ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
将幕墙支撑结构与主体结构建立整体有限元分析模型，对幕墙支撑结构与主体结构的协同工作特性进行了详细分析，主要包括设备层吊点不均匀竖向变形特性及其对幕墙玻璃板块安全和支撑结构受力的影响分析，水平荷载作用下幕墙支撑结构与主体结构相对竖向变形特性及其对支撑结构受力的影响分析，竖向地震作用下支撑结构竖向不均匀变形、内力及加速度反应及其对主体结构幕墙的影响分析，由此提出相应的设计调整措施。分析结果表明，重力荷载作用下，幕墙支撑结构的不均匀变形超过幕墙玻璃板块变形的容许范围，可导致幕墙玻璃板块破坏，通过调整设备层楼面结构布置和休闲层楼板刚度，可减小吊点变形差异，保证幕墙玻璃板块的安全；重力荷载、水平荷载作用下，支撑结构环梁与主体结构的竖向相对变形将引起径向支撑的附加弯矩，通过设置滑动构造可减小弯矩保证支撑结构受力安全；竖向地震作用下，幕墙支撑结构将产生较大的不均匀变形对幕墙玻璃板块受力带来不利影响，吊杆产生较大附加轴力，环梁竖向加速度反应显著，设计时应对以上不利因素进行评估以保证幕墙支撑结构的安全。
基于不同抗震等级钢筋混凝土（RC）柱拟静力试验研究，建议了RC柱四折线弯矩转角(M-θ)骨架线。采用规范公式计算得到的RC柱的正截面承载力作为M-θ骨架线的峰值弯矩Mp，0.8Mp作为M-θ骨架线名义屈服点弯矩，下降至0.8Mp及0.75Mp（不考虑P-Δ效应）分别作为M-θ骨架线极限点的弯矩及失效点的弯矩，根据继续使用性能点IO及生命安全性能LS的转角表达式，分别确定其弯矩为0.9Mp及下降至0.925Mp。基于由OpenSEES数值计算得到的按规范最小配箍特征值配置箍筋的22根RC柱的水平荷载位移（F-Δ）滞回曲线得到的M-θ骨架线，确定了RC柱四折线M-θ骨架线特征点及性能点的转角，确定的转角与试验值符合较好；对于生命安全性能点LS、避免倒塌性能点CP及失效点的转角，当轴压比为0.5时，其与美国标准的规定基本一致，当轴压比为0.9时，其大于美国标准的规定。提出了RC柱的损坏程度与其M-θ骨架线特征点及性能点转角的关系，可用于判别地震作用下RC框架柱的损坏程度以及是否达到其预定的抗震性能目标。
对10个配置HRB335、HRB500E、HRB600钢筋的混凝土矩形截面柱进行水平低周反复荷载作用下的拟静力试验，对比分析钢筋等体积和等强度代换时，纵筋强度、箍筋强度、混凝土强度等因素对试件破坏状态、滞回曲线、骨架曲线、受弯承载力及延性性能的影响。结果表明：配置不同强度钢筋的矩形截面柱试件均发生典型的弯曲破坏，柱底形成塑性铰，纵筋断裂，试件具有较好的变形能力和延性性能；钢筋等体积代换时，纵筋强度对试件承载力和变形能力影响较大，箍筋强度影响较小；钢筋等强度代换时，试件抗震性能基本保持不变，采用高强钢筋可以减小钢筋用量；随着混凝土强度的提高，试件刚度增大，导致屈服位移减小，位移延性系数增大。
基于随转坐标法和场一致性原则，引入纤维梁截面的正应变平截面假定和剪应变线性分布假定，提出了考虑几何与材料双非线性的圆钢管混凝土拱空间极限荷载分析方法。编制相应的非线性有限元分析程序，并对已有的面内及面外受力的钢管混凝土模型拱进行了双重非线性有限元分析。结果表明：分析得出的荷载变形曲线和极限荷载与试验结果有一定差异，但与其他文献计算结果符合较好。与其他学者计算方法相比，本文方法由于实现了几何与材料非线性之间的解耦，及基于全量计算不平衡力，因而具有较好的计算效率及精度。
对18个改进组合式T形钢管混凝土柱进行静力试验，分析钢管厚度、混凝土强度和长细比对试件轴压性能的影响，采用国内外钢管混凝土规范对试件轴压承载力进行计算，并与试验结果对比分析，最后在规范AIJCFT:1997的基础上，提出了改进组合式T形钢管混凝土柱轴压承载力计算式。结果表明：试件主要呈现出剪切型破坏、局部鼓曲（或开裂）以及弯曲失稳三类破坏形态；钢管厚度对试件轴压承载力影响较大，而且试件长细比越大，钢管厚度对试件轴压承载力的影响就越显著；随着混凝土强度等级由C30提高到C50，试件轴压承载力有所提高，提高幅度基本在15%左右；当钢管厚度较小时，长细比对试件轴压承载力影响较大；采用各国现行规范计算的轴压承载力均偏于保守；提出了考虑钢管约束效应的轴压承载力计算式，其计算结果与试验结果吻合较好。
为研究内置冷弯薄壁型钢桁架高强混凝土剪力墙的抗震性能，对8个比例为1/4的剪力墙进行了恒定轴压力下的水平低周往复加载试验，研究了不同剪跨比下内置桁架斜撑截面形式和斜撑截面积对剪力墙破坏机理、滞回性能、变形能力、耗能能力以及刚度退化特征等的影响。研究结果表明：剪力墙的破坏形态主要为弯曲破坏；滞回曲线有较明显的捏缩效应；位移延性系数介于7.42~14.6之间，破坏时的位移角介于1/73~1/44之间；中高剪力墙内置桁架采用等边角钢斜撑变形能力和耗能能力更好，而低矮剪力墙内置桁架采用格构式斜撑则对抗震更为有利；考虑最优暗柱配钢率和斜撑截面积，可取得良好的抗震性能。最后采用有限元分析软件ABAQUS对试件的骨架曲线进行了模拟，有限元分析结果与试验结果吻合较好。
传统的波形钢腹板组合箱梁多采用开孔钢板连接件，其存在下翼缘混凝土板需要支模且浇筑困难，正弯矩区下翼缘混凝土板容易开裂等问题。基于此，提出了将钢梁下翼缘置于混凝土底板下侧以及用钢板代替混凝土受拉底板两种改进构造形式，并完成了4个波形钢腹板组合箱梁试件的静力试验，研究其承载能力、刚度、裂缝发展、应变分布等受力特征。试验结果表明，钢梁下翼缘置于混凝土底板下侧的试件，其抗裂性能、承载力和刚度均明显高于传统构造的试件；对于取消混凝土下翼缘及预应力的试件，其仍具有足够的承载力和刚度，但自质量显著降低且可避免开裂，应用于桥梁正弯矩区具有较大优势。经济指标对比分析表明，在连续组合箱梁桥中采用文中提出的改进构造形式，能够产生良好的经济技术效益。
为研究防屈曲耗能支撑在组合框架结构中的减震效果，设计了1榀10层3跨防屈曲耗能支撑钢管混凝土柱钢梁组合框架，利用网络化结构实验室NetSLab进行了1/3缩尺的子结构拟动力试验，分析楼层剪力、支撑剪力与层间位移之间的响应关系。结果表明：在多遇烈度地震作用下，主体框架与支撑均处于弹性工作状态；在基本烈度地震作用下，主体框架处于弹性工作状态，支撑开始屈服耗能；在罕遇烈度地震作用下，主体框架基本处于弹性工作状态，而支撑则出现明显的滞回耗能效果。由楼层位移时程曲线可知，结构底层层间位移比其他各层大很多，满足组合框架结构多道抗震设防的要求。
为了研究碳纤维布加固震损钢管混凝土柱-钢梁框架节点的抗震性能，按1∶2的缩尺比例设计并制作4个方钢管混凝土柱-钢梁框架边节点试件，进行了预损加载、碳纤维布加固和节点加固后的低周往复荷载破坏试验。研究了碳纤维布加固震损节点的有效性，探讨了不同震损程度对加固效果的影响。通过对节点试件的滞回曲线、骨架曲线、碳纤维布应变、延性、耗能能力、刚度退化及承载力退化等参数分析可知：碳纤维布加固方钢管混凝土柱钢梁框架边节点，保证了“强柱弱梁”的抗震延性设计目标的实现，破坏形态均为钢梁弯曲破坏；碳纤维布加固提高了节点试件承载力，抗震性能得到明显改善；在一定损伤程度情况下，加固节点恢复并超过受损前的抗震性能。
自由曲面结构不仅要具备良好的建筑表现力也要保证其受力合理性。利用自由曲面结构形态创建的非均匀有理B样条-梯度法（NURBS-GM）得到典型的凹凸自由曲面作为研究对象，制作混凝土壳体模型结构并进行静力试验研究。结果表明：弯曲应力在正负高斯曲率过渡区与支座附近较大，但整个结构主要仍以薄膜应力的形式抵抗荷载，随着荷载的增加薄膜应力分布有所变化，特别是正负高斯曲率过渡区变化较显著。上表面裂缝在正负高斯曲率过渡区出现并向支座附近发展，下表面则基本是加载点附近裂缝的连线并延伸至支座附近。整个加载过程中，裂缝出现较晚，但数量较多，最终在加载点附近发生局部强度破坏。荷载位移曲线在弹性阶段斜率较大，并有较长的塑性发展段。采用ABAQUS有限元分析软件对试验模型进行有限元模拟并与实测数据进行对比，二者吻合较好。
冗余特性是影响结构鲁棒性的重要因素之一，是损伤情况下结构安全性的体现。以结构的应变响应对单元材料弹性模量的敏感性作为结构构件冗余度评价指标，对3个缩尺比为1/10的单层球面网壳振动台试验模型的冗余度进行了分析。模型一的整体刚度分布均匀，其强震作用下的倒塌模式为强度破坏；模型二在6个径向主肋区设置了薄弱区，其破坏模式为动力失稳；模型三在模型二的基础上不设薄弱区，结构刚度分布均匀，在强震作用下发生强度破坏。对比试验模型的冗余度分析结果与其振动台倒塌试验结果，发现发生破坏的杆件普遍冗余度较低。研究表明,可以用冗余度衡量杆件在结构中的重要性，冗余度较小的杆件是易发生破坏的结构弱点所在，其破坏将对结构产生很大影响，是结构的关键构件。
通过3个跨度为6m、矢跨比分别为0.2、0.3、0.4的钢管拱桁架结构试件在竖向循环荷载作用下的拟静力试验，分析结构的失效过程和破坏机理，研究结构的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、延性性能和刚度退化等抗震性能。结果表明：钢管拱桁架试件的失效始于受力最大节间最大受拉腹杆与下弦杆相贯焊缝处的微裂纹，而后逐步形成该区域的局部开裂，最后在该区域发生断裂并形成机构而破坏；结构失效时只有少部分杆件进入塑性工作状态，试件的整体变形不大，耗能能力一般；进入塑性工作状态的杆件和节点产生的累积损伤导致结构发生低周疲劳断裂破坏。
将向心关节索杆体系应用于弦支穹顶结构中，改变以往张拉环向索通过环向拉索滑动传递预应力的方式，利用撑杆的转动位移建立预应力，避免环索与节点摩擦出现预应力损失的问题。以东亚运动会团泊自行车馆弦支穹顶张拉分析为例，采用有限元分析软件ANSYS进行施工放样态正分析找形和反分析找形，得到了结构张拉前的放样态。结果表明，反分析找形对于该类索杆体系放样态找形更加有利。经反分析找形，最终采用混合张拉方式，即先预紧径向拉杆，再张拉环向索。对张拉过程进行了全程模拟，得到张拉过程中张拉力及网壳位移控制值，获得设计预应力态。
针对施工过程中监测关键参数的选择方法与测点布置原则进行研究。根据施工过程是否有动力效应，将监测类型分为静力监测和动力监测两种。基于静力平衡方程求解和结构施工系统稳定问题，提出静力监测关键参数应包括最大应力、最大变形、变化率最大的应力和变形、变化最大支座反力、失效模式特征参数、温度和风荷载；基于结构动力失稳和动力强度破坏模式，提出动力监测关键参数应包括最大振动加速度、振动频率、结构最大位移、构件最大应力、特征动力变形以及结构运动速度。根据施工过程结构和系统的数值分析以及施工过程结构的运动过程模拟结果，提出静力测点和动力测点应分布在失效模式最不利的位置，进而根据实际施工过程监测经验以及监测参数的性质，提出应将构件分为轴力构件和弯曲构件分别布置应变测点，变形测点应布置在节点处或构件中部。以“生命之环”钢结构工程施工过程监测为例进行对比分析，监测值与理论值吻合较好，验证了本文方法的有效性。
改变屋面板厚度、檩条厚度、檩条腹板高度、立缝支架形式，对28组压型钢板屋面檩条体系进行足尺试验，研究体系总扭转刚度和影响总扭转刚度的因素。采用ANSYS有限元分析软件建模，分析屋面板、立缝支架和檩条三者的扭转刚度，分析结果与试验结果吻合较好。提出屋面板、立缝支架和檩条的扭转刚度的计算式。将试验结果和有限元分析结果进行对比，得到体系总扭转刚度由屋面板、支架和檩条三者的扭转刚度串联而成。试验和有限元分析结果均表明，影响总扭转刚度最主要的因素是檩条厚度。
为研究焊接圆钢管的纵向残余应力分布规律，采用分割法对9个不同截面尺寸、不同钢材强度、不同加工工艺的试件进行了测量。基于测量数据，得到了不同尺寸试件的全截面残余应力分布和拉、压残余应力的大小，研究了圆钢管径厚比、钢材强度、热镀锌处理对残余应力的影响以及测量过程中人为误差对测量结果的影响。试验结果表明，高强度钢材焊接圆钢管的残余应力分布较均匀，热镀锌处理降低了圆钢管的最大残余拉应力；采用分割法测量时人为操作产生的误差很小。最后，提出了完整的适用于焊接圆钢管截面的残余应力分布模型，并进行有限元模拟，与试验结果吻合良好，为进一步对焊接圆钢管整体稳定进行有限元分析提供参考资料。
为了研究Q235和Q460轴心受压焊接H形钢短柱高温下的局部稳定性能，采用恒温加载方式分别对6个Q235和6个Q460轴心受压焊接H形钢短柱试件进行常温和高温下的局部稳定性能试验，得到了常温和450、650℃下试件的翼缘和腹板局部稳定破坏形态，根据极限应变法和曲线拐点法确定试件在常温和高温下的临界荷载。采用我国现行《钢结构设计规范》和已有文献中关于局部稳定的计算方法计算试件的局部稳定临界应力，并和试验结果进行对比。研究表明：试件在高温下和常温下的破坏形态基本相同；与常温下局部屈曲承载力相比，高温下Q460高强钢试件的局部屈曲承载力较Q235普通钢试件下降幅度大；采用规范公式计算高温下焊接H形钢短柱翼缘和腹板的局部稳定临界应力与试验结果差别较大。
现存古建筑木结构均有不同程度的残损，而榫卯节点的残损对整体结构的安全性影响最大。为了研究不同残损类型、不同残损程度对单向直榫榫卯节点抗震性能的影响，制作了7个缩尺比例为1∶4.8的单向直榫榫卯节点模型，包括1个完好节点模型、3个人工模拟榫头真菌腐朽的残损节点模型和3个人工模拟榫头虫蛀的残损节点模型。榫头真菌腐朽和榫头虫蛀分别采用在榫头表面钻孔和在榫头钻通孔的方法来模拟。通过低周反复加载试验对单向直榫榫卯节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律和耗能性能等进行了研究。试验结果表明：单向直榫榫卯节点的破坏形态主要为榫头部分拔出、榫卯接触处挤压变形，柱和枋基本完好；所有节点的弯矩-转角滞回环形状呈反S形，且残损程度越大，滞回环捏拢效应越明显；残损节点的转动弯矩、刚度和耗能能力明显低于完好节点，且随着残损程度增加逐渐降低；相同残损程度的人工模拟真菌腐朽节点的弯矩和刚度大于人工模拟虫蛀节点，但耗能能力低于人工模拟虫蛀节点。
对5个1∶167的缩尺木构架模型进行了低周反复荷载预损试验，随后对采用不同半径、不同厚度的弧形耗能器增强的预损木构架模型进行低周反复荷载试验，得到了增强前后木构架的破坏模式、荷载位移滞回曲线、骨架曲线、耗能能力等性能参数；对弧形耗能器单独进行了低周反复荷载作用下的性能试验，得到了其滞回曲线和骨架曲线。试验结果表明：增强后木构架仍具有很好的变形能力；采用弧形耗能器能显著提高木构架的刚度、承载力和耗能能力，增强后木构架的承载力与刚度主要由弧形耗能器提供；木构架的刚度、承载力和耗能能力在一定范围内随着耗能器厚度的增加而增加；随着耗能器半径的增大，加载前期木构架刚度和承载力会有所下降，但加载后期耗能能力会有较大的提升。
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