ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
杭州奥体博览城网球中心的屋盖为开合屋盖，下部看台及功能用房采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，上覆的钢结构屋盖由固定屋盖和可移动屋盖组成，固定屋盖由24个花瓣形悬挑主桁架旋转复制组成，可移动屋盖由8片可旋转花瓣形网壳组成。固定屋盖上方设置的8片大悬挑移动屋盖，采用平面旋转45°的开启方式,8片花瓣闭合时覆盖整个场地。基于工程结构体系以及全过程结构设计，对于超长混凝土结构温度收缩效应计算方法、移动屋盖在移动过程中的多模型多工况设计、看台外倾引起的重力荷载作用下看台斜梁和顶部环梁受拉的处理、施工后浇带的合拢时间对于整体结构的受力的影响以及大跨度钢结构的屈曲稳定等问题进行专项分析和处理，可为类似工程结构设计提供参考。
杭州奥体博览城网球中心采用环状花瓣造型的开合屋盖，其下部采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构支承。开合屋盖由固定屋盖和移动屋盖组成：固定屋盖罩棚外边缘直径约133 m，悬挑长度约26 m，场地中心罩棚圆形开口直径约60 m；固定屋盖上方设置的8片大悬挑花瓣形移动屋盖，采用平面旋转45°开启方式；每片移动屋盖设置一个固定转轴及三条同心旋转轨道,单片移动屋盖径向长45 m，最大宽度25 m，闭合状态向圆心悬挑30 m。该工程钢结构移动屋盖设计的关键技术难点及相应的专项研究分析主要包括移动屋盖的轮轨布置原则,模拟设备的实际工作状态的计算假定,主动轮增加侧向滚轮约束,以及重力荷载和地震作用下与移动屋盖有关的主要计算结果等。对钢结构移动屋盖设计中遇到的问题提出了处理方法，可为类似工程设计提供参考。
随着城市环境变化和现代工程技术发展，建造跨度1000 m级超大型城市穹顶以营造一个特定的区域小环境，逐渐成为现实需求。城市穹顶突破现有结构尺度极限，结构设计面临新的挑战。对城市穹顶的概念进行了探讨，以在寒冷地区建造一座跨度800 m城市穹顶为设定工程背景，对采用刚性结构、杂交结构、柔性结构以及组合结构等四大类结构体系共计13种结构方案进行选型研究。对比分析了结构刚度、稳定承载力和用钢量等指标，总结了跨度800 m各种结构方案性能特点，提出了可将K型角锥球面网壳、K型巨型网格结构以及索承网壳双层网壳组合结构作为优选方案；并就超大跨度穹顶的建造与设计提出了材料轻质化、设计标准、抗风问题、温度场影响、结构形态学、建造可行性、围护结构、节能环保以及穹顶维护等9个方面的相关问题，以供进一步研究作为参考。
以在寒冷地区建造一座跨度800 m城市穹顶为设定工程背景，研究该穹顶双层网壳结构的静力及稳定性能。对凯威特型平行弦三向交叉桁架球面网壳、凯威特型角锥球面网壳、凯威特型角锥悬链面网壳以及短程线型角锥球面网壳四种方案在相同荷载、相同几何参数条件下的结构性能进行研究，对结构跨度、矢跨比、结构厚度、网格径向分割数、支承方式以及材料强度等参数进行了600余个算例分析，得到结构刚度、稳定性、经济性等指标随上述参数的变化规律，同时给出了各种结构方案的杆件截面尺寸。研究表明，凯威特型与短程线型网壳适合于跨度800 m结构，其中凯威特型角锥球面网壳结构性能相对较优。该研究成果可为超大跨度网壳结构方案的选型提供参考。
沈阳文化艺术中心主体结构采用不规则单层折板空间网格结构，此结构面内、面外刚度受结构折板构型影响较大，内力分布与整体稳定性对折板构型的变化敏感。因此，对该结构进行了整体模型试验，以考察结构设计的安全性。针对试验模型构型复杂、加载难度大等特点，设计了基于“并联弹簧拉索按刚度分配荷载”的顶面网格加载系统和基于“使用定滑轮实现荷载转向”的侧面网格加载系统，完成对模型竖向恒载、活载与水平风载工况的有效模拟。试验结果表明，在设计荷载范围内，随着荷载的增大，结构位移与内力响应基本呈线性发展，模型竖向荷载向基础的传递主要依靠竖向主构件实现，环向主构件起拉结作用。同时，对模型结构进行了有限元分析，分析结果与试验结果吻合较好，验证了有限元分析模型的合理性与分析结果的准确性。在此基础上，进行了原型结构的稳定承载力分析和出现局部破坏时的抗连续性倒塌分析，证实该结构在设计荷载下具有足够的稳定承载能力和抗倒塌性能。
针对有限元法（FEM）处理不连续位移场所存在的难以收敛、网格需重新划分、裂尖奇异场网格密度大等问题，结合离散元法（DEM）的优点，提出了一种DEM/FEM耦合计算模型。基于罚函数法，通过建立虚功方程及变分原理，得到了界面耦合力的计算公式，给出了耦合模型计算流程并自主开发了相关计算程序，通过算例验证了该耦合计算模型的正确性。并将该耦合模型用于单层球面网壳结构受冲击荷载作用下的倒塌过程仿真，比较了纯FEM、纯DEM及DEM/FEM耦合三种不同计算模型的数值结果与计算效率。计算结果表明：DEM/FEM耦合模型应用于网壳结构倒塌数值模拟时，与纯DEM模型相比，可减少计算规模从而节省机时，计算效率高；在处理强非线性问题时，纯FEM存在不收敛现象而耦合模型则能顺利完成计算分析，更具算法稳定性优势。
对基于地震惯性力的绝对加速度谱和基于滞回恢复力的拟加速度谱进行差异解析，分析了长周期地震动拟加速度谱的衰减指数及其阻尼修正系数谱的变化规律。筛选长周期分量丰富的破坏性浅源强震数字化记录，通过弹性反应谱分析研究拟加速度动力放大系数谱的特征周期、两个下降段的衰减指数以及阻尼修正系数。分析结果表明：基于结构承载力的抗震设计谱应以基于滞回恢复力的拟加速度谱进行标定，以基于惯性力的绝对加速度谱标定对大阻尼比长周期结构的抗震设计偏于保守。拟加速度谱与绝对加速度谱在长周期段的衰减规律不同，大阻尼比长周期段拟加速度谱衰减速度较快。阻尼比0.05的标准抗震设计谱在第一和第二下降段采用形式简单的1/T和1/T2的规律衰减是合理可行的，无需通过修正衰减指数获得基于拟加速度的大阻尼比抗震设计谱。长周期地震反应谱的动力放大系数有显著的场地效应，以Ⅱ类场地为参考，Ⅰ~Ⅳ类场地效应系数分别取0.9、1.0、1.1和1.2较合适。地震动长周期分量对结构阻尼修正系数有很大的影响，基于拟加速度谱与绝对加速度谱的阻尼修正系数在长周期段有显著的差异。结构算例验证了长周期结构建议设计谱的衰减指数与阻尼修正系数取值的合理性。
在用动力时程分析法预测高层建筑和复杂建筑的地震反应时，需要输入包含两个水平分量的双向地面运动记录。通过整理现有双向地面运动记录选择和标定方法可知，我国规范GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》在这方面存在不足之处。在双向最大加速度反应谱的基础上，提出双向水平地面运动记录选择和标定方法。为揭示该方法与我国规范方法所预测的结构地震反应的差异，并考察根据我国规范方法预测出的结构地震反应评价抗震性能的安全性，在一个工程算例的罕遇地震非线性动力反应分析中，分别用这两种方法选择双向地面运动记录。分析结果表明：基于双向最大加速度反应谱的双向地面运动记录选择和标定方法较我国规范方法预测的结构地震反应更大，对于力和位移的预测结果，前者比后者分别增大约7%和15%。针对地震风险起控制作用的地面运动类型不同，我国规范方法预测出的结构地震反应相对于基于双向地面运动记录选择和标定方法预测出的结构地震反应的危险程度高低亦不同，以统一的性能指标来控制结构的抗震性能，最终实现的各结构抗震安全性有所不同。因此，建议在动力时程分析中采用基于双向最大加速度反应谱的双向地面运动记录选择和标定方法。
在加速度反应谱与峰值速度不变的条件下，研究输入地震动峰值位移对单自由度体系动力反应、尤其是弹塑性动力反应的影响。利用在时域内叠加窄带时程的方法合成加速度反应谱和峰值速度相同而峰值位移相差1倍的两组人工地震动时程，按照 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的要求，将合成的输入地震动采用不同设防烈度多遇地震的峰值加速度标定，进行体系的弹性分析。结果显示，输入地震动峰值位移的变化对弹性动力反应基本无影响。将输入地震动采用相应烈度罕遇地震的峰值加速度标定，并以上述多遇地震作用下弹性最大位移反应作为罕遇地震作用下结构弹塑性分析的屈服位移，进而分析输入地震动峰值位移变化对弹塑性动力反应的影响规律。结果表明：峰值位移的增大将会明显增大中长周期结构弹塑性位移反应和速度反应，这种放大效应对位移反应尤为显著，其规律在不同设防烈度区具有一致性，即随着设防烈度的提高，输入地震动峰值位移的增大引起的大部分中长周期结构弹塑性位移及速度反应的放大效应减小。因此，在进行结构动力分析时，应充分考虑输入地震动峰值位移变化对计算结果的影响。
随着结构自由度的增多，控制信息量大幅度增加，控制系统的失效概率将增大。集中式控制策略存在明显的不足，分散控制已成为研究的热点。基于市场机制控制(marketbased control，MBC)理论作为一种典型的基于非经典信息的控制方法，只需离散层的信息，属于分布式控制。拟力法(force analogy method，FAM)作为一种弹塑性结构动力分析方法，具有计算速度快，存储空间小等优点。将拟力法与多市场机制控制(multi-MBC，MMBC)策略相结合，可以高效地求解结构非线性控制问题。基于拟力法基本理论，构造了对数供需函数模型，提出了非线性MMBC分散控制器的设计方法。数值分析表明，设计的非线性MBC分散控制器可以取得很好的控制效果，在控制装置失效时，非线性MBC控制策略具有较强的自适应性；并且可以通过价格机制实时对结构进行最优控制，具有较强的鲁棒性。
最小地震剪力系数是隔震结构设计的关键控制因素之一。对等效周期为2~6s的单质点隔震体系在远场地震动（FF地震动）、近场含脉冲地震动（NFWP地震动）和近场不含脉冲地震动（NFWNP地震动）作用下的剪力系数分布特点进行分析，并将其与规程中有关最小地震剪力系数的相关规定进行对比，探寻在不同抗震设防烈度下，不能满足最小地震剪力系数的隔震结构的等效周期范围。以位于我国抗震设防烈度8度区的某隔震结构为例，采用三种不同的设计地震剪力取值方法，设计了6种不同的结构模型。通过模型的弹塑性时程分析，比较了地震动的近远场特性对各模型抗震性能的影响，及其在罕遇地震作用下的性能差异。分析结果表明：地震动的近远场特性对隔震结构的楼层设计剪力影响较大；对不满足最小地震剪力系数要求的隔震结构，采用放大设计地震剪力使其承载力满足最小地震剪力系数的方法，能够有效提高其抗震能力；不考虑最小地震剪力系数对结构设计地震剪力的限制，采用结构的实际地震剪力需求进行设计的隔震结构能够满足地震作用下的承载力和层间位移限值要求。
对5个带翼缘钢筋混凝土剪力墙进行了拟静力试验，各片墙体的主要变化参数为截面形式、加载方式、腹板自由端边缘构件长度和配箍率，以及是否在腹板与翼缘交界处添加边缘构件，研究其在单轴及双轴荷载作用下的破坏机理，滞回性能，承载力和变形能力。结果表明：带翼缘混凝土剪力墙的破坏主要集中在腹板自由端边缘构件内，翼缘除有少许裂缝外保持完好，在腹板与翼缘交界处设置边缘构件对剪力墙受力性能影响不大；翼缘受拉方向的承载力更高，刚度更大，而翼缘受压方向的延性更好，刚度退化较慢，耗能能力更强；双轴加载对剪力墙腹板方向的承载力和变形能力影响不大；增强腹板自由端边缘约束可有效改善剪力墙的抗震性能。
为研究预应力预制混凝土剪力墙的抗侧性能，在试验研究的基础上，提出并建立了基于纤维单元的非线性有限元分析模型。该模型在常规柔度法纤维梁柱单元模型的基础上，对单元塑性区积分法加以改进，提出了更加适用于混凝土结构的积分方法。为考虑墙底钢筋与混凝土的黏结滑移及剪切变形，引入两个零长度单元，提出了零长度单元的构建和参数取值建议。该分析模型对试验中虽未观察到，但可能发生的失效模式（如预应力筋失效等）给予考虑，对试件墙片水平荷载-位移滞回特征、预应力筋应力、墙角接缝张开、残余变形指标等进行模拟并与试验结果进行比较，结果表明两者较为吻合，验证了该分析模型的合理性和有效性。
为确定防屈曲支撑在结构中的布置方式以使结构抗震性能充分发挥，提出了基于能量平衡的防屈曲支撑钢筋混凝土框架结构抗震塑性设计方法。构建了结构的“强柱弱梁”整体屈服机制，采用侧力比将总结构体系离散为防屈曲支撑体系和纯框架体系，并建立了结构的双线性能力曲线。基于能量平衡方法计算结构的设计基底剪力并分别得到支撑体系和框架体系的设计侧向力，进而完成支撑的截面设计。按照塑性内力分配机制和考虑支撑屈服后性能，计算梁柱构件内力需求。以一幢5层结构为例，分别设计了不同侧力比的14个结构模型，对比了基底剪力、防屈曲支撑面积和梁柱钢筋用量等。通过22条地震波下的弹塑性时程分析，研究了不同侧力比结构的最大层间位移角、屈服机制、楼层剪力比、支撑最大位移延性、累积位移延性和结构残余层间位移角。分析结果表明：所提出的方法能实现结构的预期失效模式，并满足结构的抗震性能要求，并建议设计侧力比选取在0.3~0.5之间。
将钢纤维掺入高强混凝土中，可以改善高强混凝土的脆性，进而可提高结构构件的延性。为研究钢纤维高强混凝土抗压性能，分别对强度等级为C60和C80，钢纤维体积率为0%、1.0%、1.5%和2.0%的钢纤维高强混凝土进行立方体抗压强度试验以及单调和重复荷载作用下的轴心抗压全过程试验。试验结果表明：随着钢纤维体积率的增大，混凝土强度基本没有改变，但相应于峰值应力的应变略有增加，而弹性模量稍有下降。在已有研究的基础上，提出了适用的钢纤维高强混凝土轴压应力-应变曲线数学表达式和受重复荷载作用的钢纤维高强混凝土的卸载曲线和再加载曲线表达式。所提出计算式得到的结果与试验结果吻合较好，可为钢纤维高强混凝土结构的设计和非线性分析提供理论基础。
采用等应力循环加卸载法和等应变单调加载法，对棱柱体试件进行单轴受压试验获得全珊瑚海水混凝土的应力-应变全曲线，并对两种加载方法进行对比分析。试验结果表明：全珊瑚海水混凝土裂纹贯穿珊瑚骨料继续发展，单轴受压试件的破坏为脆性破坏，典型破坏状态主要为劈裂破坏，其主斜裂缝的倾角 θ 在65°~70°之间；残余应力与峰值应力的比值在0.292~0.525之间，说明全珊瑚海水混凝土破坏后仍具有较高的残余强度，破坏后强度逐步降低，具有一定的延性；不同强度等级全珊瑚海水混凝土的应力-应变全曲线的上升段趋势基本相似，但是随着强度等级提高，下降段的下降趋势越陡，破坏程度越剧烈；在相同强度等级下，全珊瑚海水混凝土比普通混凝土和轻集料混凝土的脆性更强。
在JGJ 138—2001《型钢混凝土组合结构技术规程》中，型钢混凝土柱的正截面承载力需根据平截面假定进行计算，但该规范并没有明确给出当平截面假定不满足时型钢混凝土柱的承载力计算方法。为此，提出抗剪连接系数的概念，用于描述型钢混凝土柱中型钢与混凝土之间的相对界面抗剪能力，综合平截面假定和叠加原理，得到在部分抗剪连接条件下普通型钢混凝土（SRC）柱和分散型钢混凝土（ISRC）柱的正截面承载力与抗剪连接系数之间的定量关系，进而提出SRC柱和ISRC柱的正截面承载力设计简化方法。计算结果表明：当轴压比相同时，SRC柱和ISRC柱的受弯承载力随其抗剪连接系数的增大而增大；轴压比越大，抗剪连接系数对组合柱的受弯承载力的影响越小；与SRC柱相比，抗剪连接系数对ISRC柱的受弯承载力影响更加显著。试验结果与计算结果的对比表明，采用所提出的方法可以较准确地计算ISRC柱的压弯承载力，计算结果具有一定的安全余度。
确定无纤维或低纤维掺量的不同强度等级混凝土的爆裂临界温度，以及防止火灾时不同强度混凝土爆裂所需聚丙烯（PP）纤维或钢纤维最小掺量，对混凝土结构抗火设计具有重要意义。为此，对国内外大量高温爆裂试验研究结果进行分析，获得了爆裂临界温度与混凝土抗压强度（23~238MPa）的关系曲线，发现混凝土抗压强度越高，爆裂临界温度越低。通过大量试验数据拟合得到了防爆裂PP纤维掺量、钢纤维掺量与混凝土抗压强度的关系曲线，发现随着混凝土抗压强度的提高，所需防爆裂PP纤维掺量呈线性增长，而所需防爆裂钢纤维掺量呈指数增长。按EN 1992-1-2:2004《欧洲混凝土抗火设计规范》建议值，PP纤维掺量为0.22%的防爆裂混凝土，火灾下仍可能发生爆裂；按所提出计算式计算的掺量，则可有效降低火灾下混凝土爆裂的风险。
京公网安备 11010802041942号 网络出版服务许可证（署）网出证（京）字第373号 出版物经营许可证：新出发京批字第版240007号 技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司
