建筑结构学报

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刘慕广, 王哲, 张春生, 乔磊, 余先锋, 谢壮宁, 张丽

建筑结构学报. 2023, 44(05): 1-9. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0252

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以深圳356m气象梯度塔记录的风速时程数据为基础,分析了台风“圆规”边缘区风场平均风速、湍流度及风谱特性,并进一步探讨了台风作用下梯度塔的风致响应特征。结果表明:台风边缘区域大风时段风剖面指数均值为0.243,高度40m以下湍流强度介于GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中C类与D类场地之间,高度320m处湍流强度则接近C类场地的;von Karman谱与高度320m处实测风谱吻合较好,但与低空实测谱存在一定差异;台风激励下梯度塔以横风向振动为主,且风振多模态参与特征明显,纤绳振动不可忽略;结构加速度响应幅值对梯度塔的模态频率和阻尼存在一定影响;结构x向和y向前三阶模态频率整体呈现随加速度响应增大而减小的趋势;阻尼比的识别结果较为离散,y向的前三阶和x向的一阶模态阻尼比随结构加速度响应增大而增大,而x向的二阶和三阶模态阻尼比则随响应增大呈减小的趋势。

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Texas Tech University建筑模型龙卷风荷载试验研究

杨含章, 曹曙阳, 操金鑫, SABAREESH G R

建筑结构学报. 2023, 44(05): 10-17. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0174

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为了评估低矮建筑在龙卷风等局地强风下的风荷载,开展了几何缩尺比为1∶300的Texas Tech University(TTU)模型在物理模拟龙卷风气流下的外表面测压试验,研究不同位置与方位角下结构表面风压系数的均值、脉动值与峰值,以及结构的整体风力系数,并对比了低矮建筑结构龙卷风荷载与边界层风荷载的区别。结果表明:结构龙卷风荷载主要受切向气流和气压降作用影响,其大小随结构与龙卷风中心距离的不同而改变;当结构位于涡核半径时,所承受的局部风压和整体风力均达到最大,最不利值发生在近长边一侧的屋盖角部;结构表面中线上龙卷风荷载与边界层风作用下的荷载变化趋势具有一定相似性,但最不利荷载发生的位置有所不同。

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大跨度气膜煤棚风致响应及风振系数试验研究

陈昭庆, 赵军宾, 闫科晔, 武岳, 苏宁, 曾聪

建筑结构学报. 2023, 44(05): 18-27. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.B051

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大跨度气膜煤棚结构对风荷载较为敏感且流固耦合效应明显,而其风致灾害机理仍不明确。为此,在B类地貌风场中进行了3种典型矢跨比的大跨度气膜结构气弹模型风洞试验,通过数字图像相关技术测量了不同矢跨比、风向角、内压、风速及是否加索下的膜面位移、应变,并测量了不同拉索的应变,分析了结构的风致响应规律,给出了考虑流固耦合效应的的响应风振系数。研究结果表明:风荷载作用下,结构顶部向上隆起,迎风面及背风面凹陷明显,侧面向外变形较小;结构的迎风面及顶部的平均位移较大;增大初始内压、减小矢跨比或施加拉索,结构平均位移明显减小;随着风速增大结构内压减小明显。考虑流固耦合效应的大跨度气膜煤棚位移分区风振系数在1.2~1.3之间,最大主应力分区风振系数在1.1~1.4之间,拉索应力风振系数取1.5。

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外伸板对高层建筑横风向风致响应影响研究

杨庆山, 娄泽辉, 回忆, 吴俊

建筑结构学报. 2023, 44(05): 28-37. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0033

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高层建筑风荷载与风致振动是高层建筑抗风设计中的两个控制性因素。已有研究表明,外伸板可以有效降低结构风荷载,但其对结构风致振动的影响并未得到系统研究。选取6种不同的外伸板布置方案,分别开展刚性模型测压试验与气弹模型测振试验,针对布局不同的外伸板对高层建筑横风向风致响应的影响开展对比分析。结果表明:当折减风速不大于11时,外伸长度为7.5%B(B为建筑迎风面宽度)的竖直外伸板可使建筑的横风向位移标准差最多减小26%,外伸长度为12.5%B、相邻两层外伸板间距为8%H(H为建筑高度)的水平外伸板,能够使建筑横风向位移标准差最多减小37%;而当折减风速大于13时,外伸板反而会增大建筑结构的横风向风致响应,从而对建筑结构安全产生不利影响。对于采用外伸板的降载减振设计,当折减风速低于6时,气弹效应对建筑结构横风向风致响应基本没有影响;当折减风速介于6~11之间时,气弹效应能够进一步抑制横风向风致响应;而当折减风速大于13时,气弹效应会引起明显的气动负阻尼,加剧横风向风致响应。

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建筑围护结构风压系数极值估计的改进超越阈值方法

李寿科, 毛丹, 刘敏, 郭凡, 邓声祥

建筑结构学报. 2023, 44(05): 38-46. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0683

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为解决区组最大极值估计(block maximum,BM)方法中需要大量区组样本的问题,引入超越阈值(peak over threshold,POT)方法用于建筑围护结构风压系数极值估计,传统的POT方法存在阈值选取困难、与区组最大极值方法对应关系不明确等问题,为此,基于参数或极值结果稳定方法引入变点理论实现阈值自动选取,构建改进POT方法,利用标准高层建筑刚性模型测压风洞试验数据作为算例,采用改进POT方法估计其表面风压系数极值。结果表明:变点理论能很好地实现POT方法的最佳阈值自动选取;由此构建的改进POT方法估计的极值与BM方法标准极值偏差较小,基于风洞试验的算例证明仅需3个原始时程样本(每个样本时长30s,总时长90s)即可实现POT方法总体偏差不超过5%;相比常用的改进Gumbel方法、独立风暴法,改进POT方法准确性与稳定性优良,对样本大小的敏感性和非高斯特征的适应性好。

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基于POD方法的高层建筑表面脉动风压场分解与重构

单文姗, 杨庆山, 田村幸雄, 金容徹

建筑结构学报. 2023, 44(05): 47-57. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0666

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对于风敏感建筑,其表面风压、风力场重构与预测在主体结构风致响应计算和围护结构风荷载设计时具有重要作用。为此,基于刚性模型测压风洞试验,采用本征正交分解(proper orthogonal decompositions, POD)方法,研究了方形截面高层建筑表面风压场在开阔和城市两种地貌下的作用机理及风压、风力重构与风压预测过程。通过分析主坐标和原始广义力的频谱特性并对比二者相关特性,定量分析了前三阶特征模态分别与顺、横风向广义风力的确定性联系。研究表明:在重构风压、风力时,可以采用低阶主坐标重构时程的均方值占试验时程均方值的占比确定参与重构的模态;重构所得点风压、层间风力和广义风力达到同样精度时参与模态数不断降低,且重构所得顺、横风向广义风力仅需单一主导模态参与;采用部分测点脉动风压对驻点高度典型风压进行预测,与测压试验时程、均方根和功率谱对比发现,预测精度较高。

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基于优化准则法与粒子群算法的超高层建筑抗风性能设计优化

黄铭枫, 王淳禾, 林巍, 肖志斌

建筑结构学报. 2023, 44(05): 58-67. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0108

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为了使超高层建筑结构在抗风性能设计中不但满足结构安全性要求,而且满足舒适度要求,采用优化准则法(OC)以及粒子群算法(PSO),建立了一个以降低结构设计造价为优化目标、同时考虑结构层间位移角和风振加速度等设计约束条件的结构抗风性能设计优化(OC-PSO)方法。在结构优化的过程中采用基于风洞试验的超高层建筑结构风振响应频域计算方法对结构设计的等效静力风荷载进行更新,使其与结构动力特性相匹配,在一定程度上增大了优化问题的寻优空间。某50层实际超高层建筑结构优化结果表明:OC-PSO方法能够在满足抗风性能设计条件的前提下,得到具有最优结构造价的超高层建筑优化设计方案,节省结构造价3.3%。

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宽高比2:1矩形断面横风向抖振力紊流三维畸变效应及风洞试验修正方法研究

李少鹏, 廖志伟, 李鑫, 李智扬, 苏益

建筑结构学报. 2023, 44(05): 68-77. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0599

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为了研究紊流尺度效应对钝体抖振力的影响规律,通过刚性节段模型测压试验研究了宽高比2∶1矩形断面在不同紊流积分尺度下抖振力跨向相关性及空间分布特性。结果表明:当紊流积分尺度与钝体特征尺寸相近时,其抖振力的相关性高于脉动风的相关性,紊流三维效应显著;紊流积分尺度引起的尺度效应对横向抖振力的功率谱和气动导纳有明显影响。为了研究该效应影响,提出钝体断面三维气动导纳闭合模型,其由展向全相关流场下的二维气动导纳和相应的展向修正项组成。前者用于紊流畸变效应修正,而后者则可用于紊流三维效应修正。模型分析结果表明,当紊流尺度效应较明显时,紊流三维效应导致的低频能量缺失和紊流畸变效应导致的高频能量衰减会低估抖振荷载,导致结构抗风设计偏不安全。基于风洞试验结果提出了二维气动导纳经验模型,可精确描述紊流畸变效应对抖振荷载高频(约化频率大于1)衰减特性的影响规律。

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基于现场实测的圆截面结构升力系数和斯托罗哈数研究

王磊, 璩华云, 邹良浩, 梁枢果, 陈凯

建筑结构学报. 2023, 44(05): 78-88. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0364

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为了研究圆截面细柔结构在高雷诺数下的升力系数和斯托罗哈数,对一座210m高的混凝土烟囱进行了风压、风速现场实测。在该实测数据的基础上,统计总结已有现场实测结果,研究不同实测结果差异显著的原因,分析不同雷诺数和湍流度下升力系数和斯托罗哈数等参数的变化规律,建立了升力系数计算式。研究结果表明,在跨临界雷诺数范围内,湍流度引起的升力系数在数值上近似是纵向湍流度的40%,漩涡脱落升力系数随着雷诺数的增大依次呈稳定、增大、减小再稳定的变化趋势,而斯托罗哈数主要集中在0.22附近,不随雷诺数和湍流度变化。

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爆炸地冲击作用下深埋地下结构模型试验研究

李述涛, 刘晶波, 宝鑫, 陈叶青, 朱擎, 王栋

建筑结构学报. 2023, 44(05): 89-100. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0094

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为研究爆炸地冲击作用下深埋地下结构的动力响应、破坏模式和损伤机理,以岩石介质中的深埋直墙圆拱结构为研究对象,设计并开展了缩尺比为1∶20、比例爆距为1.69的正顶两次爆炸地冲击作用下地下结构的缩尺试验,对试验的宏观现象和实测数据进行分析,结果表明:初次爆炸和二次爆炸作用下,围岩模型表面和装药口附近破坏状况较为严重,地下结构的破坏较为轻微,结构整体产生向下的压弯变形,拱顶内表面产生一条轴向裂纹;爆炸地冲击作用下,深埋地下结构模型的反应以整体振动为主,加速度响应较大,还原到原型结构的拱顶和底板峰值加速度最大可达107.05g和97.15g;初次爆炸中结构上部的围岩破坏以及拱顶位置处的轴向裂缝导致局部刚度减小,二次爆炸时,结构拱顶位置处的局部加速度反应有所增大;而初次爆炸形成的围岩破碎区及裂缝加剧了二次爆炸时地冲击波能量的衰减,导致结构承受的地冲击压力减小,结构应变及底板位置处的加速度响应减小;原型结构底板位置处对应于人体自振周期范围内的谱加速度最大超过10g,存在安全风险。

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五层足尺预应力压接装配框架结构顶层角柱失效试验研究

师燕超, 李黎明, 郭海山, 李忠献, 史鹏飞, 赵博, 周健, 刘昊琨, 郭志鹏

建筑结构学报. 2023, 44(05): 101-113. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0808

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为研究预应力压接装配混凝土框架(PPEFF)结构的抗连续倒塌性能,根据国内外现行抗连续倒塌规程中的拆除构件法,设计并建造了一栋2×2跨带楼板的五层足尺PPEFF结构,进行了结构动力特性测试和顶层角柱失效下的抗连续倒塌试验。通过动力特性测试得到了结构的固有频率与阻尼特性,结构实测周期与采用梁柱节点刚接假定的分析结果吻合良好。提出了滑块与双微摩擦面构造及结构柱移除试验方法,能较好地模拟结构柱移除前结构的正常承载状态,操作简便快捷。基于上述方法,开展了移除角柱的抗连续倒塌试验,采用位移计和基于数字图像处理的非接触式位移测量设备,分别获得了顶层角柱失效后的动态响应,两者最大动态位移幅值和残余位移相差不超过3%,吻合良好。试验结果表明,顶层角柱失效后,试验结构在正常使用荷载作用下的抗连续倒塌机制以双向梁悬臂受弯作用为主,楼板作为受拉翼缘提高了梁的悬臂受弯作用,角柱所承担的竖向荷载在剩余结构内进行了重分布,梁内纵向钢筋、楼板钢筋和预应力筋均处于弹性状态,拆柱处悬臂结构最大瞬态转角仅为1/273,PPEFF在顶层角柱失效时具有优异的抗连续倒塌性能。

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五层足尺预应力压接装配框架结构抗连续倒塌能力有限元分析

郭志鹏, 郭海山, 李黎明, 师燕超, 史鹏飞, 周健, 李思遥, 苏衍江, 张云峰

建筑结构学报. 2023, 44(05): 114-124. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0807

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为研究预应力压接装配混凝土框架(PPEFF)体系的抗连续倒塌性能,基于ABAQUS/Standard隐式有限元分析平台,采用多尺度非线性动力分析模型对五层足尺试验模型的顶层角柱、四层边柱和底层角柱失效后的状态分别进行了有限元模拟,并与试验结果进行了对比。在此基础上对拆柱等效冲击加载时间、有无楼板作用和楼面重力荷载代表值大小进行参数分析,分析了相关参数对PPEFF抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明:有限元分析结果与试验结果吻合良好;拆柱等效冲击加载时间对结构的稳态位移影响较小,试验采用滑块与双微摩擦面构造的加载方法可行;楼板对结构的抗连续倒塌性能有较大影响,能够降低剩余结构的竖向振动幅度,提高剩余结构的抗连续倒塌性能;楼面重力荷载代表值提升100%的情况下,仅局部混凝土进入塑性,钢筋与预应力筋仍处于弹性工作状态,结构变形较小,PPEFF仍具有良好抗连续倒塌性能。

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全装配式RC楼盖建筑结构振动台试验研究

庞瑞, 孙园园, 徐铸, 高超凡, 杨金平, 张盼盼

建筑结构学报. 2023, 44(05): 125-136. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0885

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为研究分布式连接全装配RC楼盖(DCPCD)建筑结构动力特性与地震响应,设计制作了采用DCPCD的4层2开间单跨框架-剪力墙结构1/4缩尺模型,并通过不同水准地震作用下的振动台试验,研究了结构的破坏形态、加速度与位移响应、楼盖平面内变形规律与楼盖平面内刚性特征等。结果表明:在加载过程中,全装配式RC楼盖表现出良好的工作性能,能较好地协同各榀抗侧力结构共同受力;结构整体呈现出典型的框架-剪力墙结构的出铰顺序和破坏形态;结构的自振频率随地震水准峰值加速度的增大而减小,阻尼比随地震水准峰值加速度的增大而增大;在弹性阶段结构一阶振型以整体侧移为主,伴随着一定的楼盖平面内变形;随着地震水准峰值加速度的增大,在加载后期楼盖的平面内变形愈加明显,且结构出现了一定的扭转反应,结构累积损伤已较为严重,各抗侧力构件水平振动同步性逐步降低;模型结构中的DCPCD存在不满足国内外标准中刚性楼盖界定的现象,建议应用中考虑楼盖的平面内变形对结构动力特性与地震响应的影响。

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基于分步调幅法的钢筋混凝土结构主余震易损性曲面分析

于晓辉, 王勃, 吕大刚

建筑结构学报. 2023, 44(05): 137-145. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0727

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传统主余震易损性分析多采用仅考虑主震强度或余震强度的标量式易损性函数,所获得的易损性曲线无法全面反映主、余震强度对结构抗震性能的综合影响。为解决这一问题,提出了一种同时包含主、余震强度的主余震易损性曲面分析方法。通过对主余震序列进行主、余震分步调幅,获得包含不同主、余震强度组合的主余震序列输入。通过分步拟合,构建同时包含主、余震强度的主余震需求模型,生成主余震易损性曲面,并进一步计算获得具有不同危险性水平的主、余震强度所对应的主余震易损性指数。以一栋按我国规范设计的钢筋混凝土框架结构为例,采用所提出方法进行了主余震易损性曲面分析。分析结果表明:所提出方法可以有效地生成结构的主余震易损性曲面,给定主震危险性水平而提升余震危险性水平或给定余震危险性水平而提升主震危险性水平,均可带来结构主余震易损性指数的提高,且后者引起的主余震易损性指数提高幅度更为显著,证明了主震作用在主余震易损性分析中的主导地位。

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装配整体式双钢板组合剪力墙抗震性能试验研究

朱峰岐, 郁银泉, 王喆, 施刚, 刘焕芹

建筑结构学报. 2023, 44(05): 146-156. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0689

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双钢板组合(DSC)剪力墙应用于装配式钢结构建筑时,需要在施工现场浇筑混凝土,施工效率低,施工工艺复杂,湿作业量大,人工成本高,不满足建筑工业化的要求。为此,研发了装配整体式钢板组合(MPDSC)剪力墙,即在工厂预制标准化剪力墙构件,在施工现场采用少量焊接和后灌浆工艺直接装配,有效提高了施工效率。为研究MPDSC剪力墙的抗震性能,以水平接缝端柱连接方式、轴压比为主要参数,设计了1个DSC剪力墙对比试件和4个MPDSC剪力墙试件,对其进行拟静力试验。结果表明:MPDSC剪力墙破坏模式为典型压弯破坏,端柱、墙体底部钢板屈曲,屈曲波分布在基础梁上部加劲板顶端至距其100~200mm高度范围内,内填混凝土压溃;MPDSC剪力墙滞回曲线呈梭形,峰值荷载较DSC剪力墙的约提高5%,位移延性系数大于3,当轴压比为0.2和0.4时,平均屈服位移角分别为1/186、1/157,平均破坏位移角分别为1/53、1/35,满足JGJ/T 380—2015《钢板剪力墙技术规程》中弹性及弹塑性移角限值要求;水平接缝位于剪力墙中部时,端柱连接方式对MPDSC剪力墙的整体抗震性能指标影响较小,因此,可以采用施工方法更为简便的端柱三边连接方式进行现场装配。

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部分包覆钢-混凝土组合暗柱RC短肢剪力墙抗震及其修复试验研究

李补拴, 周伟, 赵根田, 陈明, 曹亚楠

建筑结构学报. 2023, 44(05): 157-169. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0882

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一字形RC短肢剪力墙因延性及平面外稳定性差而在高层建筑应用中受到限制,为此,设计并制作了2片剪跨比为2的部分包覆钢-混凝土组合暗柱RC短肢剪力墙,进行了拟静力试验,研究了轴压比对剪力墙抗震性能的影响。结果表明:剪力墙表现为剪切黏结破坏,滞回曲线呈反S形,具备较好的延性及耗能性能。基于试验结果,对震后2片剪力墙采用增设栓钉的方式进行了修复处理并完成了拟静力试验。结果表明:修复剪力墙呈剪切斜压破坏,滞回曲线呈较为饱满的梭形,整体工作性能得到明显改善,承载力基本能恢复至震损前水平,但延性及耗能能力略有下降;随轴压比增大,对原剪力墙与修复剪力墙的承载力影响不大,延性下降,耗能能力略有提升。根据试验结果,提出一字形部分包覆钢-混凝土组合暗柱RC短肢剪力墙受剪承载力计算式,计算值与试验值之比为0.973,两者吻合较好。

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波折钢板剪力墙滞回性能与内嵌墙板优化选型

窦超, 解程, 杨娜

建筑结构学报. 2023, 44(05): 170-182. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0825

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相比普通平钢板墙,梯形波折钢板剪力墙在合理设计下具有更优越的滞回性能,其中内嵌波折墙板的优化选型是抗侧力体系的设计关键。为此,通过低周往复加载试验研究了梯形波折钢板剪力墙的抗侧受力变形过程及破坏形态,并验证了有限元方法的可行性。为了得到典型波折墙板的抗侧机制影响因素,研究了墙板屈服点、高(宽)厚比、波长、波形及波折角度等对内嵌墙板滞回性能的影响,在数值算例基础上,提出了墙板的滞回优化选型表及设计建议。试验研究发现,梯形波折钢板墙试件在内嵌墙板屈曲后其水平荷载仍可继续增加,具有良好延性变形能力。数值分析结果表明:当波折墙板的几何尺寸设计不当时,表现出不稳定的屈曲后承载能力、较差的延性和耗能能力,应在初步选型设计中予以避免;由于往复加载下的累积面外残余变形,波折墙板在往复加载下的承载力和延性显著低于单向推覆下的;降低钢材屈服点,选用最优波长和临界波形比,合适的波折方向以及增加波折角度,能够有效提高往复加载下的抗侧承载能力。提出了滞回性能优化选型建议,能够实现波折墙板面内剪切屈服的抗侧机制,使内嵌波折墙板达到良好的抗侧承载力、延性和耗能能力。

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圆端形截面钢管混凝土柱抗震性能研究

王志滨, 郑一波, 赖志超, 沈蔚

建筑结构学报. 2023, 44(05): 183-194. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0819

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圆端形截面钢管混凝土柱已被应用于抗震设防区的结构中。为了研究轴压比及高宽比对该类组合柱抗震性能的影响规律,进行了12根圆端形截面钢管混凝土柱的滞回试验。试验结果表明:和矩形钢管混凝土柱相比,圆端形截面钢管混凝土柱的破坏程度更轻,滞回曲线更饱满,变形能力、延性和耗能能力更高;柱承载力、刚度、耗能能力随着高宽比的增大而提高,但延性随之降低;高宽比对刚度退化速率和阻尼比的影响较小。建立了圆端形截面钢管混凝土柱的有限元模型,对比得到有限元模拟骨架曲线和实测结果吻合较好。采用经验证的有限元模型开展了圆端形截面钢管混凝土柱的参数分析,主要影响参数包括材料强度、含钢率、轴压比、长细比和高宽比。参数分析结果表明:圆端形截面钢管混凝土柱的承载力和刚度随着高宽比的增大而增大,但延性随之降低;当钢材屈服强度由235mPa增大到700mPa时,承载力提高了89.1%;当含钢率由0.05增大到0.2时,承载力提高了146%;当长细比由20增大到100时,承载力降低了88.3%;当轴压比由0.01增大到0.8时,承载力降低了61.2%;当高宽比由1提高到3时,承载力提高了215.3%。基于圆钢管混凝土恢复力模型,给出了圆端形截面钢管混凝土柱的恢复力模型,模型简化计算结果与试验结果吻合较好,误差在10%以内。

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可更换加劲肋角钢自复位柱脚抗震性能试验研究

孙东德, 杨勇, 马银科, 薛亦聪, 于云龙, 曹燕妮

建筑结构学报. 2023, 44(05): 195-208. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0879

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为了解决震后受损柱脚残余变形大、可恢复性能差的问题,提出了一种采用可更换加劲肋角钢的自复位柱脚,该柱脚由钢柱、钢连接件、腹板摩擦装置、可更换加劲肋角钢和无黏结钢绞线拼装而成,并由钢绞线提供复位力,通过腹板摩擦装置与加劲肋角钢塑性变形进行耗能。完成了6组共10个自复位柱脚的低周反复加载拟静力试验,对破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、耗能、承载力与刚度退化以及残余变形与自复位能力的研究,并结合实测应变结果分析轴压比、可更换加劲肋角钢厚度、震后是否更换受损加劲肋角钢对柱脚抗震性能的影响。研究结果表明:该种柱脚的抗震性能优异,且在较大轴压比下表现出更高的承载力和耗能能力,但较大的竖向荷载会加剧残余变形与预应力的损失,导致柱脚的复位能力变差;增加可更换加劲肋角钢的厚度可增加柱脚的初期刚度和承载力;柱脚在震后不更换受损加劲肋角钢的情况下仍具有良好的承载力,可抵抗较大等级的余震作用;柱脚在震后更换受损加劲肋角钢的情况下,整体抗震性能基本可恢复至震前水平。该可更换加劲肋角钢的自复位柱脚经合理设计与控制,可以很好地实现“小震弹性,中震复位,大震更换”设计目标,为抗震设计提供参考。

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装配式双铝合金内芯屈曲约束支撑滞回性能试验研究

李帼昌, 闫鹤丹, 邱增美

建筑结构学报. 2023, 44(05): 209-220. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0887

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为了研究采用A5083铝合金作为芯材的屈曲约束支撑的滞回性能和疲劳性能,提出了一种双铝合金内芯装配式屈曲约束支撑,以芯板开孔、芯板与约束板的间隙作为变化参数,设计了3个试件,对其进行拟静力试验研究。结果表明:双铝合金内芯装配式屈曲约束支撑的滞回曲线饱满对称,耗能能力、塑性变形能力及疲劳性能良好,表现出明显的应变强化和循环硬化特性;芯板开孔起到了保护芯板端部、使支撑充分耗能的作用;芯板与约束板间1～2mm的间隙,设置合理;开孔芯板的多波屈曲分布均匀,主要出现在开孔区域内,芯板开孔避免了芯板端部的应力集中,使支撑的受力更均衡。采用经验证的有限元分析方法对支撑进行分析,结果表明:芯板从开孔段到未开孔段依次屈服,最终实现全耗能段的屈服;采用A5083铝合金与LY160低屈服点钢材作为芯材的支撑有良好且相近的耗能能力,但A5083铝合金可以有效降低支撑的质量,节约成本。

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非对称钢梁截面组合框架梁端极限状态下有效翼缘宽度研究

彭炜杰, 陶慕轩

建筑结构学报. 2023, 44(05): 221-231. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0896

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针对工程中常用的上翼缘小而下翼缘大的非对称截面钢梁,为了得到对应的混凝土楼板的有效翼缘宽度,基于已有对于对称钢梁截面情况的研究与相应的公式,通过精细化有限元参数分析修正相关系数,在有限元软件MSC.MARC(2018)中建立精细化数值模型,识别出影响极限状态有效翼缘宽度的主要变量,包括钢主梁的上下翼缘宽度、钢横梁的上翼缘宽度。对数值算例结果进行回归分析,得出非对称钢梁截面组合框架梁梁端极限状态有效翼缘宽度的计算方法。结果表明:建议公式计算的正弯矩和负弯矩下的有效翼缘宽度均满足工程精度要求,与已有研究和规范公式对比,研究中的建议公式计算得出的相对误差和离散性均最小。

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钢筋混凝土窄梁侧挂混锚碳纤维布加固受弯性能试验研究

周朝阳, 于亚男, 郭宇轩, 汪毅

建筑结构学报. 2023, 44(05): 232-239. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0890

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为了抑制纯粘片材加固窄梁的界面剥离破坏,采用与梁底同宽的纤维布,将其端部绕开缝板自锁,并用对穿锚栓和侧板挂住,协同粘贴形成侧挂混锚碳纤维布加固。对7根钢筋混凝土窄梁开展了受弯试验,结果表明:随着碳纤维布的加长,纯粘(仅采用纤维布全长粘贴)梁剥离破坏起始位置由端部转移到中部,剥离荷载略有增长;相比纯粘加固时的脆性剥离破坏,混锚加固梁表现出优越的受弯性能,短布混锚梁中部剥离和混凝土压碎基本同时发生,承载力达到黏结完好时的理论上限值,高于长布混锚梁;纤维布较长时,虽然出现剥离但之后荷载仍能持续增加,延性大幅提高,最终发生混凝土压碎;采用两层纤维布加固时,内长外短混锚加固比内短外长纯粘加固的抗剥离效果更好,前者承载力较未加固梁的提升率为后者的1.6倍,延性也有明显改善。

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多腔波形钢板组合墙的轴压整体稳定性能研究

童精中, 俞超群, 童根树, 陈明, 张磊

建筑结构学报. 2023, 44(05): 240-251. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0834

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为了降低钢板混凝土组合墙的用钢量、提高其承载效率,同时避免大量使用剪力连接件,提出了多腔波形钢板组合墙,该组合墙由钢管混凝土柱和内填混凝土的双波形钢板交替连接组成。为了得到墙体稳定承载性能的影响因素,对6片高厚比为20.0和16.7的多腔波形钢板组合墙进行轴压试验,其中波形钢板包括梯形波折板和正弦波浪板两类。试验结果表明:试件承载力均由整体稳定控制,加载过程中所有墙体都出现了整体失稳破坏并伴随钢板局部屈曲,而波形钢板与钢管间的焊缝保持完好;增加墙体厚度(即降低高厚比)可以有效提高试件稳定承载力。采用ABAQUS软件建立精细化有限元分析模型,并将试验结果与有限元模拟结果进行对比,发现有限元能较好模拟多腔波形钢板组合墙的轴压整体稳定性能。采用经验证的有限元模型分析了高厚比、截面尺寸、混凝土强度以及波形钢板形式对组合墙轴压稳定性能的影响,发现钢管混凝土柱的板厚和宽度对承载力的影响随组合墙高厚比的增大逐渐增大,波形腔宽度和混凝土强度的影响随高厚比的增大逐渐减小,波形钢板厚度和波形钢板形式对承载力影响较小。提出了多腔波形钢板组合墙稳定系数的计算公式,有限元结果与公式计算结果的比值大部分在1.00~1.10之间,可以偏安全地预测试验结果。

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波形腹板部分包覆组合柱强轴偏心受压试验分析

王威, 陈乐乐, 苏三庆, 刘磊, 蔡恒立, 周毅香, 赵炳震

建筑结构学报. 2023, 44(05): 252-263. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0901

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为了改善部分包覆组合(PEC)柱的平腹板易变形、钢骨与混凝土易分离的问题,提出了一种波形腹板部分包覆组合柱。针对此类柱构件,考虑不同波形板布置方向、偏心距和翼缘厚度,设计12根波形腹板PEC柱和2根平腹板PEC柱,并进行偏心加载试验。研究结果表明:与平腹板PEC柱相比,垂直波形腹板PEC柱在大偏心荷载与小偏心荷载作用下承载力分别提高了11%、4%,水平波形腹板PEC柱在小偏心荷载作用下延性提高了3%;翼缘厚度是决定波形腹板PEC柱承载力的关键因素,适当增大翼缘厚度可以提高柱的承载力。通过挠度和应变分析得出,波形腹板PEC柱具有比平腹板PEC柱更好的变形性能,垂直波形腹板对混凝土具有较强的约束能力。利用ABAQUS软件对试验进行了有限元模拟,所得翼缘的屈曲变形、钢-混凝土的分离与试验结果吻合较好。采用极限平衡法推导了波形腹板PEC柱在偏心受压下的承载力计算公式,理论值与试验值吻合较好,验证了该公式的正确性。

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圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土长柱轴压性能研究

叶建峰, 刘如月, 颜桂云, 郑永乾, 王迪

建筑结构学报. 2023, 44(05): 264-272. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0017

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为研究再生砖骨料替代天然骨料后钢管混凝土柱的轴压性能,设计了7根圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土长柱并进行轴压试验,考察砖骨料取代率(0%、30%、50%、70%、100%)和长细比(22.86、45.71、68.57)对其破坏模态、荷载-应变关系、承载力、侧向变形及延性等的影响。此外,利用ABAQUS软件开展圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土柱稳定系数-长细比相关曲线的参数分析。结果表明:圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土长柱的破坏模态及受力性能与普通钢管混凝土长柱的相似,具有较高的承载力与延性;柱破坏时均呈现明显的侧向挠曲,钢管中部出现鼓曲,内部混凝土沿截面断裂;柱承载力随砖骨料取代率和长细比的增加而下降,当取代率为100%时承载力相比取代率为0%时下降了12.3%,但取代率在70%以内时,承载力对取代率的变化不敏感,相对取代率为0%时仅下降5.82%;轴压承载力稳定系数随钢材屈服强度、混凝土强度和长细比的提高而降低。

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基于类不平衡数据集的钢筋混凝土柱破坏模式判别方法

谢龙隆, 喻泽成, 余波

建筑结构学报. 2023, 44(05): 273-285. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0672

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针对钢筋混凝土柱破坏模式数据集存在类不平衡,导致传统机器学习算法对少数类破坏模式判别精度较低的问题,采用合成少数类过采样(SMOTE)算法合成少数类样本生成初始平衡数据集,利用基于特征权重的加权K-近邻算法衡量数据集样本的类内相似度,通过合理剔除离群值样本数据点重构新平衡数据集,并基于331组钢筋混凝土柱破坏模式不平衡数据(弯曲破坏203组、剪切破坏70组、弯剪破坏58组),结合6种经典机器学习算法,建立了基于类不平衡数据集的钢筋混凝土柱破坏模式判别方法。研究表明:与传统方法相比,该方法对于剪切破坏的精度、召回率和F₁分数分别平均提高5.5%、8.7%和7.2%,对于弯剪破坏的精度、召回率和F₁分数分别平均提高12.8%、15.7%和17%;随着破坏模式样本数据集不平衡程度的增大,该方法对机器学习算法分类性能的提升效果越明显。

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木材本构模型研究进展

张利朋, 谢启芳, 吴亚杰, 张保壮

建筑结构学报. 2023, 44(05): 286-304. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0710

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木材本构模型是木结构受力分析的基础。基于木材各纹理方向的单调加载、重复加卸载试验结果,总结了木材的失效机理及其非线性受力特征。在此基础上,梳理了木材经验本构模型、弹性本构模型、弹塑性本构模型和损伤本构模型的研究现状,分析了上述本构模型对木材非线性受力行为的表征能力及其存在的问题。结果表明:木材非线性受力特征包括顺纹及横纹受拉脆断、顺纹受压应变软化、横纹受压应变强化、顺纹和横纹剪切脆断、顺纹和横纹受压卸载时存在的不可恢复变形和刚度退化行为等;不同本构模型对木材非线性受力特征的表征能力不同,但弹塑性损伤本构模型最能全面反映其非线性受力机制。对于木材本构模型,亟待深入开展的研究工作,主要包括:建立基于木材宏观构造特征与物理性能的全部弹性常数预测模型;建立复杂受力状态下木材损伤机制与强度准则;建立可以考虑塑性与损伤耦合效应、材质劣化效应的弹塑性损伤本构模型,为进一步完善木材本构模型提供参考。

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基于短时傅里叶变换的快速贝叶斯模态参数识别方法

杜航, 徐海巍, 楼文娟

建筑结构学报. 2023, 44(05): 305-314. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0136

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为反映结构非平稳响应信号的时频特性,提出基于短时傅里叶变换的快速贝叶斯模态参数识别(FBST)方法。该方法采用短时傅里叶变换代替傅里叶变换进行模态参数识别,使模态参数的识别同时具有时频特性,同时能够给出识别结果的不确定性。利用时域分解解耦技术,将多自由度多模态响应信号转变为单自由度单模态响应信号以提升计算效率,推导得到高信噪比下负对数似然函数的表达式。采用数值算例验证了FBST方法在时变频率和阻尼比识别上的有效性。在此基础上,针对某大跨柔性光伏支架结构气弹模型的风洞试验数据和某高层建筑风振实测加速度响应数据,利用FBST方法识别了对应结构的阻尼比、频率,并与连续小波变换和Hilbert-Huang变换等经典方法的识别结果进行对比。数值算例分析结果显示,对于时变、非时变信号,FBST方法均能识别与理论值较为一致的阻尼比和频率结果。对于大跨柔性光伏支架结构的气弹试验数据和高层建筑实测加速度响应,FBST方法识别得到的频率结果与连续小波变换以及Hilbert-Huang的结果较为一致,而识别出的阻尼比存在较大变异系数。

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风荷载与温度荷载在三玻两腔中空玻璃幕墙中的分配研究

杨庆山, 梁启胜, 刘敏, 胡少君, 张汉泉, 李志青, 田村幸雄

建筑结构学报. 2023, 44(05): 315-324. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0138

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中空玻璃幕墙合理设计的一个关键环节是合理确定玻璃面板的荷载分配,而现阶段不同国家和地区对于中空玻璃幕墙设计的相关规定有较大差别。为了明确其差异性,对比了中、美和欧现行中空玻璃幕墙设计规范、标准和基于功的互等定理的理论研究在荷载分配机理、适用范围的异同,并以某工程实例的三玻两腔幕墙为例,对荷载分配结果进行对比和参数化分析。研究结果表明:EN 16612-2019是目前考虑影响荷载分配因素最为全面的标准;JGJ 255—2012与《Code of practice for structure use of glass》考虑了放大系数使分配结果偏保守;在初始空腔体积V=0.021m³的中空玻璃幕墙中,考虑气体压缩性影响的玻璃分配的荷载比例较具有更大初始空腔体积的中空玻璃幕墙提高10%以上;两空腔气温为70℃的极端环境下,空腔气温变化引起的外侧外片玻璃的温度荷载为-0.3kPa,远小于玻璃分配的风荷载±1.76kPa。此外,基于现有规范、标准的适用范围,对完善中空幕墙设计需进一步考虑的问题提出了建议,包括考虑不同玻璃的几何外形及外荷载类型等。

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四分叉铸钢节点的衍生式智能设计研究

韩乐雨, 杜文风, 夏壮, 叶俊, 高博青

建筑结构学报. 2023, 44(05): 325-334. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0731

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铸钢节点普遍采用基于经验的传统设计方法,越来越难以满足工程实践和智能制造时代发展的需求。利用衍生式设计方法对某实际工程四分叉铸钢节点的合理构型进行了智能设计研究。详细阐述了衍生式设计的基本方法及数学模型,采用衍生式设计智能生成了若干个四分叉铸钢节点,根据受力性能和成本的评估指标选取了代表性衍生节点,并将代表性衍生节点同初始设计节点、拓扑优化节点和焊接空心球节点进行受力性能的对比分析。为验证衍生式设计结果的可制造性,采用3D打印技术制造出代表性衍生节点的缩尺模型。研究结果表明:利用衍生式设计方法自动生成的四分叉铸钢节点形态具有多样性和创新性;衍生节点模型与其他类型节点相比具有更轻的质量和更佳的受力性能,最大可使节点的质量较初始设计节点减轻3.18%,最大等效应力降低24.78%及最大位移减少37.36%。

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2023年, 第44卷, 第05期　刊出日期：2023-05-05

建筑结构学报

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