建筑结构学报

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葛家琪, 杨维国, 张家铭, 刘佩, 王萌, 马伯涛

建筑结构学报. 2023, 44(08): 1-10. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0228

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为了对大高宽比浮放馆藏文物抗摇摆和抗倾覆提出更有效的安全控制指标,对浮放陶瓷花瓶开展了振动台试验,得到了其发生摇摆的临界条件。建立了长方体和圆柱体两种空心花瓶的精细化有限元模型,并以试验结果加以验证。利用验证后的有限元模型开展数值分析,得到浮放文物启动摇摆和发生倾覆对应的地面峰值加速度临界值。基于能量平衡理论推导和对试验数据的拟合,提出了分别以峰值加速度和峰值速度作为安全控制指标的“双水准”浮放馆藏文物安全判别方法。结果表明:浮放文物启动摇摆的条件不依赖于地震波的频谱特性和文物底面形状,但发生倾覆的条件则与二者相关;地震的峰值加速度并不能作为判断浮放系统是否发生倾覆的充要条件,尤其对于频率较高的地震激励,以峰值加速度作为安全控制指标往往偏于保守;通过算例验证,提出的以地面峰值速度和地面峰值加速度为指标的判别准则具有良好的适用性和可靠性。

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单向地震作用下浮放文物倾覆风险评估方法研究

杨维国, 邹晓光, 葛家琪, 刘佩, 王萌, 李昊, 马伯涛

建筑结构学报. 2023, 44(08): 11-23. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0238

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为评估博物馆内浮放文物的地震倾覆风险,将浮放文物、浮放展柜简化为双层浮放的规则块体,利用分体式有限元模型对“博物馆建筑结构-浮放展柜-浮放文物”系统中的地震动力传播过程进行模拟,研究不同宽高比的浮放文物在单向地震波激励下的摇摆运动响应,并采用增量动力分析开展浮放文物地震倾覆易损性分析。据此,提出了两种馆藏浮放文物地震倾覆风险评估方法:一种是将浮放文物地震倾覆易损性曲线与场地危险性曲线进行卷积运算得到文物的地震倾覆风险;另一种则是基于动力放大作用评估文物地震倾覆风险。利用这两种评估方法对某博物馆内浮放扁壶文物进行了风险评估。研究表明:当展柜尺寸一定时,文物宽高比越小,地震倾覆风险越大;两种评估方法均能有效评估馆藏浮放文物地震倾覆风险,其中基于易损性分析的风险评估方法能精确地计算出文物地震倾覆风险值,而基于动力放大作用的评估方法能快速、准确地进行地震倾覆风险值计算,便于应用。

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足尺三层单跨框架结构-展柜-文物系统振动台试验研究

刘佩, 杨维国, 葛家琪, 邹晓光, 王萌, 马伯涛

建筑结构学报. 2023, 44(08): 24-35. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0301

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为获得更多的馆藏文物震害数据及文物预防保护工作的科学实施,开展了足尺三层单跨框架结构-展柜-文物系统的振动台试验,对系统的地震响应及文物的破坏情况进行了研究。以三层钢筋混凝土框架结构模型代表博物馆结构,共设置6个展柜及23件浮放和限位文物模型。采用6条天然地震波,峰值加速度调幅范围为0.1g~0.62g,共进行了15次加载。获取了楼层加速度时程、展柜台面加速度时程、不同楼层上和展柜内浮放玻璃砖和陶瓷笔筒的滑移时程、不同体形的浮放花瓶的摇摆时程、不同楼层上亚克力卡固大号梅瓶和鱼线栓绑中号梅瓶的运动状态。结果表明:第二层和第三层楼面相对于振动台面的峰值加速度放大系数范围分别为0.92~2.15和1.28~3.93,同一条地震波激励下在钢筋开始屈服对应工况的放大系数最小;展柜台面相对于楼层的峰值加速度放大系数范围为0.82~1.98;峰值加速度为0.62g时,第三层楼面砂纸上玻璃砖的最大滑移量为103 mm,而亚克力板上陶瓷笔筒的最大滑移量仅为17 mm;位于振动台面的冬瓜瓶在峰值加速度为0.4g时处于静止状态,但在峰值加速度为0.31g时发生了倾覆,受花瓶底面不平整的影响,倾覆现象不一定随峰值加速度的增大而连续出现;各浮放花瓶在地震激励下基本静止或一摇即倒;随型卡固件对极罕遇地震作用下第三层楼面上的大号梅瓶的摇摆响应控制效果不佳,卡固与栓绑的组合方式对控制中号梅瓶的运动响应有效。

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鱼线栓绑法对馆藏文物的抗震固定效果及优化分析

王萌, 闫一, 葛家琪, 马伯涛, 杨维国

建筑结构学报. 2023, 44(08): 36-46. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2021.0899

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为研究鱼线栓绑法对馆藏文物的抗震固定效果并对其进行优化设计,选取3件同类型不同尺寸(高度分别为390、490、620 mm)的较大体积典型地震易损文物复制品,开展文物复制品与鱼线栓绑法固定措施抗震系统振动台试验,获得影响文物复制品运动状态的关键体型参数、文物复制品与鱼线相互作用规律,并检验采用独立鱼线栓绑法对较大体积文物的抗震固定效果。建立相应有限元分析模型,对文物复制品与鱼线栓绑法固定措施相互作用系统进行参数分析,获得在地震作用下能够采用独立常用鱼线有效固定文物的体型参数限值以及有效固定不同体型文物所需要的最小鱼线截面面积。结果表明:适当提高鱼线初始预拉应力、增加鱼线绑扎根数、增加鱼线截面面积均可有效降低文物地震响应及鱼线内力变化幅度,并提高独立鱼线有效固定文物的体型参数限值;采用独立鱼线栓绑法固定时,文物质心高度与底面直径之比越大,整体摇摆响应越明显;体型及质量越大且底面直径越大,文物整体滑移响应更显著;综合固定效果及文物与鱼线之间的相互作用,建议选择截面面积合理的鱼线并施加20%破断应力作为初始预拉应力;对于不适用于独立鱼线栓绑法固定的文物,可采用鱼线和卡固件组合固定措施,降低文物动力响应及鱼线的内力变化幅度。

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砖石质文物建筑结构安全稳定性能提升措施研究

葛家琪, 林葎, 张玲, 李一, 赵亚硕, 汤羽扬, 邹宏, 王明珠, 朱鸿钧

建筑结构学报. 2023, 44(08): 47-55. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0465

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砖石质文物建筑历经百余年环境因素产生劣化损伤后,多数存在安全隐患。国家现行相关规范标准中所提供工程常用的结构安全性能提升措施与文物建筑的保护原则之间,存在诸多难以协调的矛盾。而新的修缮措施中又缺乏对文物建筑整体稳定性能提升有效性的分析评价方法。为此,以清华大学图书馆老馆Ⅰ期为例,在其结构现状分析的基础上,提出增设内钢框架和外拉索的修缮方案。新增结构基本不侵入文物建筑本体,不改变原结构传力路径,基本实现了“不改变文物原状、最低限度干预、措施可逆”的文物保护原则。正常使用极限状态的承载力分析表明:采取性能提升措施后,随着原结构材料逐步劣化,原结构承载能力进一步降低,荷载才将逐渐转移至新增结构。建立了与文物建筑材料连接界面相适应的离散体结构力学模型,抗倒塌分析结果表明:8度罕遇地震作用下,各部分主体结构最大层间位移角小于1/100,新增结构可大幅提升防震性能,实现了预防地震倒塌的结构稳定性能目标。

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砖墙(柱)-木屋架古建筑结构静力破坏机制与稳定性能指标

葛家琪, 赵强, 马伯涛, 朱鸿钧, 周萍, 刘鑫刚

建筑结构学报. 2023, 44(08): 56-64. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0464

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针对砖石质古建筑中普遍存在的砖墙(柱)-木屋架结构,以某文物展馆为例,建立了符合古建筑材料、构造机理特征的离散体分析模型。选取4种不同筑砌方式,对砖石质古建筑的损伤产生及破坏机制进行了研究;对砖柱不同高宽比及界面不同摩擦系数的砖柱-木屋架结构进行静力推覆分析,得到了不同工况下的柱顶水平荷载-位移全过程性能曲线;重点将砖石质古建筑从屈服损伤到临界失稳过程与全过程性能曲线中对应的性能点进行对比研究,发现柱竖向位移角峰值点为结构临界失稳极限点。研究了稳定性能指标对应性能点确定方法:对于结构不发生明显损伤的水平位移角限值,在砖柱高宽比为8、10和大于12时,分别为1/240~1/200、1/290~1/250、1/340~1/300;对于结构静力稳定状态的水平位移角限值,在砖柱高宽比为8、10和大于12时分别为1/40、1/70、1/100。

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预压碟簧自复位黏滞阻尼器受力性能试验研究

严鑫, 舒赣平, 刘汶津, 郑宝锋

建筑结构学报. 2023, 44(08): 65-75. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0216

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针对自复位支撑耗能能力不足的问题,提出了适用于自复位支撑框架结构的预压碟簧自复位黏滞阻尼器,介绍了该自复位黏滞阻尼器的构造方案、工作原理以及理论恢复力模型,分别对自复位黏滞阻尼器的碟簧自复位系统和黏滞耗能系统进行了性能测试,并将两个系统集成为一个整体阻尼器,对其开展力学性能试验研究。研究结果表明:设计的自复位黏滞阻尼器集成了碟簧自复位系统和黏滞耗能系统的优势,具有典型的旗帜形滞回特征,其耗能能力随着加载速率的增大而增大;加载过程中由于黏滞阻尼力的存在而产生的残余变形随着碟簧自复位系统初始预压力的增大而减小,加载结束时该残余变形基本消除。该阻尼器实现了在高加载速率下增强耗能、在低加载速率下提升自复位性能的性能目标。所提出的自复位黏滞阻尼器恢复力模型与试验结果吻合较好。

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钢框架-冷弯薄壁型钢墙体组合结构抗震性能研究

刘深, 冯若强

建筑结构学报. 2023, 44(08): 76-87. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0204

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为了提高传统低层冷弯薄壁型钢体系的抗震性能,对钢框架-冷弯薄壁型钢墙体组合结构进行了拟静力加载试验,研究了钢框架、覆面板材、开洞等因素对组合结构抗震性能的影响。采用等效拉压弹簧模型对试件进行了简化模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比。研究结果表明:将框架与剪力墙组合,可以使剪力墙的破坏模式从龙骨边柱屈曲的脆性破坏改为龙骨骨架较完好的延性破坏;增加框架后,组合结构弹性抗剪刚度提高了约30%,受剪承载力提高约10%;框架的约束使破坏后的组合结构在位移角1/20时保持70%以上的受剪承载力;等效拉压弹簧模型的计算结果与试验结果基本吻合,可以较好地模拟组合结构的滞回性能。

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超高性能混凝土加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

张阳玺, 李睿喆, 邓明科, 代龙

建筑结构学报. 2023, 44(08): 88-98. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0255

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为避免钢筋混凝土(RC)柱在高轴压比下发生小偏心受压破坏并提高其抗震性能,采用超高性能混凝土(UHPC)围套对其进行加固。设计7个RC柱,其中5个采用UHPC围套加固或钢筋网UHPC加固,并通过拟静力试验,研究RC柱在低周反复荷载作用下的破坏形态、变形能力及耗能能力。结果表明:RC柱经UHPC围套加固后,其破坏形态由脆性的小偏心受压破坏向大偏心受压破坏转变、损伤程度明显降低,加固柱的承载力、变形能力及耗能能力得到显著提高;随着轴压比增大,UHPC加固柱的承载力进一步提高;增加UHPC围套中的钢纤维掺量,可显著提高加固柱的塑性变形能力。基于RC柱界限破坏状态,并考虑加固层应变滞后的影响,计算得到UHPC加固柱的轴压比限值较规范限值显著提高。

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部分包覆钢-混凝土十字形和T形截面组合柱抗震性能及轴压比限值分析

李补拴, 周伟, 赵根田, 祁德志, 李雨颉

建筑结构学报. 2023, 44(08): 99-109. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0321

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为解决传统矩形截面柱柱楞突出墙面及柱梁在弱轴方向连接的复杂问题,以试验轴压比为参数,完成了3个十字形和3个T形截面的部分包覆钢-混凝土组合柱拟静力试验,分析其破坏形态和抗震性能指标。建立ABAQUS数值分析模型,并以加载角度、轴压比为参数开展轴压比限值分析。研究结果表明:两类异形截面柱最终均呈现压弯破坏,滞回曲线饱满,承载力稳定,延性和耗能性能良好;十字形和T形截面柱最不利加载角度均为45°。提出了部分包覆钢-混凝土组合柱的试验轴压比与设计轴压比换算关系,以位移延性系数为衡量标准,在抗震等级为一、二、三级时,建议十字形截面柱的设计轴压比限值分别取0.6、0.7、0.8,T形截面柱分别取0.35、0.45、0.55。

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双金属复合管混凝土构件受弯滞回性能研究

叶勇, 苗伟, 张世江, 陈香清

建筑结构学报. 2023, 44(08): 110-119. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0231

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在不锈钢(外)-碳素钢(内)双金属复合管内填入混凝土所形成的双金属复合管混凝土(CFBT)构件,具有良好的受力性能和耐腐蚀性。为研究CFBT构件在低周往复荷载作用下的弯曲滞回性能,开展了3个CFBT试件和1个传统碳素钢管混凝土(CFST)试件的加载试验和有限元模拟,分析不同混凝土强度条件下试件的破坏形态、荷载-变形滞回曲线、骨架曲线、承载力和刚度等受力性能。研究结果表明:往复荷载作用下CFBT受弯构件的变形和破坏特征与CFST受弯构件相似,最终均呈现为底梁附近钢管局部鼓曲、对应位置的内填混凝土压溃破坏;所有构件的弯曲滞回曲线饱满,无明显捏拢和退化现象,表明双金属复合管与内填混凝土能有效共同工作,使整体构件具有良好的承载力和滞回耗能能力;内填混凝土的强度对CFBT构件受弯承载力和滞回性能的影响不显著;在常用金属材料强度范围内,双金属复合管的不锈钢与碳素钢材料厚度比对CFBT受弯构件的受力性能无明显影响;增大碳素钢的强度或提高含钢率可有效提高CFBT受弯构件的受弯承载力。利用现有的CFST受弯构件计算模型可较好预测相同几何和材料参数条件下CFBT构件的受弯承载力。

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钢连梁-部分包裹组合剪力墙焊接节点抗震性能试验研究

石韵, 刘少博, 苏明周, 刘万鹏, 陈锘, 贺小刚

建筑结构学报. 2023, 44(08): 120-130. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0236

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为研究混合联肢部分包裹组合剪力墙(混合联肢PEC剪力墙)结构中钢连梁-PEC剪力墙焊接节点基本受力性能和抗震性能,以墙肢腹板厚度和混凝土包裹效应为设计变量,设计3个钢连梁-PEC剪力墙焊接足尺弱节点试件,进行低周往复加载试验。观察节点加载全过程中变形形态,并对其滞回性能、承载力、耗能能力、破坏模式、连梁及节点区应变等进行分析。研究结果表明:加载过程中,结构的塑性变形和损伤集中在节点区,满足“弱节点”的设计要求,钢连梁处于弹性状态;节点的破坏模式主要为节点核心区钢板剪切变形,核心区内混凝土形成斜拉杆机构效应,墙肢节点核心区下部区格混凝土局部压溃、外翼缘严重屈曲后翼缘钢板撕裂或焊缝拉断;节点破坏时,中部区格距节点核心区上下150 mm范围内出现塑性区,型钢应变超过屈服应变,混凝土在拉压反复作用下开裂,设计时应考虑中部区格对节点受剪承载力的贡献;钢连梁-PEC剪力墙焊接节点滞回曲线饱满,承载力高,具有优良的抗震性能;节点等效黏滞阻尼系数大于0.25;节点核心区及上下区格内混凝土对钢腹板提供了良好的包裹效应,拉结筋及混凝土的设置延缓了节点区下部外翼缘钢板的屈曲,填充混凝土的试件正向承载力提高28.2%,但填充混凝土后降低了结构的耗能能力和延性。

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不同谱匹配地震动对RC框架结构地震易损性的影响分析

魏世龙, 韩建平

建筑结构学报. 2023, 44(08): 131-138. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0219

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地震动谱形特征对结构地震响应分析至关重要,因此应考虑地震动谱形、选取合适的地震动记录以分析结构易损性。选取条件参数不同,但加速度反应谱值与设计谱相同的4条条件均值谱,分别基于条件均值谱和设计谱进行地震动记录的选取与谱匹配,并通过输入得到的12组地震动记录对一个5层算例结构模型进行增量动力分析,进而分析谱匹配方法以及条件均值谱对结构响应结果和地震易损性结果的影响。分析结果表明:输入谱匹配后的8组地震动记录,其工程需求参数分析结果的离散性明显降低且响应结果无明显偏差;以设计谱为目标谱时,谱匹配后得到的易损性曲线范围较为集中,而以条件均值谱为目标谱时,由于条件均值谱参数的不同,谱匹配后得到的易损性曲线范围较为分散。

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超高强型钢混凝土组合柱受力性能及设计方法

赖柄霖, 温安平, 舒赣平, 王斌

建筑结构学报. 2023, 44(08): 139-148. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0226

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为研究JGJ 138—2016《组合结构设计规范》对于超高强型钢混凝土(SRC)组合柱的适用性,根据试验研究、数值模拟和理论分析,对材料强度涵盖C130、C90高强混凝土和S690、S500、S355型钢的SRC柱受力性能和工作机理进行了研究。试验变量包括荷载偏心率、构件含钢率、钢纤维掺量及箍筋构造形式等,对构件破坏模式、承载能力和变形能力等指标进行分析,并基于纤维单元法预测了压弯构件荷载-挠度响应和轴力-弯矩相关曲线。通过对比分析,指出现行欧洲规范EC4中塑性应力分布方法高估了SRC柱承载力,并基于钢与混凝土强度匹配准则和柱构件变形性能,提出了高强材料有效强度用于SRC柱承载力预测,预测效果较设计规范有明显改善。

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高负载下焊接加固方管钢柱受力性能研究

刘红波, 孙沛钊, 陈志华, 张士硕

建筑结构学报. 2023, 44(08): 149-158. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0253

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为研究高负载下焊接加固方管钢柱中钢柱与角钢截面之间的协同工作性能,对4个Q235方管柱轴压构件进行了高初始应力比下的焊接加固试验,并用重复加载的方式模拟实际工程中的荷载变化。试验中测量了方管钢柱与角钢的应变及位移变化过程,采用间接-热结构耦合有限元方法对焊接加固过程进行分析,并使用弹塑性力学的方法对焊接加固后方管钢柱与角钢截面的应力变化进行理论分析。结果表明:对于材料强度控制的轴压方管钢柱,重复加载过程基本不影响其承载力;焊接加固后,随着荷载的重复变化,方管钢柱与角钢之间协同工作性能良好,方管钢柱是否达到塑性工作状态与加载历史有关,在高初始应力比0.8和0.9下进行焊接加固可行。

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圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土长柱偏压受力性能研究

颜桂云, 王迪, 吴应雄, 郑永乾, 刘宪成

建筑结构学报. 2023, 44(08): 159-169. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0201

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为研究圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土长柱在偏压荷载作用下的受力性能,以砖骨料取代率、长细比和偏心率为主要参数,设计了10根圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土长柱并进行偏心受压试验,分析柱的失效模态、荷载-位移关系、荷载-应变关系、侧向变形、延性等;采用数值模拟开展偏压荷载作用下圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土长柱的受力全过程分析,对压弯相关曲线进行参数化分析,提出一种简化的偏心受压承载力计算方法。研究表明:圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土偏压长柱的破坏过程和破坏模态与普通钢管混凝土偏压长柱相似;长柱具有较高的承载力,且其承载力随着砖骨料取代率、偏心率和长细比的增加而降低,其中偏心率对承载力的影响最大;相比无砖骨料取代的长柱,当砖骨料取代率为100%时,长柱承载力下降7.91%,当砖骨料取代率在70%以内时,承载力仅下降1.76%,说明砖骨料取代率对长柱承载力的影响较小。利用所提承载力计算方法得到的计算结果与试验结果相差小于10%,说明该方法可较准确地预测圆钢管地聚物砖骨料再生混凝土长柱的偏压承载力。

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氯盐侵蚀作用后钢-BFRP复合筋混凝土梁受弯性能

葛文杰, 张素康, 张志文, ASHRAF Ashour, GUAN Zhongwei, 孙传智, 曹大富

建筑结构学报. 2023, 44(08): 170-184. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.B037

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为研究氯盐侵蚀对钢-玄武岩纤维复合筋(steel-basalt FRP composite bar,B-SFCB)混凝土梁受弯性能的影响,对经氯化钠溶液侵蚀作用后4种不同筋材(钢筋、BFRP筋和2种不同B-SFCBs)受拉性能和5组混凝土梁(钢筋和BFRP筋混凝土梁各1组、B-SFCB混凝土梁3组)受弯性能进行试验研究。分析应力水平和侵蚀时间对B-SFCB受拉性能及B-SFCB混凝土梁受弯承载力、变形、裂缝和破坏形态的影响。结果表明:各筋材抗拉强度随侵蚀时间增加而逐渐下降,无应力侵蚀180 d后,钢筋、B-SFCB和BFRP筋抗拉强度最大分别下降了12%、10%和4%;应力与氯盐侵蚀耦合作用后B-SFCB与BFRP筋的抗拉强度保留率低于无应力侵蚀筋材的;B-SFCB屈服后,混凝土梁仍具有稳定的抗弯刚度,其屈服荷载随筋材截面含钢率的提高而增大;侵蚀时间对无应力侵蚀混凝土梁荷载-挠度曲线影响较小,但对应力与侵蚀耦合作用梁荷载-挠度曲线影响较大,且随侵蚀时间增加而明显;荷载-裂缝宽度曲线变化趋势与荷载-挠度曲线基本一致。基于简化的材料本构模型和基本假定,定义了B-SFCB混凝土梁正截面受弯3种破坏形态并给出了其判别方法,建立了承载力简化计算式。借鉴美国ACI 440和中国GB 50010—2010规范,建立了B-SFCB混凝土梁刚度和裂缝宽度计算式,承载力、变形和裂缝宽度计算值与实测值吻合良好,可供工程设计参考。

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开孔铝合金板受剪性能研究

郭小农, 计丽艳, 刘俊, 罗金辉, 欧阳辉

建筑结构学报. 2023, 44(08): 185-195. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0026

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为满足建筑采光通风等功能需求或建筑造型需求,开孔铝合金板逐渐在屋面板及墙面板中得到应用。而铝合金面板作为围护结构可以在平面内提供一定的受剪强度,且与主体结构可靠连接后可提高结构的整体性能。为研究开孔铝合金板的受剪性能,以某实际铝合金网壳为原型,进行了两个开孔铝板受剪性能的足尺试验,试件均发生局部屈曲破坏。采用ABAQUS有限元软件建立四边简支板模型,进行参数分析,研究开孔铝板的宽厚比、长宽比和开孔率对板件受剪性能的影响。结果表明:开孔铝板的受剪承载力随着板件宽厚比的增加而降低,随着板件长宽比的增加而降低,随着板件开孔率的增加而降低。同时,根据数值分析结果,拟合得到适用于开孔率在0~0.5的开孔铝板受剪承载力的计算式,并将拟合计算式、数值分析及试验结果进行对比,验证了拟合计算式的准确性。

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6061-T6铝合金力学性能试验研究

尹亮, 倪照鹏, 范峰, 叶继红

建筑结构学报. 2023, 44(08): 196-206. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0049

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完善铝合金网壳耐火评价方法需要材性数据支撑,为此,对6061-T6铝材进行了常温及高温拉伸试验、高温蠕变试验研究,提出了高温材性(弹性模量、规定塑性延伸强度、抗拉强度)三段式折减系数模型、承载能力极限状态本构模型和蠕变第Ⅱ阶段速率模型。研究结果表明:板式节点的圆盘盖板与H形截面铝梁存在常温材料强度差异;当温度超过300 ℃时,6061-T6铝材屈强比接近于1.0;而在175 ℃以上时,需开始考虑热暴露时长增加对材料强度劣化的影响;断裂临界应力比随温度升高线性降低;当温度超过250 ℃时,热暴露时长对同应力比水平下蠕变断裂时间有显著影响。建议相关设计标准对高温材性试验的保温时间进行完善。

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丝材电弧增材制造技术制备316L不锈钢的力学性能

赵阳, 范若兰, 刘玉锋, 王震

建筑结构学报. 2023, 44(08): 207-216. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.B087

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丝材电弧增材制造(WAAM)技术具有沉积效率高、制造周期短、成本低以及尺寸限制小等优点,适用于结构工程领域大型金属构件的制造。针对316L奥氏体不锈钢材料,采用冷金属过渡电弧增材制造工艺(CMT-WAAM)制作了3种打印方向、2种打印厚度和3种取样方向的12组共36个试样。通过拉伸试验和统计分析,研究了材料的应力-应变曲线、主要力学性能指标及各向异性,并与已有文献的试验结果及相关标准中的数据进行了对比分析。进而通过扫描试验和金相分析,分析了材料断口形貌特征、金相显微组织及生成机理。结果表明:不同打印方向的沉积板沿纵向、横向和对角线等3个方向的力学性能有所差异,水平长边和竖直长边打印的沉积板均表现出显著的各向异性,而竖直短边打印的沉积板各向异性并不明显;随着打印厚度的增大,竖直短边打印的沉积板的各向异性趋于明显,但其力学性能基本都满足规范相关要求;断口表面存在大量均匀分布的等轴韧窝,断裂方式为韧性断裂;当产生位错滑移时,沉积板不同方向的晶界阻碍程度差异会引起其力学性能的各向异性。

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Q690D高强钢疲劳裂纹扩展速率试验研究

宗亮, 郭世超, 廖小伟, 王学刚, 阳华杰

建筑结构学报. 2023, 44(08): 217-224. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0352

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为研究Q690D高强度钢材的疲劳裂纹扩展性能,在3种不同应力比(0.1、0.2和0.5)条件下进行10 mm厚紧凑拉伸试样的疲劳裂纹扩展速率试验,基于单试件数据点处理和成组数据点处理分别获得其Paris参数m和C。试验结果表明:成组数据点处理得到的疲劳裂纹扩展速率低于单试件数据点处理的结果,采用单试件数据点处理法获得的Paris参数偏于安全;裂纹稳定扩展区的宏观断口较平整,微观断口可以观察到疲劳辉纹、二次裂纹和解理台阶,呈现出一定的脆性特征;随着应力比增大,裂纹扩展速率呈增大趋势;相较于已有研究中的690 MPa高强钢和常用结构钢的疲劳裂纹扩展速率参数测试结果,本批次Q690D调质钢表现出较优的抵抗疲劳裂纹扩展的能力,且优于BS 7910中普通钢材的疲劳裂纹扩展性能。

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7A04铝合金高周疲劳性能研究

宗亮, 刘衡, 陈颖, 王中兴

建筑结构学报. 2023, 44(08): 225-233. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2023.0262

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为研究建筑用7A04超高强铝合金的高周疲劳性能,通过标准单调拉伸试验得到其基本力学性能,并开展了29个试件的高周疲劳性能试验研究。结合试验结果,对7A04铝合金在应力比为0.1下的疲劳S-N曲线进行拟合,对其疲劳断口形貌展开观察,并对基于连续损伤力学的高周疲劳损伤演化模型参数进行标定。结果表明:7A04铝合金高周疲劳断口包括疲劳源区、裂纹扩展区、瞬断区三个典型区域; 建立了置信度50%和95%的S-N拟合曲线可较好地描述7A04铝合金疲劳性能;拟合得到了其置信度95%、失效概率5%下的下极限曲线。其疲劳强度高于6061、6005两种典型建筑用铝合金而低于同强度钢材Q460,符合规范中对7XXX系铝合金疲劳性能的要求。

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管板焊接节点多轴疲劳性能及寿命预测方法

韩庆华, 李洋, 芦燕, 王培鹏

建筑结构学报. 2023, 44(08): 234-245. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.B103

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管板焊接节点易处于弯剪扭复杂受力状态,为研究其疲劳失效受多轴疲劳机理,开展了以管轴力控制的Q235B管板焊接节点多轴疲劳试验,考虑轴向与切向应力分量相位差、切向与轴向应力幅值比和加载波形等多轴加载路径因素的影响,获得焊接节点多轴循环受力响应、疲劳裂纹宏观形貌及多轴疲劳性能。研究发现:疲劳加载过程中节点经历稳定循环、刚度退化及断裂失效等三个阶段,对于存在非比例强化的节点在稳定加载时会出现循环软化现象;在刚度退化阶段,轴向刚度与扭转刚度不同步退化;反映非比例强化效应的路径因子越大,疲劳断面的粗糙程度越高;多轴比例加载路径下的节点疲劳寿命大于非比例加载路径下的;非比例加载路径中,圆形加载路径下的节点疲劳寿命最小。采用现有的临界面模型和考虑应变加权的临界面模型计算了管板焊接节点多轴疲劳寿命并进行对比。结果显示,考虑应变加权的临界面模型疲劳寿命预测精度最高,在1.5倍、2倍和2.5倍误差带内预测数据占总数据的比例分别为64.3%、88.1%和100%。

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基于Grasshopper平台的铝合金板式节点网壳深化设计系统及其关键算法

李政宁, 郭小农, 欧阳辉, 曾强

建筑结构学报. 2023, 44(08): 246-254. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0018

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为提升铝合金板式节点网壳深化放样的效率,建立了用于描述铝合金板式节点网壳结构中网格划分、杆端构造、杆件形状、节点板形状的数据结构,提出了网壳关键几何参数、节点板形状参数和杆件形状参数的关键算法。该算法适用强,可用于常规曲率变化平缓的自由曲面网壳。采用该算法开发了基于Rhino与Grasshopper平台的铝合金板式节点网壳深化设计系统,该系统可根据铝合金网壳结构的杆件轴线、杆件截面信息、杆端构造等输入数据,计算得到杆件及节点板的尺寸参数,具有极高的运行效率,可快速生成结构所有零部件的加工图和三维实体模型。通过设计算例展示了该系统的工作流程和模型效果,并使用该系统进行典型工程算例设计。与传统的网壳深化设计方法相比,该系统可显著提升板式节点网壳深化设计的效率。

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2023年, 第44卷, 第08期　刊出日期：2023-08-05

建筑结构学报

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