ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
通过12个可更换钢连梁中消能梁段试件的拟静力试验，研究其抗震性能。试验参数包括腹板钢材类型、梁段长度、加劲肋布置方式和加载制度。试验结果表明：试件为剪切屈服型，破坏模式为加劲肋-腹板焊缝断裂或翼缘-端板焊缝断裂；试件的超强系数平均值为1.86，大于Popov等学者的建议值1.5；试件的极限塑性转角约为0.15 rad，远大于规范AISC 341-10规定的塑性变形限值0.08 rad；梁段腹板采用低屈服钢LY225代替Q235钢时，试件的极限塑性转角增大23%，试件的累积塑性转角增大52%；加劲肋单面布设或双面布设对试件的抗震性能影响不大，但加大加劲肋间距会导致腹板提前屈曲和试件承载力退化，建议低屈服钢消能梁段的加劲肋布置按照规范AISC 341-10和GB 50011—2010对一般消能梁段的规定。在剪切往复荷载作用下，试件的轴向位移由几何位移和塑性轴向变形两部分组成，试件的塑性轴向变形与其累积塑性转角成正比。
为根本改善混凝土基体的脆性，提高混凝土剪力墙的抗震性能和损伤容限，设计制作6个局部纤维增强混凝土（FRC）剪力墙试件，在试件变形关键部位采用FRC替代普通混凝土，并考虑高轴压比下剪力墙受压钢筋屈曲和受拉纵筋应力集中的问题，在塑性铰区纵向钢筋上设置钢套管，以改善受力钢筋的稳定性和变形性能。通过对悬臂剪力墙试件的拟静力试验，研究此类剪力墙的破坏现象、受力机理和滞回特性，探讨轴压比、FRC区高度、纵筋强度和钢套管长度等因素对墙体变形能力及耗能能力的影响。研究表明，与普通混凝土剪力墙试件相比，塑性铰区采用FRC的剪力墙试件具有较高的损伤容限和变形能力；提高钢筋强度和延性以及在纵筋上设置钢套管，对其抗震性能和耗能能力均具有明显的改善作用。
采用考虑高温蠕变的钢材热-力耦合本构关系及考虑高温徐变和瞬态热应变的混凝土热-力耦合本构关系模型，利用ABAQUS有限元分析软件建立火灾下钢管混凝土柱、钢-混凝土组合梁等构件以及节点和单层单跨框架结构的温度场和结构抗火分析的有限元分析模型，计算结果得到已有试验结果的验证。在此基础上设计一榀3层3跨钢-混凝土组合平面框架模型，建立局部火灾下该平面框架的温度场与结构抗火性能分析模型，研究局部火灾下钢-混凝土组合平面框架的抗火性能并分析其失效模式，对该平面框架的耐火极限、梁柱变形规律及柱底截面内力变化规律进行分析，并对是否考虑钢梁与混凝土板相互作用对框架梁抗火性能的影响进行研究，对梁先失效模式下框架梁与简支梁、固支梁的抗火性能进行对比分析，对柱先失效模式下钢管混凝土框架柱与两端固支钢管混凝土单柱的抗火性能进行对比分析。结果表明：梁先失效模式下考虑钢梁与混凝土板的相互作用可以充分发挥钢-混凝土组合梁的抗火性能，框架梁的抗火性能要优于简支梁且接近并略低于固支梁，柱先失效模式下两面受火时单个钢管混凝土边柱的抗火性能为框架边柱抗火性能的上限，两面受火与四面受火时单个钢管混凝土中柱的抗火性能与相应框架中柱的抗火性能较接近。
为研究钢管混凝土叠合柱火灾下的温度特性和力学性能，进行了4个钢管混凝土叠合柱试件的耐火极限试验，分析了试件在试验中的温度场分布、耐火极限、轴向变形和失效模式；基于ABAQUS有限元分析软件建立钢管混凝土叠合柱温度场和火灾下力学性能分析模型，模型分析结果与试验结果符合较好；在此基础上，利用该模型对影响钢管混凝土叠合柱耐火性能的主要参数进行分析。研究结果表明：钢管外的混凝土显著延缓了热量向钢管及其内部核心混凝土的传递，核心钢管混凝土部分承载力损失较小；由于各部分材料之间的相互作用，延缓了核心混凝土的损伤，避免钢管的局部屈曲，也使得破坏时钢管混凝土叠合柱仍具有较好的整体性；轴压比、截面尺寸、截面核心面积比和长细比是影响钢管混凝土叠合柱耐火极限的主要因素；基于此类参数提出钢管混凝土叠合柱耐火极限的实用计算式，与有限元分析结果和试验结果均符合较好，可为实际工程中该类构件的抗火设计提供参考。
对9根不同再生骨料取代率的再生混凝土梁试件进行了常温和标准升温条件下的受剪试验，研究再生粗骨料取代率和初始荷载比等对试件的破坏特征、耐火极限、温度场分布和变形性能等的影响。利用ABAQUS有限元分析软件分别进行试件的温度场分析和顺序热应力耦合全过程分析，并提出高温下再生混凝土梁受剪承载力理论计算方法和设计计算式。研究结果表明：高温下再生混凝土梁的剪切破坏特征与普通混凝土梁相似，但再生骨料取代率越大，火灾试验后试件表面混凝土的剥落程度越明显；试件的耐火极限随再生粗骨料取代率的增大而提高，随初始荷载比的增大而降低，再生混凝土梁的耐火极限受初始荷载比的影响比普通混凝土梁低；再生粗骨料取代率越大，相同时刻试件内部测点的温度越低，箍筋温度也越低，再生混凝土梁比普通混凝土梁具有更好的耐火性能；在火灾试验末期，随着再生粗骨料取代率的增加，试件的变形增长速率逐渐减小，说明高温下再生混凝土梁斜截面破坏时的延性比普通混凝土梁好；有限元分析结果与试验结果吻合较好；提出的高温下再生混凝土梁受剪承载力理论计算方法和设计计算式均具有可行性，能够分别满足试验和工程设计的要求。
针对一座超高层支撑钢框架结构建筑的改建工程，进行耗能减震加固设计，其中针对其梁柱连接提出梁端侧板补强的方案，针对提升结构整体抗震性能提出增设屈曲约束支撑的方案，并进行梁柱连接补强试验以及屈曲约束支撑构件性能试验。对改建前现场取样所得两组梁柱连接进行的反复加载试验结果显示，未补强梁柱连接试件在加载至AISC(2005)规定的层间位移角限值0.04 rad前断裂破坏，而补强连接试件的变形能力较好，均达到并超过了AISC(2005)规定的层间位移角限值0.04 rad的要求，且未发生梁柱连接焊缝断裂。屈曲约束支撑构件性能试验结果显示了其稳定良好的耗能减震能力。整体结构的有限元弹性分析表明，在地震及风荷载作用下，结构楼层的侧向位移满足台湾地区抗震及抗风规范的要求。根据试验及分析结果提出的加固设计方案，可供工程界有关既有高层建筑加固设计参考。
对5个折线隔板加强的隔板贯通式箱形柱-翼缘削弱箱形梁与H形梁异型节点和1个基本型隔板贯通式异型节点进行拟静力试验，研究折线隔板扩大头和箱形梁翼缘削弱型隔板贯通式箱形柱-箱形梁与H形梁异型节点的破坏模式、滞回性能、承载力、塑性转角、刚度退化和耗能能力等。试验结果表明：基本型异型节点在几何尺寸变化剧烈（应力高度集中）的箱形梁翼缘对接焊缝侧边开裂，节点的塑性转角约为0.014 rad，达不到FEMA要求的0.03 rad；折线隔板扩大头异型节点的塑性转角达到0.032~0.046 rad，承载力和耗能能力较基本型异型节点分别提高22.2%~64.3%和6.32~9.94倍；箱形梁翼缘与隔板对接焊缝断裂、隔板与柱壁板间焊缝剪切撕裂是折线隔板扩大头异型节点的主要破坏模式；试验的隔板贯通式箱形柱-箱形梁与H形梁异型节点显示，刚度较大的箱形梁翼缘对接焊缝均先于H形梁断裂。
为研究半刚性框架-槽钢十字形约束钢板剪力墙结构的抗震性能，通过一榀1∶3比例单跨3层半刚性框架-槽钢十字形约束钢板剪力墙的拟静力试验，研究半刚性框架与槽钢约束墙体的相互影响，分析结构的承载力、刚度、耗能和节点转动能力等。试验结果表明：该结构具有良好的耗能能力，半刚性框架和墙板协同工作良好，墙板的设置显著降低梁柱节点的延性要求，避免梁柱刚性连接在强震作用下的脆性破坏；槽钢构件的设置可改善钢板的受力性能，提高墙体的承载力和刚度，有效减少滞回曲线的“捏缩”现象，降低薄板墙的噪音及震颤，内填板以小区格内的局部屈曲为主，试件面内呈弯剪破坏模式。
通过焊接加工10个不锈钢工字形截面试件（选材包括奥氏体型S30408和双相型S22253两种），采用分割法将试件截面切分成条带，量测释放的残余应变，计算得出截面的残余应力大小与分布形态。结果表明：试件截面的残余拉应力峰值低于材料的名义屈服强度，对于奥氏体型S30408和双相型S22253两种不锈钢试件的截面残余拉应力峰值分别约为其名义屈服强度的80%和60%。基于试验结果对现有简化分布模型的评估表明其应用的局限性，提出可以较准确描述不锈钢焊接工字形截面残余应力分布的建议简化模型，结合现有的其他试验数据，对建议简化分布模型的适用范围进行了验证和推广，可以为不锈钢结构构件的稳定性研究和设计提供参考。
基于部分加劲板件的畸变屈曲和局部屈曲的稳定系数比较，提出了冷弯薄壁型钢卷边槽形截面构件畸变屈曲发生于局部屈曲之后或畸变屈曲不发生的临界控制条件；给出了通过构件畸变屈曲计算长度控制畸变屈曲的临界条件；提出一种控制畸变屈曲的构造措施，即在卷边间加设缀板，并通过已有试验对其有效性进行验证，同时推导了卷边间缀板的刚度需求。结果表明：通过构件截面尺寸控制畸变屈曲不发生或发生在局部屈曲之后，可以不考虑构件畸变屈曲的影响，简化冷弯薄壁型钢卷边槽形截面构件承载力的计算；计算长度小于畸变屈曲半波长一半的构件不发生畸变屈曲；通过在卷边间加设缀板的构造措施能有效阻止部分加劲板件的转动，构件的畸变屈曲荷载和承载力都有很大的提高，缀板布置间距不同，构件承载力的提高幅度也不同，缀板间距越小，构件承载力提高幅度越大。算例分析表明，满足一定间距和刚度需求的缀板能够提高构件的畸变屈曲承载力或避免畸变屈曲的发生。
提出一种肋环人字型索穹顶，其形体构造设有两根人字型撑杆，改变了现有符合Fuller思想的张拉整体类索穹顶，如肋环型、葵花型、Kiewitt型、鸟巢型索穹顶只设单根撑杆即竖杆的特点。肋环人字型索穹顶上、下弦节点的索杆数均为6，与最常见的上下弦节点数为4的肋环型索穹顶相比，可改善结构的稳定性；上下弦节点错位布置，便于铺设环向折线形膜面。针对肋环人字型索穹顶提出确定预应力态的分析计算方法，该法从节点平衡方程入手，推导了不设和设有内孔的索穹顶预应力索杆内力的通用计算式。对不设和设有内孔两种形式特定参数的索穹顶给出了内力计算用表和算例分析。结果表明，结构预应力态杆件内力由内圈至外圈逐步增大，随结构矢跨比增大肋环人字型索穹顶的杆件内力减小。计算结果可供工程设计参考。
目前常用于建筑结构抗连续倒塌性能评估的替代传力路径法由于需要建立复杂的结构整体模型，计算效率低。基于此，将子结构法与替代传力路径法相结合，建立钢框架结构抗连续倒塌性能快速评估方法。首先给出钢框架结构容许倒塌范围，并据此建立子结构的选取原则；基于固定界面模态综合法，提出子结构边界条件的模拟方法；最后给出钢框架结构连续倒塌判定准则，在子结构抗连续倒塌性能分析的基础上，建立整体结构抗连续倒塌性能评估方法。以2个5层钢框架结构为例，分别采用替代传力路径法与所提出方法对其进行抗连续倒塌性能分析。结果表明：所提出的方法计算结果可靠，且能显著提高计算效率，可实现对整体结构抗连续倒塌性能的快速评估。
通过引入杆件初始缺陷的方法对杆件失稳过程及其对网壳结构整体稳定性能的影响进行分析。首先研究杆件的单元划分数量和缺陷幅值对杆件稳定承载力的影响，提出合理的缺陷幅值。进而计算分析了世博轴阳光谷网壳结构杆件失稳过程中的内力变化及对结构整体稳定性能的影响。结果表明，结构非对称、杆件截面有强弱轴的网壳结构易引起杆件失稳，网壳结构整体稳定分析中可通过对杆件施加初始缺陷有效地考虑杆件失稳对整体稳定性能的影响；对整体失稳之前存在杆件失稳的网壳结构，有必要引入杆件初始缺陷考虑杆件连续失稳的影响。最后提出了网壳结构稳定分析的合理计算流程。
预应力钢绞线高温下蠕变性能是进行预应力钢结构抗火性能研究必须考虑的重要因素。以1860级低松弛预应力钢绞线为对象，开展高温下蠕变研究。以温度和应力水平为参数，进行了12根钢绞线高温下的蠕变试验。试验时先升温至设定温度，恒温30 min后开始张拉至预定应力水平。试验过程中保持应力和温度恒定，测定蠕变随时间的变化规律。结果表明，钢绞线承受蠕变的能力与温度及应力水平的组合有关。应力和温度均较高时,蠕变很快从平稳发展阶段发展为突然破坏阶段。温度越高，钢绞线能抵抗的蠕变应力水平越低；应力水平越高，能经受的蠕变温度越低。通过拟合试验结果，得到钢绞线高温蠕变与时间关系计算式。对蠕变试验尚未断裂的钢绞线的中丝在温度恢复到常温后进行抗拉强度试验，结果表明，蠕变应变对温度恢复到常温下钢绞线试件的抗拉强度影响较小。
为了模拟早期混凝土温度应力，基于ABAQUS二次开发平台，编写考虑水泥水化度影响的温度场计算用户子程序和考虑成熟度影响的黏弹性应力场计算用户子程序，并通过与理论公式对比验证子程序开发的合理性。采用温度场和应力场耦合方法，将子程序应用于研究某大体积混凝土承台的早期温度应力变化规律。结果表明，在考虑和未考虑水泥水化度的影响下，温度场变化规律相同，但考虑水泥水化度影响后温度峰值低于未考虑水泥水化度影响的情况；在考虑和未考虑早期混凝土徐变的影响下，表面点和中心点的应力值在浇筑早期都有较大程度的减小，说明混凝土的徐变特性对早期混凝土的拉、压应力增长都有一定的削弱作用；因早期混凝土抗拉强度较低，在承台表面易产生大致垂直于边缘的温度裂缝，在实际工程中应予以关注。
为研究冻融循环作用后的钢筋混凝土梁受弯性能，对经历0、50、100、125次冻融循环的混凝土立方体试块进行抗压强度试验；设计并制作了48根钢筋混凝土梁试件，分别经历0、50、100、125次冻融循环后进行静力受弯性能试验；分析混凝土质量损失率、相对动弹性模量、相对抗压强度等参数与冻融循环次数的关系。研究冻融循环次数、混凝土强度等级对钢筋混凝土梁受弯性能的影响。结果表明：混凝土试块质量、相对动弹性模量和立方体抗压强度均随冻融循环次数的增加而下降，高强度等级混凝土可延缓冻融循环造成的破坏；部分设计适筋混凝土梁经历冻融循环作用后发生超筋破坏。推导了受弯梁经历冻融循环作用后发生超筋破坏的界限配筋率计算式，并通过试验验证了其正确性；冻融循环作用后钢筋混凝土梁的开裂弯矩、受弯承载力仍可采用现行混凝土结构设计规范相关理论计算。
为研究细料石墙体抗震性能和受剪承载力，进行了4个足尺细料石墙体试件的水平低周反复荷载试验，主要变化参数包括砂浆强度和构造措施。分析了细料石墙体的破坏特征、受剪承载力及抗震性能。结果表明：细料石墙体破坏形态为弯曲剪切复合破坏，以剪切破坏为主；随着水平位移的增大，墙体滞回曲线由初始阶段细长的梭形向“S”形过渡，破坏阶段为饱满梭形，表现出较好的延性和较强的耗能能力；提高砂浆强度可以提高墙体受剪承载力；设置构造柱可以有效提高墙体受剪承载力和延性；仅在中部设置配筋砂浆带的墙体破坏时具有突然性，在设计中应避免。基于试验结果，提出了细料石墙体受剪承载力理论计算方法和设计计算式，能够分别满足试验和工程设计的要求。
由于造型复杂、受力不明确，自由曲面的形状、拓扑难以确定，保证其安全性能难度较高。为此，以结构非线性H∞鲁棒性指标为目标，以非均匀有理B样条法的曲面控制点坐标以及划分单元的厚度为优化变量，采用差分演化算法对曲面形状进行力学微调优化，并求解自由曲面形状和材料分布联合优化设计问题，得到最优的曲面形状和拓扑构型。结果表明，差分演化算法具有较强的寻优能力，通过优化调整曲面的形状和材料分布，可大幅提高曲面的鲁棒性和刚度，改善结构的受力性能。通过六角星形穹顶结构的非线性屈曲分析，阐述了鲁棒性指标与应变能指标的联系和区别，表明鲁棒性指标能够较好地反映结构的屈曲过程、表征破坏后果，采用鲁棒性指标进行自由曲面的优化设计可以确保结构的安全性。
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