ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
在结构可靠度分析和设计中,尚未考虑耐久性对结构安全性和适用性的影响,缺乏相应的耐久性失效准则,对耐久性概念的认识还存在一定的分歧,针对上述存在的问题,从结构全寿命的角度出发,分析了安全性、适用性和耐久性三者的基本概念,明确了三者的基本内涵。通过分析影响结构抗力变化的各种因素,结构性能随时间变化的过程,指出在结构全寿命期内,不同的耐久性水平对结构安全性和适用性将产生不同的影响,三者之间是相互制约、相互影响的交叉关系,重新定义了结构的耐久性。提出了基于性能设计的耐久性极限状态设计新理念,同时指出性能极限状态设计可根据不同的耐久性要求,定义不同的耐久性极限状态,对同一结构构件,若采用不同的性能极限状态,结构的失效概率或使用寿命会有较大的差别。
随着纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中应用越来越广泛,其耐久性成为工程应用人员关注的焦点问题。分析了各种环境条件对FRP耐久性的影响,结果表明:温度对FRP材料、FRP与混凝土、FRP与钢粘结界面的耐久性影响不明显;冻融作用对FRP与混凝土粘结界面影响较大;水分对FRP材料和粘结界面均有影响;化学介质对CFRP影响不大,对GFRP以及FRP与粘结界面均有较大影响。建议对FRP材料及粘结界面进行自然劣化与加速劣化对比试验,并提出进行耐久性评价时应根据使用环境不同对评价指标赋予不同的权重。
简要回顾了结构工程领域实验科学发展,在对主要试验手段进行评价的同时,也介绍了国内外在开发实验方法方面的研究热点。结构实验的发展与重大科学发现、技术突破密切相关,而在土木工程生产实践的体系中对结构实验研究的目的和作用进行定位,可以揭示结构实验学不同于其他实验科学的特色。结构实验学作为物理学(力学)的一个分支,其根本的研究目的是要定义和描述工程结构及工程材料的非线性性能,从而指导结构设计。对结构实验学的主要进展进行归纳和评价,讨论了结构实验学的一些主要研究问题,并对今后的发展和挑战及相关课题作了展望。最后强调结构实验学应遵循第一原理,尽可能地从基本力学原理出发探讨工程结构的关键科学问题。
进行了2块四边简支钢筋混凝土双向板足尺试件在恒载-升温工况下的火灾试验。研究了双向板在受火过程中沿板厚混凝土的温度场分布规律、钢筋的温度变化、板平面内外的变形、板边转角随温度的改变情况。试验结果表明,在荷载和温度的耦合作用下,沿板厚存在非线性温度场,板平面外变形比常温下显著增加;四边简支钢筋混凝土双向板具有与常温下不同的破坏模式,裂缝主要出现在板顶的长边跨中、距短边支座1/4处以及角部;在火灾作用下板的荷载传递路径有明显改变。
在ISO834标准升温条件下,开展了具有端部约束的7根碳纤维布加固混凝土梁和1根未加固混凝土梁的耐火性能试验,考察了梁端轴向和转动约束、防火涂料厚度、荷载比等参数对约束梁高温变形及内力的影响。试验结果表明:约束梁的轴向变形最大值随轴向约束刚度比和防火涂料厚度增大而减小,附加轴力最大值随轴向约束刚度比增加或防火涂料厚度减小而增大,梁端附加弯矩最大值随防火涂料厚度减小而增大,但防火涂料厚度在10~20mm范围内变化时影响幅度有限;降温后约束梁的附加轴力仅少量恢复,梁端附加弯矩却较大幅度回落;与非加固梁相比,加固梁的梁端附加弯矩最大值不仅数值更小,而且出现时刻明显偏晚。
为分析和模拟多层混凝土框架结构在火灾下的反应规律及其破坏过程,基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。模型将构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及材料非线性和几何非线性问题。对单层单跨混凝土框架进行火灾反应分析,并与试验结果进行比较,验证了此数值模型的准确性。通过对多层框架进行火灾反应模拟,比较不同火灾场景的模拟结果,分析其反应规律以及破坏过程。结果表明,纤维梁单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同,一定条件下蔓延的火灾比不蔓延的火灾对多层混凝土框架结构的破坏性更大。分析结果可以为实际结构的防火设计提供参考。
正确预判结构在不同爆炸事件中可能产生的碎片分布特性,对提高结构的抗爆安全性和减轻爆炸灾害具有重要意义。基于连续损伤力学和裂缝微观发展理论,进行了砌体墙在爆炸荷载作用下产生的碎片尺寸分布分析,得到了概率密度函数;根据空气动力学原理,计算了碎片形成后的抛射轨迹和抛射距离,并进行概率统计分析,得到不同爆炸工况下碎片的概率密度函数。数值分析结果表明:碎片尺寸分布符合广义极限分布规律;碎片抛射距离的分布因比例距离不同而有所不同;比例距离较小时,抛射距离的分布符合广义极限分布;比例距离较大时,抛射距离分布符合指数分布;碎片尺寸的均值和方差均与比例距离呈线性关系;抛射距离的均值和方差与比例距离之间的关系可用波尔兹曼方程表示。
压力-冲量(P-I)曲线是结构构件在爆炸荷载作用下的初始设计及在爆炸荷载作用后的破坏评定的有效工具。目前,确定结构构件的P-I曲线采用的方法均是基于单自由度结构体系假定的,并且多以结构构件的中点位移作为破坏指标。然而在爆炸荷载作用下,结构构件大多因高阶响应而发生局部破坏,且可能发生弯剪破坏。因此,通过将结构构件简化为单自由度体系模型并且选择结构构件中点位移为单一破坏指标获得的结构构件的P-I曲线,不能准确评定其破坏程度。利用LS-DYNA有限元动力分析软件,建立了典型钢筋混凝土板在爆炸荷载作用下响应和破坏的分析方法,提出了基于钢筋混凝土板跨中截面受弯剩余承载力的破坏指标以及利用数值方法确定钢筋混凝土板跨中截面受弯剩余承载力的步骤。同时,综合分析数值模拟结果,拟合了钢筋混凝土板P-I曲线的数学表达式,提出了一种简化了的确定钢筋混凝土板P-I曲线的方法,采用该方法确定的P-I曲线可用来对任意爆炸荷载作用后钢筋混凝土板的破坏进行评定。
介绍了汶川地震中极震区几组相同场地条件下倒塌与未倒塌框架结构的震害案例,并分别采用弹塑性时程分析方法、推覆分析方法和基于IDA的结构倒塌储备系数分析方法,对其中2个典型框架结构的抗地震倒塌能力进行了分析研究。在此基础上,结合国外关于结构抗地震倒塌计算方法及其相关研究,分析了影响结构抗倒塌能力的主要影响因素和评价指标。研究结果表明,保证结构的整体承载力储备和变形能力,增加结构的冗余度和整体性,采取有效措施使结构形成合理的屈服机制,充分利用填充墙使框架结构形成双重抗震防线,可显著提高框架结构的抗倒塌能力。最后提出了结构抗地震倒塌需进一步研究的问题。
研究扭转周期比作为结构扭转控制指标的有效性。分析了扭转周期比对结构扭转效应的影响,讨论了扭转周期比作为扭转控制指标的合理性。在OpenSees平台上采用基于柔度法的纤维模型,对不同扭转周期比的计算模型进行了弹塑性动力时程分析,分析了扭转周期比作为扭转效应控制指标的有效性。弹性分析表明:扭转位移比能反映结构扭转效应;扭转周期比仅对相对偏心距较小的规则结构起控制作用;对考虑偶然偏心的扭转位移比进行限制后,无须再对规则结构的扭转周期比进行控制。非线性反应分析表明:结构的扭转非线性反应受弹性最大层间位移角的控制最为明显,受扭转周期比控制不明显。建议在有效控制扭转位移比的前提下取消扭转耦联周期比限制。
为深入探讨消能减震结构在发生平-扭耦联变形时的振动反应分析方法,对消能减震结构中消能装置附加阻尼比的计算理论和计算方法进行了对比分析,并建立了可以考虑平-扭耦联效应的消能装置附加阻尼比计算方法,即改进变形能比法,并深入研究了消能减震结构发生平-扭耦联变形的动力时程分析方法,如振型叠加法、状态空间解法和直接积分法。选取2个偏心结构对建立的计算模型和相关结论进行了验证分析,数值计算结果表明:改进变形能比法求解的消能减震装置附加阻尼比与精确解(复模态理论)结果相接近,3种动力分析方法在求解消能减震结构发生平-扭耦联变形时均具有较高精度,可用于此类工程抗震设计与分析。
结构动力分析中的复阻尼模型是在大量材料试验的基础上建立的,与粘性阻尼模型相比它能够真实的反映结构内未知的能量耗散。研究了应力无关复阻尼模型的损耗因子对结构震动响应和能量耗散的影响,以及应力相关复阻尼模型的初始损耗因子、疲劳极限应力、震动响应和能量耗散之间的关系。研究表明:应力无关复阻尼模型的动响应幅值随着损耗因子的增大而减小,能量耗散随着损耗因子的增大而增大,结构合适的阻尼比的选择是利用该模型进行有效动力分析的前提;与应力无关复阻尼模型相比,应力相关复阻尼模型的初始损耗因子的合理取值应当是一微小值(ε>0),它的取值对动力响应、能量输入和能量耗散的影响可以忽略;该模型的震动幅值随着疲劳极限应力的提高而增大,但最终收敛于某一稳定值;损耗因子和能量耗散随着疲劳极限应力的增加而减小,而能量输入随着疲劳极限应力的增大变化较小。该研究明确了复阻尼理论中的各个参数与响应、能量输入和能量耗散之间的关系,为复阻尼理论的进
提出了一种基于能量的模态pushover分析方法,解决了高阶模态能力曲线失稳的问题。该方法利用基于结构变形吸收能量的等效位移,计算结构在地震作用下的非线性总体变形,替代模态pushover中基于顶点位移的变形解法,采用基于能量原理的等效单自由度体系,结合等强度谱计算目标位移,以目标位移对应的能量指标求出相应的结构性态反应,采用SRSS方法组合得到结构的最大反应。以9层钢框架结构为例对所提出方法进行了验证,结果表明:该方法可以考虑高阶效应,不会出现能力谱折返的失效情况,而且与时程分析法相比,该方法计算效率高且具有较好的精度。
为研究主管内填充混凝土对矩形截面钢管桁架受力性能的影响,并考虑节点偏心作用,进行了支主管宽度比β为0.8的空钢管桁架、受压主管内填充混凝土桁架和拉压主管内均填充混凝土桁架的对比试验。试验研究表明:结构破坏均发生在节点部位,主管内填充混凝土改变了节点失效模式,其中空钢管桁架为节点部位的受压主管表面塑性失效和侧壁鼓曲,受压主管内填充混凝土桁架为节点部位的受拉主管表面塑性失效和侧壁鼓曲,拉压主管内均填充混凝土桁架为节点部位的受拉主管表面冲剪失效。主管内填充混凝土不但能协助主管受力,而且能够提高节点强度和刚度,提高桁架的整体承载力。节点相对偏心较大时,由偏心造成的次应力比较明显,对支管的影响要比对主管的影响大。节点试验承载力比按相关规范的计算承载力要高出较多,计算结果偏于安全。
为研究柱列支撑体系的受力性能和验证有限元方法分析该问题的可靠性,对带有不同初始几何缺陷分布的单层和双层柱列支撑体系进行静力模型试验研究。研究结果表明:由于试验模型中柱和水平撑杆的初始几何缺陷的随机分布,水平撑杆受压力或拉力也是随机的;双层柱列支撑体系的极限承载力高于单层柱列支撑体系的极限承载力,且双层柱列支撑体系中的水平撑杆减小柱的计算长度超过柱高的一半;柱列支撑体系的失稳破坏是由于单柱失稳破坏引发的。采用有限元模型对试验进行了模拟验证,计算结果与试验结果吻合良好。
为研究GFRP套管钢筋混凝土短柱的轴压力学性能,进行了22个GFRP套管钢筋混凝土短柱和6个无GFRP套管约束的钢筋混凝土短柱对比试验。研究了影响GFRP套管钢筋混凝土组合短柱轴压力学性能的主要因素,包括GFRP套管不同的受力方式、混凝土强度、纵筋配筋率等。试验结果表明:由于GFRP套管的约束,提高了核心混凝土的强度,增大了核心混凝土的变形能力;GFRP套管在不同的受力方式下,组合短柱的轴压承载力和变形基本相同;GFRP套管内配置纵筋可提高GFRP套管混凝土短柱的轴压承载力,适当提高纵筋配筋率可改善短柱的延性。根据试验结果及现有FRP管约束混凝土轴心抗压强度计算公式,建议了GFRP套管钢筋混凝土短柱承载力计算公式,计算结果与试验结果基本吻合。
提出了以磷石膏为模壳的新型钢筋混凝土结构体系。完成了以磷石膏为模壳的钢筋混凝土密肋网格式剪力墙模型试验和以磷石膏为模壳兼吊顶的钢筋混凝土密肋井字楼盖试验,试验结果表明,以磷石膏为模壳的钢筋混凝土密肋网格式剪力墙的受力特性与普通剪力墙类似,为弯曲破坏;以磷石膏为模壳兼吊顶的钢筋混凝土密肋井字楼盖在设计荷载作用下,结构具有较好的安全度,且用钢量、混凝土用量比常规结构小8.0%、7.5%。试验结果可为结构设计提供参考。
莱芜高新区某15层框架-剪力墙结构建筑,地上总高度67.6m,对其进行平移设计与现场监测。介绍了该高层建筑平移设计中行走机构及托换结构选择、移动动力施加方式确定、现场监测内容及方法,提出了平移设计原则,详细介绍了新基础设计方法及其与原基础连接措施、柱下托换节点设计与分析、建筑物移动水平动力计算、施力点设计及PLC液压同步控制技术应用。实际应用及监测结果表明:采用沉降变形控制设计方法设计新基础,能够很好地控制新基础沉降量;柱下托换梁采用倒置牛腿设计,托换结构受力合理、安全可靠;采用大直径钢滚轴作为行走机构,可以有效降低移动阻力;采用PLC控制同步液压动力系统,可以保证建筑移位中动力同步施加和位移同步控制。通过监测得到了平移建筑物初始启动和正常移动过程中的加速度特性及该建筑平移阻力系数。
国家游泳中心钢结构为基于气泡理论构成的新型多面体空间刚架结构。由于结构复杂性,需对施工全过程的温度作用、卸撑过程的偶然荷载影响等进行仿真分析,以提出切实可行的施工技术措施,并提出施工过程中需要重点监测的区域或构件,保障工程顺利施工。研究采用SAP2000软件按施工顺序加载进行全过程分析,根据不同温度分区合拢和大跨屋面群顶卸撑过程的仿真分析,找到了施工过程中的关键部位,并为类似全焊接的大跨度钢结构工程施工仿真分析提供了参考和借鉴。
常州市体育馆椭圆抛物面钢屋盖采用由Levy索杆系和单层网壳构成的弦支穹顶结构,与已研究的常规弦支穹顶相比,其具有体量大,矢跨比高和外形为椭圆抛物面的特点。将弦支穹顶与单层网壳进行稳定性对比研究,包括构件屈曲、线性屈曲和几何非线性屈曲等,分析了高矢跨比弦支穹顶中索杆系的作用以及对结构设计起控制作用的破坏形式。研究结果表明,索杆系增加了弦支穹顶的整体性,降低了其对初始几何缺陷的敏感性,但对结构刚度、基本自振周期和模态、构件屈曲荷载、线性屈曲荷载、无初始缺陷的非线性屈曲荷载、屈曲模态等影响不大。高矢跨比弦支穹顶仍对初始缺陷较为敏感,稳定性仍是结构设计控制因素之一。此外,由于椭圆抛物面外形,活荷载布置形式对结构屈曲模态影响较大,且满跨活荷载并不一定是最不利的活荷载布置形式。
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