚度降低约13%;罕遇烈度地震时,框架刚度降低20%,框架层间位移角小于2.0%。拟静力试验中,最大层间位移角超过1.6%,部分构件出现初始局部屈曲,框架整体未出现强度退化。在静力推覆试验中,即使层间位移角超过6.0%,框架承载力仍未发生下降。高强螺栓端板连接节点能够满足抗震设计要求,在规范限定的按弹塑性设计的层间位移角限值范围内,经过合理设计的螺栓端板连接可视为刚性连接。试验结果验证采用螺栓连接的钢梁-方钢管混凝土框架具有良好的抗震性能,可在抗震设防区结构中推广使用。
为研究钢-混凝土组合转换梁-矩形钢管混凝土柱构成的组合转换框架的受力性能,对1榀组合转换框架缩尺模型进行了竖向荷载和低周往复水平荷载试验。分析了组合转换梁在竖向荷载作用下的刚度及裂缝开展情况以及组合转换框架在水平往复荷载作用下的破坏特点、荷载-位移滞回曲线及骨架曲线、延性、屈服机制和耗能能力等力学性能。试验研究结果表明,在竖向荷载作用下,组合转换梁刚度大,抗裂性能好,满足结构正常使用要求;在水平荷载作用下,转换框架延性好,极限层间位移角大,滞回曲线对称、饱满,耗能能力强。
针对现行钢结构检测技术的不足和钢结构游泳馆在服役期间的实际使用状况,阐述钢结构游泳馆安全性检测的内容和检测方法,提出安全性检测的控制程序。对某实际工程,通过有限元仿真分析和现场试验,对提出的安全性检测的内容及方法进行了验证。建立仿真模型,进行结构的静、动力特性及影响因素分析,可以指导结构现场的安全性检测。在现场的动力试验中,采用多点随机激励法对结构进行激励,频域分解法(FDD法)对实测信号进行分析,以辨识结构的实际固有频率及振型,并与有限元动力仿真结果进行对比。研究结果表明,FDD法可以用来分析低频结构中含噪声的实际响应信号,所提出的安全性检测的内容、方法及控制程序是有效的、可靠的。
为进一步明确体内张拉成形空间网格结构受力性能,以垂跨比和矢跨比为外形设计参数,根据结构张拉成形后的矢跨比和垂跨比组合的不同,建立12个体内张拉成形空间网格结构计算模型;选用ANSYS有限元程序,通过理论分析详细的研究垂跨比和矢跨比对结构轴力、弯矩和应力的影响特点;设计制作了2个跨度为4.8m的体内张拉成形空间网格结构模型,进行张拉成形和静载试验,进一步研究其影响特点,对理论分析结果进行验证。结果表明:体内张拉成形空间网格结构的垂跨比及矢跨比是影响结构成形及受荷性能的重要参数,结构成形阶段以弯曲应变为主,受荷阶段以轴向压应变的增加为主,合理的矢跨比和垂跨比组合可以明显改善结构受力性能。
进行5片采用高强钢绞线网-聚合物砂浆面层加固的墙体和1片未加固的对比墙体的低周反复荷载试验,比较5种不同加固方案的破坏形态、承载力、延性和刚度退化等抗震性能。研究结果表明:采用高强钢绞线网-聚合物砂浆加固方法能有效地提高既有建筑砖墙体的极限承载力,改善墙体的延性和刚度退化,从而提高了墙体的抗震性能。分析了相应的加固机理,并提出了高强钢绞线网-聚合物砂浆加固既有砖墙体受剪承载力的计算方法。
输电工程中输电塔架节点通常采用节点板连接的方式,单角钢杆件受轴向压力作用时,节点板处于偏心受力状态,常规的节点板受压承载力计算方法都是基于双角钢连接轴心受压得到的,与输电塔架节点板的受力存在明显差别。通过对2个输电塔架典型节点进行足尺试验和有限元分析,考察了单角钢连接节点板的受压性能和破坏模式,并利用多参数有限元分析结果,研究了用于单角钢连接节点板受压承载力的计算方法。试验研究表明,单角钢连接节点板受压时出现明显的板面外失稳,且节点板的变形呈现出弯曲伴随扭转的形式。通过对比分析表明,有限元分析结果与试验结果吻合较好。基于柱模型和板模型提出了单角钢连接节点板受压承载力的计算方法,分析表明,两种模型都能较好地预估单角钢连接节点板的受压承载力。
为研究型钢混凝土(SRC)异形柱框架节点的破坏特征和抗震性能,进行了9个中间层边节点、4个角节点和4个中节点的低周反复荷载试验。观察了各类型节点的受力过程及破坏形态,并分析了试件的荷载-位移滞回曲线、承载能力、层间位移角和延性以及耗能能力等力学特性。结果表明:SRC异形柱框架节点的典型破坏形态是节点核心区剪切斜压破坏和梁端弯剪破坏;滞回曲线饱满,层间位移角延性系数及位移延性系数介于1.80~5.63,弹塑性极限层间位移角约为1/67~1/28,等效粘滞阻尼系数介于0.150~0.294,破坏时节点核心区的剪切角约为0.03~0.04。并给出了节点设计建议。
提出一种节省钢材且具有较高受剪承载力的新型组合梁——腹板嵌入式钢-混凝土组合梁,它是将倒T形钢梁腹板上部开槽,嵌入到混凝土翼板中形成的组合梁。通过10个推出试件的试验,研究腹板嵌入式组合梁中钢板连接件的受剪承载力。推出试验结果表明,连接件的受剪承载力随混凝土强度等级、钢板厚度增加而提高。基于试验结果,通过参数回归分析,拟合出嵌入式组合梁连接件受剪承载力计算公式,并提出连接件的构造要求。通过与普通组合梁中栓钉连接件受剪承载力的比较表明,腹板嵌入式钢-混凝土组合梁中钢板连接件具有承载力高、易于实现完全抗剪连接的优点,而且连接件抗剪连接刚度大,可以减少组合梁由于滑移效应引起的刚度折减。
为研究钢管高强混凝土组合柱的抗震性能,完成了10个试件的拟静力试验。试验主要变化参数为轴压比和配箍特征值,探讨了组合柱在反复水平荷载作用下的破坏形态、滞回特性、位移延性、耗能比、截面应变分布和承载力等受力性能。试验结果表明:10个试件的破坏形态为柱根部混凝土压溃而丧失竖向承载力,力-位移滞回曲线饱满,位移延性系数在4.0以上,极限位移角大于1/40,以耗能比表示的耗能能力接近。用平截面假定和叠加法计算得到的试件在轴压力作用下的正截面承载力与试验结果符合较好,《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(CECS 188:2005)方法计算的正截面承载力偏小较多。
设计了一套使钢筋混凝土梁剪切破坏稳定可控的刚性试验系统,利用该试验系统,完成了19根剪跨比为3的钢筋混凝土简支梁的剪切破坏试验,得到了荷载-挠度曲线。根据试验结果,分析了混凝土强度等级、箍筋的强度和倾角、纵筋配筋率和纵向分布钢筋等因素对试验梁破坏形态、剪切延性系数和受剪承载力的影响,并将受剪承载力试验值与我国混凝土结构设计规范和美国ACI规范计算值进行了对比。结果表明:对于剪跨比等于3的梁,适当配置腹筋,可以改善其延性性能;在高强混凝土梁中应用高强箍筋,可使两种材料的强度充分发挥,不仅增加了梁的剪切延性,而且提高了梁的受剪承载力;高强箍筋高强混凝土梁的受剪承载力仍可采用我国现行混凝土结构设计规范公式进行计算,但是对于高强混凝土无腹筋梁、纵筋配筋率低的梁和配有高强箍筋的普通强度混凝土梁安全度偏低。
高性能复合砂浆钢筋网薄层(简称HPFL)加固混凝土构件是一种新型的加固方法,为研究其高温性能,对7根三面U型(在梁的受拉面和侧面进行加固)加固梁和1根未加固对比梁从加固界面原混凝土表面粗糙度、初始荷载两个方面进行了高温抗剪试验研究。试验结果表明,在初始荷载一定的条件下,加固界面为Ⅰ级粗糙度的试件耐火时间较短,出现了加固层剥离退出工作的现象,Ⅱ级粗糙度、Ⅲ级粗糙度试件的耐火时间显著延长,且均为整体破坏,说明当加固界面为Ⅱ级、Ⅲ级粗糙度时能显著提高试件的耐高温性能。在界面粗糙度等级相同的条件下,随着初始荷载的增加,加固梁的耐火性能迅速下降。
利用广义层间位移谱方法,将高层建筑等效化为一个弯剪型悬臂梁,从地面输入理想的简单脉冲,以及含破裂向前方向性效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动记录,然后对弯剪组合梁进行层间变形分析。获得了近断层地震动作用下建筑结构层间变形沿高度的分布规律。滑冲效应脉冲主要激起抗弯框架体系的基本振型响应,导致结构的最大层间变形发生在较低楼层;破裂向前方向性效应脉冲能够激起框架结构高阶振型的响应。而且,从脉冲型地震动的不同特征和层间位移谱分析出发,分析了建筑结构产生上述层间变形分布特征的机理。研究表明三组不同类型地震动的平均层间位移谱在整个结构基本周期段差别很大。
准确预测结构在强震作用下的非线性行为,对评估结构抗震设计的安全性具有重要意义。在总结了现有的结构弹塑性分析模型基础上,以通用有限元程序MSC.MARC为平台开发了一系列新的结构弹塑性分析模型。通过对试验的模拟,表明这些模型可以直接将构件的非线性节点力(轴力、剪力和弯矩)、节点变形(平动和转动)和材料的非线性应力-应变行为联系起来,能够较好地模拟各种复杂受力构件的滞回行为和轴力-双向弯曲-剪切耦合行为。同时,借助通用有限元程序的前后处理功能和非线性计算功能,这些模型可以细致地模拟地震作用下整体结构的三维非线性地震响应。利用所开发的分析模型,对一个复杂框架-核心筒高层混合结构实际工程进行了弹塑性动力时程分析,较好的模拟了该工程结构在地震作用下的复杂抗震行为,并根据不同强度地震作用下的分析结果,说明该工程外框架与4个子筒组成的核心筒可组成有效的双重抗震结构体系,并具有连梁、子筒和外框架三道抗震防线,为工程抗震设计提供依据。
基于材料本构关系的纤维模型能有效模拟柱在变轴力与双向弯矩耦合作用下的非线性反应,但常规的纤维模型分析方法忽略了纵筋滑移。在纤维模型基础上,采取在非线性梁柱单元端部附加零长度截面单元的方法以模拟杆端纵筋滑移的影响。以钢筋混凝土柱为例,将弯曲转角、滑移引起的固端转角等模拟结果分别与柱在低周反复荷载作用下的试验数据进行对比,校准了该模型化方法。考察了6层钢筋混凝土平面框架的非线性地震反应,研究了底层柱根纵筋滑移对框架整体和局部反应的影响。结果表明,模拟分析的纵筋滑移规律与柱的试验结果相符较好。底层柱根纵筋滑移有增大框架整体非线性地震反应的趋势,并将改变底层柱非线性变形的组成方式,减小其柱端塑性铰区的非线性弯曲变形。
针对目前粘贴碳纤维片材加固混凝土结构所用有机胶软化点过低的问题,研发了在600℃下强度不降低的碱激发矿渣无机胶。通过用碱激发矿渣无机胶在混凝土表面粘贴碳纤维布的双剪试验,确定了碱激发矿渣无机胶的最优配合比。探索了改进碱激发矿渣无机胶对碳纤维布浸润性的工艺和方法。通过测试高温后碱激发矿渣无机胶的抗压强度,验证了碱激发矿渣无机胶的耐高温性。试验过程中,先以水为矿渣粉质量的42%,模数M=1.0的水玻璃为矿渣粉质量的12%的比例制备出碱激发矿渣无机胶,再将碳纤维布在该类无机胶中浸泡并杵捣30m in左右,最后用该无机胶在混凝土表面粘贴浸泡后的碳纤维布。这种试件的面内剪切强度可达1.41MPa,破坏时界面混凝土发生大面积剥离。试验结果表明用碱激发矿渣无机胶粘贴碳纤维布加固混凝土结构构件是可行的。
通过对9组每组3块商品混凝土立方体试块在9个低龄期(2d、3d、4d、5d、6d、7d、10d、14d、28d)的抗压试验,研究了低龄期混凝土立方体抗压强度的时变规律。对比国内外现有计算方法,拟合出了标准养护条件下低龄期混凝土立方体抗压强度时变计算公式;另外通过对两种不同配合比商品混凝土各9组每组2个共36个拉拔试验,研究了低龄期混凝土粘结强度的时变规律,拟合出了低龄期混凝土粘结强度的时变计算公式。两公式的计算结果与试验结果均吻合较好,可应用于低龄期商品混凝土抗压强度和粘结强度的推算。
随着软土地区高层建筑及大跨桥梁等的承载力要求的提高,深长大直径扩底灌注桩因其单桩承载力高、经济效益好等优点得到较广泛的应用。但基于中短桩理论的计算标准与实测得到的深长大直径扩底桩的结果有较大差别,因而需根据现场试验结果分析软土中深长大直径扩底桩的承载性状和荷载传递机理。基于现场静载荷试验及桩身应力测试结果分析了深长大直径扩底桩的荷载传递机理和承载性状。研究表明,深厚软土地区深长大直径扩底灌注桩的侧阻先于端阻发挥,同时其荷载传递不同于等直径的灌注桩,深长大直径扩底灌注桩在荷载水平较高时会产生桩侧摩阻力软化;扩底桩的桩端扩大部分对承载能力影响较大,不仅影响到桩端阻力的发挥,还影响到桩侧阻力的发挥,深长大直径扩底灌注桩在低水平荷载作用下表现为摩擦桩性状,在高水平荷载作用下表现为端承摩擦桩性状。
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