ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
以通用有限元软件MSC.MARC (2005r2)为平台，建立了纤维梁单元和分层壳单元的混合有限元模型，用于完全剪力连接多高层钢-混凝土组合框架在竖向荷载和单调水平荷载作用下的整体弹塑性分析，并得到试验和算例验证。给出了钢梁、钢柱以及混凝土楼板的有限元建模方法以及相关参数的取值建议，并就楼板和钢梁的协同工作以及半刚性梁柱节点在模型中的实现展开讨论。算例表明：节点半刚性和楼板的空间作用是影响结构性能的关键因素，而已有的相关模型并未同时解决这一问题。建议的模型忽略了钢梁与混凝土楼板之间的滑移效应，算例表明滑移效应对结构体系的整体计算结果影响不大，但能有效简化建模，提高计算效率。图23表2参31
通过对4个足尺比例冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖的受弯承载力进行单调静载试验研究，分析了压型钢板与冷弯薄壁型钢梁连接的螺钉间距和楼盖梁数量改变对组合楼盖极限承载力的影响及破坏机理。研究表明：在正常使用阶段，组合楼盖具有较高的承载力和较小的变形；减小螺钉间距和增加楼盖梁数量均能够提高组合楼盖的极限承载力。破坏模式主要表现为楼盖梁发生弯扭屈曲的同时，受压区翼缘、卷边及毗邻腹板出现相关屈曲破坏，屈曲波长为相邻螺钉间距；支座附近混凝土与压型钢板为脱离、掀起破坏；集中荷载作用点处楼盖梁为折曲破坏。采用考虑材料、几何和接触非线性ANSYS有限元程序对试验模型的受力性能进行了模拟，非线性有限元计算结果与试验结果吻合较好。在试验研究和有限元分析基础上，提出了组合楼盖的简化计算模型和理论计算方法。图14表8参9
内置H型钢预应力混凝土连续组合梁综合了型钢混凝土梁和预应力梁的优点。为研究内置H型钢预应力混凝土连续组合梁的受力性能及弯矩重分布规律，完成了3根两跨内置H型钢预应力混凝土连续组合梁试验，并进行了非线性分析。研究结果表明：内置H型钢预应力混凝土连续组合梁荷载-跨中变形关系曲线近似呈二折线；以达到承载能力极限状态时支座控制截面弹性弯矩计算值与内置H型钢实际承担的弯矩之差为调幅对象，弯矩调幅幅度受含钢率影响不大，随型钢高度与梁截面高度比值增大而增大；连续组合梁中支座两侧等效塑性铰区长度不大于0.64倍梁有效高度，且随预应力度增大而减小；当相对塑性转角不大于0.817×10-5时，弯矩调幅系数随相对塑性转角增大而增大，且不大于0.44。为内置H型钢预应力混凝土连续组合梁设计提供了参考。图10表11参10
为了研究收缩和徐变应变对长期荷载作用下钢-混凝土组合梁弯曲变形以及界面剪力和相对滑移的影响，提出状态空间法求解得到任意截面处界面剪力和界面滑移沿轴向分布的解析解。对比均布荷载作用下简支梁的计算结果与文献中的解析解，验证所提方法的有效性。着重考察了收缩和徐变效应对均布和集中荷载作用下简支梁界面剪力和界面滑移的影响，并研究了剪力连接键滑移刚度的变化对组合梁挠度的影响。结果表明：剪力连接键滑移刚度越大，挠度随收缩徐变累积的相对增加量越大；界面剪力和界面滑移随加载时间逐渐减小。同时给出了合理抗滑移刚度的建议值。图9参18
为研究约束边缘构件内配置圆钢管的钢管混凝土剪力墙的抗震性能、探讨钢管混凝土剪力墙的轴压比限值及其约束边缘构件的配箍要求，完成了6个剪跨比大于2.0的高轴压比钢管混凝土剪力墙试件和1个钢筋混凝土剪力墙试件的拟静力试验。试验结果表明：剪力墙的破坏形态为压弯破坏及底部混凝土压溃而丧失竖向承载能力；钢管混凝土剪力墙的开裂水平力、名义屈服水平力、正截面受弯承载力和变形能力均比相同参数的钢筋混凝土剪力墙大；配置双钢管剪力墙的变形能力大于配置单钢管的剪力墙，约束边缘构件为端柱的剪力墙的变形能力大于约束边缘构件为暗柱的剪力墙；正截面受弯承载力试验值大于计算值。根据试验结果，提出了钢管混凝土剪力墙的设计建议。图9表7参13
进行了3个剪跨比为1.5的方钢管约束型钢混凝土短柱和1个相同用钢量的型钢混凝土对比试件的拟静力试验研究，试件的主要变化参数为轴压比(0.3，0.4和0.5)。试验结果表明：轴压比为0.3的方钢管约束型钢混凝土柱的破坏模式为弯曲破坏，而轴压比为0.4和0.5的方钢管约束型钢混凝土柱的破坏模式为剪切破坏和粘结破坏相结合。相同用钢量条件下，方钢管约束型钢混凝土短柱的受剪承载力、延性、层间变形能力和耗能性能明显优于型钢混凝土柱。随轴压比的增加，方钢管约束型钢混凝土短柱的受剪承载力提高，但延性和极限变形能力降低。对钢管的弹塑性应力分析结果表明：水平荷载施加过程中，发生弯曲破坏试件的钢管不屈服，而发生剪切破坏试件的钢管在下降段屈服。图8表2参13
进行了3个剪跨比为1.5的圆钢管约束钢筋混凝土短柱和1个钢筋混凝土对比试件的拟静力试验研究，试验中的主要参数为轴压比(0.35，0.45和0.55)。试验结果表明：钢筋混凝土短柱的破坏模式为剪切破坏，延性和变形能力很差；圆钢管约束钢筋混凝土短柱的破坏模式为弯曲破坏，延性和变形能力优越。外包钢管对核心混凝土的约束作用限制了核心混凝土的受剪开裂，改变了钢筋混凝土短柱的破坏模式，显著提高了钢筋混凝土短柱的受剪承载力、延性、变形能力和耗能性能。随轴压比的提高，圆钢管约束钢筋混凝土短柱的水平承载力提高，延性系数降低，但轴压比对圆钢管约束钢筋混凝土短柱的极限变形能力无明显影响。对钢管的弹塑性应力分析结果表明：水平荷载施加过程中，钢管并未受剪屈服。根据试验结果建立了圆钢管约束钢筋混凝土短柱的荷载-位移恢复力模型，提出了设计建议，可为工程实践提供参考。图10表2参12
进行了10个方钢管-钢骨高强混凝土单向偏压柱的试验研究，研究其破坏形态及工作机理，分析在不同长细比、偏心率、配骨指标及不同加载方向条件下偏压柱的力学性能。结果表明：在试验参数范围内，偏压柱的承载力随长细比的增加缓慢下降，初始刚度迅速减小；偏心率的增长导致承载力降低，初始刚度减小；配骨指标的增加使构件的承载力逐渐增长；强、弱轴两个加载方向对承载力及初始刚度的影响不明显。利用纤维模型法编制了偏压柱非线性分析程序，计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上，通过计算分析了主要参数对承载力的影响。最后，通过对大量计算结果的回归，得出了实用的偏压承载力计算公式，计算结果与试验结果吻合较好。图12表2参8
在分析各种异形钢管混凝土柱工程应用的基础上，提出组合T形截面钢管混凝土柱。考虑长细比、偏心距等参数的影响，设计制作18个组合T形钢管混凝土柱试件。通过偏心受压试验，对长细比16.0<λ≤28.8的组合T形钢管混凝土柱压弯性能进行研究，考察试件的破坏形态，实测试件的荷载-应变曲线和荷载-柱中挠度曲线，分析各参数对试件偏心受压力学性能的影响。通过试验数据回归分析，参考国内外相关规范，提出组合T形截面钢管混凝土柱偏心受压承载力计算公式。试验结果表明：偏心受压柱均为弯曲失稳破坏，长细比越大，弯曲破坏特征越明显；偏心距越大，试件极限承载力越低。研究表明，组合T形钢管混凝土柱的两个组成部分能很好地协同工作，力学性能较好；所提出的承载力计算公式可供工程设计参考。图10表3参8
振动台试验是研究结构抗震性能的重要方法。以单跨六层钢筋混凝土框架结构为例，对满足一致相似律的不同配重模型分别按构件等面积配筋率和按构件承载力相似原则进行配筋设计的缩尺模型与原型，采用有限元软件SAP2000和MSC.MARC分别进行了Pushover分析和弹塑性时程分析。分析结果表明：模型钢筋与原型钢筋性能相同（不完全满足相似关系）而模型混凝土性能满足相似关系要求时，按构件等面积配筋率配筋的缩尺模型不能正确反映原型的地震响应，高估原型的抗震能力；按构件承载力相似原则进行配筋设计能够较好地解决这一问题；当构件配筋率较高时，配重不足因素的影响小。针对按构件承载力相似原则配筋设计的方法，提出按模型钢筋弹性模量比修正杆件面积配筋率的改进建议。图8表11参18
为了确定钢结构柱脚抗剪键的抗剪承载力，分别以混凝土应变达到应力峰值应变和极限应变为抗剪屈服承载力和极限承载力的两种极限状态，选取混凝土应力-应变关系接近实际受力情况的非线性弹塑性模型，建立了考虑抗剪键剪切变形的Timoshenko梁平衡微分方程，采用Galerkin法求得抗剪键的变形曲线，进而推导了两种抗剪承载力的理论计算公式，提出了确定抗剪键埋深和截面规格的方法。研究表明：抗剪键的抗剪承载力和理论埋深取决于其材料截面特性及基础混凝土强度。研究同时表明，抗剪键埋深范围内混凝土压力方向不改变，对柱脚底板产生附加弯矩。采用有限元方法对比分析，算例结果验证了理论计算公式的正确性。图7表1参13
分别以天然地基筏板和4组变刚度桩筏基础模型对比试验为基础，分析基桩平面布置、几何尺寸与基础沉降的关系，从而为桩筏基础变刚度调平概念设计提供试验依据。试验研究表明：与上部结构共同作用的桩筏基础，总体上其沉降分布表现为中心区域沉降较大而边角位置沉降较小；筏下均匀布桩较之天然地基，基础沉降量的最大值大约减少70%；基础中心区域桩长增加1倍或者桩数增加1／3，沉降量的最大值约减少50%；上部结构与核心筒下局部加大基桩几何尺寸和适当增加桩数能够有效地减少沉降量的最大值以及沉降差，从而达到调平的效果；筏下布桩有助于减少基础周边的地表沉降，可使其影响局限于1／4基础宽度范围之内。图11表3参12
以新广州站索拱结构屋盖体系为对象，对大跨度空间结构的连续倒塌分析方法进行了研究。利用基于概念判断的敏感性分析方法分析了单榀索拱结构的重要构件。对整体结构的重要构件及其几何位置分布、整体结构中空间作用的分布情况进行了讨论。采用变换荷载路径法（AP法）对该屋盖结构的抗连续倒塌性能进行了评估，并对比了AP法中线性动力计算和静力计算的结果。分析结果表明：静力计算结果偏于保守，而对于含有预应力拉索的结构体系，应考虑构件意外失效前整体结构的初始状态。新广州站屋盖结构体系具有较好的抗连续倒塌性能，该工程采用的新型空间索拱结构及巨型桁架是提高该结构体系抗连续倒塌能力的有效措施。索拱中采用的双索设置增加了正常使用情况下换索的可行性。图8表3参15
新广州站站房屋盖采用一种新型预应力索拱-内凹式索拱结构，为了解该种结构的张拉成形过程、典型荷载工况下结构性能和结构极限承载力及破坏位置，分张拉成形、4种荷载工况的加载及2种典型荷载工况的极限加载3个阶段，对2榀内凹式索拱的1/3缩尺模型进行了静力试验，并将试验结果与有限元结果进行对比，有限元结果和试验值吻合较好。研究结果表明：张拉成形后索力和位形基本达到目标，确立的张拉原则可行，给出了快速确定初始张拉力的计算公式；设计工况下结构处于线弹性阶段，满跨分布荷载时主拱全截面受压，以受轴压力为主，而半跨分布荷载时以受弯为主，弯曲应力在主拱应力中的比重较大；半跨分布荷载对结构整体稳定最不利，其极限承载力较满跨分布荷载降低较大，前者在主拱弯矩最大的位置破坏，而后者在轴压力最大的拱脚附近破坏；索夹的连接形式及支座的抗推刚度对结构的承载能力影响很大。图13表4参10
上海环球金融中心是世界上最高的建筑之一，施工过程中结构竖向变形累积问题尤为突出，有必要对其进行研究。建立了适于结构施工模拟的精细化有限元模型，综合时变结构离散分析法与龄期调整有效模量法，实现了超高层结构施工全过程分析；将整个结构按照施工过程划分成一系列材料参数、几何参数、荷载边界条件不同的平衡体系；通过对各平衡体系的有限元求解，实现了考虑徐变效应的施工全过程模拟，获得结构各施工阶段的竖向变形、层间压缩量以及框筒内外相对竖向变形，分析了施工过程中上海环球金融中心竖向变形。将模拟结果与一次性加载和不考虑徐变的施工模拟结果对比表明：上海环球金融中心变形计算应考虑施工过程和徐变效应的影响；计算结果与实测结果吻合较好，证明了建议方法的可行性。图12表3参12
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