ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
为了研究钢筋混凝土巨型框架结构体系的抗震性能及其地震作用损伤机理，设计制作1/25的缩尺模型，并设计加工了一套调谐质量阻尼器（TMD）装置安装在模型结构顶部，进行振动台试验，得到结构的动力特性和位移响应，并对比分析了TMD的减震效果。结果表明：当在峰值加速度为0.140g的地震波作用后（相当于原型7度多遇地震），模型结构处在弹性工作状态，在峰值加速度为0.400g的地震波作用后（相当于原型7度基本烈度），模型结构出现轻微破坏，在峰值加速度为0.880g的地震波作用后（相当于原型7度罕遇地震），模型结构出现中等破坏，该原型结构可以满足抗震设计的要求；TMD装置具有较好的减震效果。
以北京前三门地区加固改造项目为工程背景，对子结构拟动力试验方法进行应用研究。介绍了用于拟动力试验的数值积分法（OS算法）及其在拟动力试验中的实现,开发了基于MTS电液伺服加载系统的结构拟动力试验软件TOHTP,针对采用外套式加固后的老旧住宅的1/2缩尺模型进行了子结构拟动力试验研究。研究结果表明： OS算法是对于大多数结构为无条件稳定的数值积分算法，适用于子结构拟动力试验；拟动力试验软件TOHTP正确实现了OS算法，对于建筑结构的拟动力试验方便有效；拟动力试验结果验证了加固后的老旧住宅能够满足现行规范的抗震性能要求。
地震动强度指标选取是基于性能抗震设计的重要组成部分，地震动强度指标是联系结构地震响应和地震动记录的关键参数。合理的地震动强度指标可以使结构地震响应预测结果更加准确。为此，以超高层建筑结构为基本研究对象，考虑超高层建筑结构地震响应中高阶振型参与显著的特点，并考虑地震动强度指标表达形式的简便性，提出了适合于超高层建筑结构抗震分析用的地震动强度指标，利用大量的时程分析给出了振型参与数量的取值方法；基于2个超高层建筑结构的倒塌分析实例，比较了建议的地震动强度指标和部分现有地震动强度指标对超高层建筑结构的适用性。分析表明：与已有的地震动强度指标相比，采用建议的地震动强度指标表征结构临界倒塌的地震动强度时，其变异系数最小，能较好地反映超高层建筑结构中高阶振型的影响，对超高层建筑结构的抗震设计具有较好的适用性。
腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架可以实现结构在地震作用后的自动复位并减少梁柱节点区的损伤。在已有理论分析和试验研究基础上，对该结构体系的抗震设计方法进行研究。定义结构的抗震性能水准、地震动作用水准和结构的极限状态，确定自定心结构的抗震设计目标。建立自定心框架结构的抗震设计方法，包括梁柱的截面尺寸选择、配筋、预应力和摩擦力的确定等。以1榀4跨6层的腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架为例，进行基于性能的抗震设计，并选用7条地震波进行非线性动力时程分析。分析结果表明：应用此方法设计的结构在地震作用下的位移、弯矩、应变等响应与给定的性能设计目标较为一致，验证了方法的有效性，且所设计的结构具有良好的自定心能力和耗能能力。
设计3个不同柱端弯矩增大系数的钢筋混凝土框架结构模型，考虑结构材料、荷载及地震动参数的随机性，分别对其进行随机增量动力分析（IDA），以地震峰值加速度（a pg）作为地震动强度指标，结构的顶点最大位移角θmax作为结构的反应参数，得到各结构模型的IDA曲线。在IDA分析的基础上，对各结构模型进行地震需求概率分析，通过定义4个抗震性能水平，对各模型进行随机pushover分析，确定各性能水平的限值，分别对各结构模型进行易损性分析，得出各结构的地震易损性曲线。计算分析结果表明：弯矩增大系数的取值对结构的易损性有一定的影响，其取值越大时，结构在地震作用下倒塌的概率越小；在一定的范围内(0.2g≤a pg≤1.0g)，当结构的塑性程度发展越大时，提高弯矩增大系数对结构抗震性能的贡献越明显；建议规范修订时可适当增加柱端弯矩增大系数的取值。
通过对钢筋混凝土框架梁柱节点组合体抗震性能试验，研究加载速度对节点组合体承载力和破坏形态的影响规律。研究结果表明：梁端位移加载速率分别为0.4、4、40 mm/s时，节点核心区的应变率数量级分别为10-5、10-4和10-2；随着加载速率的提高，节点组合体破坏更为严重，裂缝分布更为集中；相对拟静态加载试验，快速加载时节点组合体在破坏前的耗能增加；加载速率的提高对节点组合体屈服荷载的影响不明显，但是极限荷载稍有增大，而极限荷载后的节点组合体承载能力和刚度退化较快；快速加载时，在本文所采用的轴压比范围内，其变化对节点组合体的承载力影响不大，然而随着轴压比的提高，核心区混凝土的裂缝宽度逐渐减小；将材料动态强度直接应用于拟静态计算模型得到的节点受剪承载力高于试验结果，表明这种直接计算方法偏于不安全。
对6片一字形型钢高强混凝土短肢剪力墙试件进行低周反复荷载试验，研究不同型钢配置形式、不同轴压比的型钢高强混凝土短肢剪力墙的承载力、滞回特性及破坏机理。试验结果表明：格构式配钢试件和实腹式配钢试件的破坏过程相近，试件内置实腹式钢板较好地抑制了斜裂缝的发展；轴压比对两种配钢形式试件的承载力和延性影响规律一致，即随着轴压比的提高，试件承载力提高而延性下降；格构式配钢试件承载力比实腹式配钢试件略高，但实腹式配钢试件的延性更好。根据试验结果，提出型钢高强混凝土短肢剪力墙承载力计算式，与试验结果对比表明两者吻合较好。
对3个1/2缩尺钢板墙束柱试件分别进行单调和往复加载拟静力试验，研究其在水平荷载作用下的破坏机理、抗侧刚度、受剪承载力及滞回性能；对钢板墙束柱试件建立有限元分析模型，并按照试验加载制度进行数值模拟分析，得到了钢板墙束柱试件的力学性能；在试验和有限元分析的基础上，提出了钢板墙束柱的抗侧刚度及受剪承载力理论计算式。试验、分析及计算结果表明，单调荷载作用下钢板墙束柱试件抗侧性能稳定，层间位移角达到1/50时，加载后期试件承载力不下降，延性性能好；往复荷载作用下钢板墙束柱试件的滞回性能稳定，层间位移角达到1/50时承载力没有降低，滞回曲线平滑、饱满；钢板墙束柱的抗侧刚度及受剪承载力的理论计算结果与试验及有限元分析结果很接近。
为了提高钢筋混凝土柱的抗震性能，考虑在其潜在的塑性铰区采用纤维增强混凝土(FRC)代替普通混凝土。设计6个剪跨比为3、柱内箍筋配置较少的钢筋混凝土柱试件，其中5个试件的潜在塑性铰区采用了FRC，另外1个试件的潜在塑性铰区未采用FRC，并对其进行拟静力试验。通过改变FRC区高度和强度以及柱轴压比，观测试件在低周反复水平荷载作用下的裂缝开展和破坏过程，研究其滞回特性、变形能力及耗能能力。结果表明，与普通钢筋混凝土柱相比，塑性铰区采用FRC且柱内箍筋配置较少的柱，其破坏形态为纵向受力钢筋屈服后的剪切破坏，具有较好的变形能力和损伤容限；在材料强度、柱轴压比不变时，FRC区高度增加1倍，位移延性系数、极限位移角分别提高45%和21%，耗能能力提高81%；局部使用FRC可以减少约束箍筋和抗剪箍筋用量。
通过7个钢筋钢纤维高强混凝土梁柱节点和1个钢筋高强混凝土梁柱节点的低周反复加载试验，研究钢筋钢纤维高强混凝土梁柱节点的受力机理及破坏模式，分析钢纤维体积率、节点核心区配箍率以及柱端轴压比对节点受剪承载力的影响。结果表明：钢筋钢纤维高强混凝土梁柱节点的破坏主要有节点核心区剪切破坏和梁端弯曲破坏两种模式；随着钢纤维体积率和节点核心区配箍率的增加，节点受剪承载力显著提高。结合对国内外相关试验数据的综合分析，分别提出了考虑轴压比、钢纤维体积率以及节点核心区配箍率影响的适用于钢筋钢纤维普通和高强混凝土梁柱节点受剪承载力计算方法，以及考虑钢纤维影响的节点梁端受弯承载力计算方法。
建立了1个包含151个带暗柱钢筋混凝土剪力墙的试验数据库，筛选出89个受弯破坏试件数据，综合已有研究的5种混凝土应力-应变模型和4种塑性铰长度模型，考虑剪切位移在受弯破坏剪力墙总位移中所占的比例，提出带暗柱剪力墙极限位移的具体计算方法，将这5种应力-应变模型和4种塑性铰模型两两组合，得到20种组合计算模型的计算结果，与所收集的受弯破坏剪力墙试验数据进行对比，得到最适合计算受弯破坏剪力墙极限位移的模型。结果表明，混凝土应力-应变模型以Saatcioglu模型最为准确，塑性铰长度模型以Paulay模型最为准确，两者组合得到的极限位移计算值在20种组合计算模型中最为准确，最适用于计算受弯破坏钢筋混凝土剪力墙极限位移。基于试验数据，在Saatcioglu模型和Paulay模型的基础上，对计算模型进行调整修正，与试验对比后发现，修正模型比Saatcioglu模型和Paulay模型组合更符合试验数据，平均值基本不变，但变异系数减小，可较为准确地计算受弯破坏钢筋混凝土剪力墙极限位移。
为实现高强度结构钢材拉压大应变循环加载试验，避免受压失稳，采用了标距与直径比为1.13的特小标距试件。有限元分析结果表明，在此标距范围内，钢材屈服后应力、应变仍是均匀的。标准尺寸试件与特小标距试件的单调拉伸试验结果对比表明，为去除大应变范围内试件面积变化影响而采用真实应力真实应变表达钢材力学行为是必要和有效的。针对屈服强度达到510MPa的国产高强度结构钢材，采用了循环拉伸、等幅升幅、等幅降幅和等幅交替4种不同的循环加载制度，使最大循环应变幅达到了±10%。试验获得了大应变范围内钢材的应力-应变关系及滞回特性，结果显示，大应变范围内循环加载时钢材的应力强化将有显著趋缓现象，与常用的双折线模型有显著不同。
索桁架固定千斤顶斜向牵引整体提升的无支架施工方法，利用固定在上弦锚固节点处的提升千斤顶，通过斜向牵引上弦索来整体提升在地面低空组装的索杆系，最后通过张拉下弦索使结构成型。该方法高空作业少，节省搭设支架的费用和工期，实现工装轻型化，提高施工效率。乐清体育场挑篷为月牙形非封闭索桁架结构，采用该方法施工，并采用基于非线性动力有限元的索杆系静力平衡态找形分析方法，进行结构自质量初始态、提升牵引和张拉全过程分析及扰动稳定分析。研究结果表明：结构自质量对弦索索力影响较大，可增大上弦索力和减小下弦索力，但对环索索力影响小；在提升牵引阶段位形变化大，上弦索和环索构成主承力构件，下弦索处于松垂悬挂状态；在下弦索张拉阶段，弦索和环索的索力逐渐增加，结构刚化成型；最外侧上、下弦钢拉杆在施工过程中内力变化剧烈，应验算其承载力；上、下弦交叉的索桁架，压杆容易出现平面外过大位移甚至翻转，此在牵引提升起始时最为不利，可在压杆顶部设置稳定工装索，保证位形几何稳定。
对10个疏排桩-土钉墙组合支护结构进行离心机模型试验。基于试验结果，提出排桩荷载分担比的计算模型，探讨排桩荷载分担比的变化规律以及影响因素，并提出简化计算式。研究结果表明：当基坑挖深较小时，支护结构的荷载主要由土钉墙承担，排桩承担的荷载较小，随着开挖深度的增加，土拱效应将支护结构范围内的土压力不断传递给桩身，排桩承担的荷载越来越多，最多可达到总荷载的90%以上；增加土钉长度、减小土钉间距既可有效减少排桩分担的荷载，同时还能明显提高整个支护结构的整体稳定性；当桩间距在一定范围内时，增加桩间距能减小排桩荷载分担比，但是桩间距过大会明显降低整个支护结构的稳定性；土钉竖向间距对排桩荷载分担比的影响比土钉水平间距更为明显。
6个FRP-PVC管约束圆形截面钢筋混凝土组合柱试件进行滞回性能试验，研究轴压比n、FRP横向包裹层数m和FRP类型对组合柱在低周往复荷载作用下的破坏模式、滞回特性、位移延性、能量耗散能力、承载力退化、刚度退化等性能的影响。试验结果表明，当外包FRP-PVC管开裂并退出工作时，试件承载力呈跳跃式下降，试件退化为钢筋混凝土柱，可将外包FRP-PVC管的开裂作为该类构件即将破坏的首次预警；所有试件的滞回曲线均较为饱满，捏缩现象不明显，滞回性能良好；试件的承载力退化不显著；轴压比的增大提高了试件的峰值荷载，同时延缓了刚度退化趋势，降低了试件的耗能能力；与BFRP包裹的试件相比，CFRP包裹试件的峰值荷载、耗能能力有所提高，刚度退化延缓；BFRP包裹层数的增加可以延缓试件刚度退化并提高其延性。
为了研究钢板-砖砌体组合柱中对拉螺栓间距、钢板厚度与结构胶侧向黏结力对钢板局部屈曲的影响，对6个钢板-砖砌体组合短柱试件进行轴心受压试验。结果表明，随着钢板厚度的增加、螺栓间距与钢板厚度之比的减小，钢板局部屈曲变形程度相对降低；可见屈曲荷载与极限荷载的比值为70%~85%左右；在有结构胶侧向黏结力作用下，钢板的局部屈曲发展受到一定程度的约束，使得采用应变片读数判断的钢板局部屈曲临界点与钢板发生可见屈曲变形时对应的荷载值可能存在差异。基于试验数据，通过拟合分析得到钢板发生可见屈曲变形时的钢板应力计算模型，提出轴心受压钢板-砖砌体组合柱钢板发生可见屈曲变形时的承载力计算式。通过与试验结果的对比可知，提出的计算方法可以用于指导类似构件的设计。
制作了16根采用预应力钢绞线张拉锚固新技术加固的钢筋混凝土圆形截面加固柱试件和2根未加固对比柱试件，进行了不同轴压比下水平反复加载试验，研究轴压比、钢绞线间距、预应力水平对抗震加固效果的影响。试验结果表明：高轴压比加固试件较未加固对比试件屈服荷载、极限荷载、位移延性系数、累积耗能最大提高幅度分别为36%、44%、76%、62%，低轴压比加固试件较未加固对比试件相应最大提高幅度分别为36%、27%、44%、172%；随钢绞线间距的减小，加固效果大幅度提高、刚度提高、刚度退化减缓；钢绞线间距为30mm加固试件的加固效果随预应力水平的提高变化不明显。预应力钢绞线加固钢筋混凝土柱技术是一种主动、无损高效加固技术，具有推广应用价值。
为研究加固钢筋混凝土梁的受剪承载力，按照沿梁轴向非对称布置箍筋的方式浇筑13根钢筋混凝土梁试件，在箍筋布置较少侧混凝土梁侧立面保护层上嵌入或外贴碳纤维增强塑料板条对混凝土梁进行受剪切补强。对其进行弯曲试验，研究内嵌碳纤维增强塑料板条补强混凝土梁的破坏形态、承载力等情况，并与相应位置外贴等量碳纤维增强塑料板条的混凝土梁进行比较，分析内嵌或外贴在混凝土梁上的碳纤维增强塑料板条应变变化情况及补强混凝土梁受剪承载力影响因素和受剪承载力计算方法。研究表明，与对比梁相比,内嵌碳纤维增强塑料板条补强混凝土梁受剪承载力提高18.8%~45.8%，外贴碳纤维增强塑料板条补强混凝土梁受剪承载力提高12.5%~13.3%，提出的承载力计算式计算结果与试验值吻合较好。
结合一钢筋混凝土厚板桥梁的剪切破坏实例，对GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的无腹筋构件受剪计算公式的安全性进行了分析。根据完成的截面高度为500~1200mm大尺寸梁的剪切试验结果及收集的其他文献的大尺寸梁和厚板试验数据对规范公式进行了验证，分析了最小配箍率和纵向分布钢筋对构件受剪承载力的影响。结果表明，无腹筋梁存在明显的尺寸效应，规范公式虽然引入了截面高度影响系数，但尚不能充分考虑截面高度对受剪承载力的影响；规范公式对纵筋配筋率较低且截面高度大于1000 mm的小剪跨比构件(a/h0<2.0)以及纵筋配筋率小于1.00%和截面高度大于1000 mm的大剪跨比构件(a/h0≥2.0)计算偏于不安全；规范规定的最小配箍率能够有效避免大尺寸构件发生剪切破坏，而配置纵向分布钢筋则不能有效避免截面高度大于1000 mm的无腹筋构件的剪切破坏。
为了研究强度等级和骨料组分对混凝土立方体抗压强度尺寸效应的影响，对强度等级分别为C20、C40和C60，边长分别为100、150、200mm共135组混凝土、水泥砂浆和水泥净浆立方体试件进行抗压试验。结果表明：强度等级对混凝土立方体抗压强度尺寸效应的影响较大，边长200mm的C40与C60混凝土立方体抗压强度的尺寸效应度分别约为C20混凝土的1.61倍与1.85倍；骨料组分对立方体抗压强度的尺寸效应有一定影响，其中，尺寸效应受粗骨料影响较明显，边长200mm混凝土立方体抗压强度的尺寸效应度约为水泥砂浆的2.7倍，细骨料对尺寸效应的影响较弱，水泥净浆立方体抗压强度的尺寸效应度约为水泥砂浆的88%。提出了混凝土立方体抗压强度尺寸效应律的计算式，计算结果与试验结果吻合良好。
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