ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
天津津塔是我国首座采用钢板剪力墙的超高层建筑，也是目前已知规模最大的钢板剪力墙结构，其主要抗侧力体系为钢板剪力墙和钢管混凝土柱所构成的核心筒。为研究这种结构体系及其构造做法的实际受力性能，并为设计计算提供试验依据，完成了2个2跨5层1∶5缩尺比例的钢板剪力墙模型的低周往复加载试验。试件变化的主要参数包括钢板剪力墙与周边框架的连接方式以及钢板剪力墙的加劲构造措施。试验表明，钢板剪力墙结构具有较高的承载能力，稳定的滞回性能。未设置加劲肋的钢板剪力墙试件，在加载初期即发生平面外屈曲，其滞回曲线呈现一定的S形捏拢趋势；设置有4道竖向加劲肋的钢板剪力墙试件，在加载过程中未发生平面外屈曲，其滞回曲线呈饱满的纺锤形。此外，采用摩擦型高强螺栓连接的钢板剪力墙试件在加载过程中有较大噪声，可能影响结构的正常使用。
介绍6组共12个1∶4缩尺开缝钢板墙试件往复加载试验研究。试验结果表明，由于钢板中对角拉带作用的存在，开设双层竖缝钢板墙的性能比开设单层竖缝钢板墙的性能更好。根据试验结果并结合理论分析，建议考虑板带端部附加变形影响的开缝钢板墙抗侧刚度与受剪承载力计算公式。以北京长富宫饭店钢框架结构为背景，试设计了一填充开竖缝钢板墙的框架结构，基于结构弹性层间位移角满足要求与墙板屈服时侧移角不小于1/300的原则，介绍了布设开缝钢板墙的方法与结构抗震设计过程，通过对新设计结构与原结构弹塑性时程分析结果及用钢量的比较，表明设置开缝钢板墙不仅可以提高框架结构的抗侧刚度，改善整体结构的抗震性能，而且可以节省钢材，震损后易于更换，是改善框架结构抗震性能的一种有效方法。
为了进一步改善半刚接钢框架内填钢筋混凝土剪力墙结构（PSRCW）的抗震性能，将暗竖缝引入PSRCW结构的内填墙中，进行了1榀1∶3缩尺内填墙带暗竖缝PSRCW结构的低周反复荷载试验，研究了带暗竖缝PSRCW结构的破坏机理及滞回性能。试验结果表明：内填墙设置暗竖缝对PSRCW结构的初期刚度影响较小，峰值荷载过后承载力退化缓慢，结构延始性能得到显著改善。带暗竖缝的PSRCW结构通过合理设计可以实现控制结构小震或中震作用下的变形，提供较大的初始抗侧刚度，大震下提供良好的变形能力和耗散地震能量的双重功能。
针对因混凝土剪力墙设计方案选取不当引起的能力曲线在弹性阶段高于或低于需求曲线的情况，由混凝土剪力墙结构各性能水平的目标位移导出相应的目标周期，以结构弹性基本自振周期小于或等于目标周期确定墙肢的截面厚度，使混凝土剪力墙的能力曲线与需求曲线在弹性阶段基本重合，抗震能力基本等于抗震需求。同时，针对因结构设计承载力过高或过低而引起的能力曲线在弹塑性阶段高于或低于需求曲线的情况，对高性能混凝土剪力墙超强系数取值做了探讨，将结构各性能水平地震需求的最大值除以超强系数得到混凝土剪力墙的设计地震作用，并以此为依据进行承载力设计，确保混凝土剪力墙结构满足各性能水平的承载力需求。算例分析表明，该方法能够保证混凝土剪力墙结构满足各性能水平的承载力需求。
为了确定钢筋混凝土剪力墙构件在不同性能状态下的变形能力，根据基于性能的抗震设计理论，结合20世纪70年代以来国内学者在钢筋混凝土剪力墙延性方面的试验研究结果，对120片以受弯破坏为主的钢筋混凝土剪力墙试件在不同性能状态下的延性性能进行分析，同时结合国内外规范中的相关规定，分别推导和拟合出剪力墙试件在各性能目标下截面曲率和塑性位移角的计算公式。同时根据地震超越概率分布特点得出适合GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》（2008年版）的、轴压比为0≤n≤0.4的剪力墙在各性能目标下塑性位移角限值，并与美国相关规范中对应的目标位移限值进行比较和分析，为我国基于性能的钢筋混凝土剪力墙抗震设计提供相关参考。
对于模态频率密集分布的大跨楼盖，往往存在多个模态能够被人行荷载激发产生共振，目前对此类问题尚无完善的振动控制方法。以大跨楼盖为对象，采用调谐质量阻尼器（TMD），基于人行荷载幅值的频域分布，针对与楼盖各共振模态形状相关并能激发楼盖最不利振动的荷载激励条件，提出了采用有限数量TMD对楼盖多个振动模态进行综合控制的设计方法。以某大跨楼盖的多重调谐质量阻尼器（MTMD）减振设计为例，首先采用有限元方法模拟实际人行作用下的楼盖反应并检验振动控制的效果，然后对比了多模态优化方法和单模态优化方法设计的MTMD对频率不同疏密程度分布的楼盖振动模态进行减振控制的效率。结果表明，考虑多模态叠加设计MTMD能够对整个人行激励频带范围内的楼盖振动模态进行综合控制，实现了楼盖各个共振模态处响应峰值的一致性，对模态频率分布较密集楼盖的减振具有更好的适用性。另外，楼盖的不利振动不仅由低阶模态控制，人行激励下楼盖高阶模态共振同样产生非常不利的影响。
为研究带构造柱组合砖墙出平面偏心受压性能， 设计7个空间模型并对其进行静力加载试验。模型均由2片带构造柱组合砖墙及连接两片墙中部构造柱的加载梁和连接两端部构造柱的横向圈梁组成，在一定程度反映实际工程的空间作用。模型试验过程显示，随荷载增大逐步使梁跨中截面开裂、塑性铰出现、挠度剧增，迫使梁柱节点转动，以致构造柱连同墙体因偏心受压而开裂、屈服并出现塑性铰，圈梁扭矩裂缝与墙体斜裂缝贯通，组合墙显著外突而破坏。研究结果表明：上部结构的约束、轴压比的增大及偏心距的减小有利于柱、圈梁和砌体墙共同工作性能的发挥；沿墙长方向截面应力的传递和重分布十分明显，表现出构造柱与砖墙的较强协同工作能力；在梁、柱、墙和圈梁截面刚度、构造柱间距和材料强度等诸多因素中，梁刚度是控制模型极限承载力的主要因素。最后提出了关于带构造柱组合砖墙出平面偏心受压时的设计方法，即将组合墙简化为柱、将楼（屋）盖梁简化为横梁的组合框架模型进行内力分析和正截面承载力计算。该设计方法采用与现行砌体规范关于钢筋混凝土（或砂浆）面层的组合墙承载力计算公式相同的模式，但对计算单元与组合框架柱截面宽度、压区钢筋与砌体强度的取值方法等做了新的界定。本研究可为砌体结构设计规范的补充完善提供试验和理论依据。
对工程设计中的建筑模型、结构模型以及结构力学分析模型之间的关系和采用边界表达技术描述的结构构件的空间拓扑关系进行分析，提炼与结构分析相关的构件几何关系。针对基于三维的建筑模型到结构模型转换过程中信息失真问题，结合空间直线段与三角形面片相交的数学推论，提出一种判断三维构件之间相交关系的简化算法，并基于此简化算法分别对线性和面类构件之间的相交节点进行归类和优化处理，并对各类构件之间相交节点定义优先权的程序算法进行设计。通过程序对简化算法和节点优化方法进行实例应用，结果表明，该方法有助于建筑结构模型转换中对基本构件信息正确地提取和定位，对促进工程设计中的协同工作具有一定的参考价值。
计算机已成功应用于大型空间结构的分析、设计与施工图绘制，但如何利用计算机模拟人脑进行方案阶段的概念设计还面临巨大挑战。基于计算生(合)成理论和算法，构建了数值化的空间杆系结构概念设计方法。该方法通过结构形状语法的分类与定义、模拟退火优化算法的改进，可实现在三维空间内搜寻满足设计条件的“最优”结构设计方案。由于数值化概念设计方法在结构构型方面综合了结构拓扑构建、形状确定、截面尺寸选择等参数，在结构设计方面综合了建筑美观性、结构安全经济性、施工便捷性等要求，因而由此生成、设计并实现的空间杆系结构将在结构整体性能和整体造价上优于按传统设计方法或优化设计方法所得到的结构。荷兰阿姆斯特丹“数字华盖”和伦敦Paternoster Square日晷支架的设计与建造表明，该方法可成功应用于概念设计或传统或新颖的空间杆系结构。
在采用低碳素结构钢制作单角钢压杆时，肢件宽厚比限值不是需要关心的问题。现在高强度的Q420钢和Q460钢开始在输电塔架中应用，设计工作者不仅要关心宽厚比限值，还要了解超限杆的承载力应如何计算。单角钢压杆的受力情况分为轴压和偏压两类，它们对肢件宽厚比有不同的要求，但现有塔架设计的技术规定并未对此做出区分。根据理论分析和现有文献的试验结果，发现宽厚比限值对轴压单角钢和偏压单角钢有不同意义，分别是防止局部屈曲和防止整体失稳时抗扭性能过低。据此，分别提出两类杆件宽厚比限值和超限杆承载力的计算公式，计算了两批Q460单角钢压杆的承载力，与对应文献试验值符合较好。
为了研究冷弯薄壁卷边槽钢轴心受压构件的极限承载力，对15根轴心受压的冷弯薄壁卷边槽钢进行了破坏性试验，并采用有限元分析方法对试件进行模拟分析，有限元计算结果与试验结果吻合良好，验证了有限元方法的有效性，然后对典型截面构件进行大量的有限元参数分析。研究结果表明：冷弯薄壁卷边槽钢轴心受压构件的极限承载力随着构件翼缘宽厚比、腹板高厚比、长细比以及钢材强度的增大而减小。通过参数分析得到了考虑局部屈曲、整体屈曲和畸变屈曲影响的构件屈服强度折减系数，提出了冷弯薄壁卷边槽钢轴心受压构件承载力计算的折减强度法及其相应计算公式，且通过试验验证了本文折减强度法计算卷边槽钢轴心受压构件极限承载力的适用性。
在对粘滞流体阻尼墙力学特性及计算模型分析的基础上，研究其在高层建筑减震设计中的一些关键问题。以高烈度区江苏省宿迁市的一栋94.95m高的双塔建筑为工程背景，提出了阻尼墙减震体系的设防目标，并给出了减震分析的详细流程及阻尼墙的基本布置原则。通过对减震体系的非线性地震响应分析，优化了阻尼墙的初始布置方案，并在优化方案的基础上详细分析了减震体系的地震作用剪力、位移、能量耗散、加速度响应、附加阻尼比及构件进入塑性的先后顺序等问题，最后对减震体系的经济性进行了对比分析。分析表明：阻尼墙对高层建筑的抗震性能有很大的改善，相同数量阻尼墙的情况下，合理的配置方案能够提供更多的附加阻尼。研究为阻尼墙在高层建筑的减震设计中的应用提供了成功的工程案例，其设计思路可以为高层结构的减震提供有益的借鉴和参考。
等价线性化法是一种可借助振型分解反应谱法计算结构非线性地震峰值响应的实用方法，并且能够在设计中预设结构的损伤位置和损伤程度，是一种值得推广的、并可用于复杂结构性能化抗震设计的工程实用分析方法。在前人研究的基础上，通过迭代计算确定结构的损伤模式，并采用更合理的等价线性化模型，完善了等价线性化法的实施流程，并采用该方法分析了一个平面规则结构与一个空间不规则结构的非线性地震峰值响应。与动力弹塑性分析结果的比较表明，所建议的等价线性化法在预测结构整体和局部构件的非线性地震峰值响应方面均具有较好的精度，且具有计算效率高，适用性强等特点。
为考察近断层地震动向前方向性效应和滑冲效应引起的两种速度脉冲运动对高层钢框架结构地震反应的影响，选择具有向前方向性效应、滑冲效应和无速度脉冲的近断层地震动作为输入，利用SAP2000软件对一座20层平面钢框架进行非线性时程分析。计算结果表明，含滑冲效应和向前方向性效应的脉冲地震动主要激发结构基本振型反应，而无速度脉冲的地震动能够激起结构的高阶振型反应，而且，脉冲型地震动的结构破坏作用远强于无速度脉冲地震动。最后，引入了单自由度体系的能量耗散系数，从能量耗散和高阶振型影响的角度对钢结构动力反应计算结果和损伤破坏状态给出了合理解释。
常用的地震动功率谱模型及其人工地震动合成方法在功率谱大小量度、引入时域包线造成功率谱的改变、自相关函数随机噪声成分或功率谱随机波动成分的模拟等方面还存在一些不足。细化地震动的功率谱模型，详细论述平方和作为功率谱强度参数的合理性，提出包含随机波动成分的目标功率谱或包含随机噪声成分的目标自相关函数的数学模型及模拟方法，在目标功率谱中引入随机波动成分。给出了利用地震动功率谱数学模型的3个控制物理量（包含随机波动成分的归一化功率谱、平方和、时域包线函数）合成人工地震动的方法，使合成出的人工地震动时程在能量上严格符合平方和，在频域上严格符合归一化目标功率谱，在时域波形上近似符合目标包线函数，并通过算例演示了给出的人工地震动功率谱模型更加符合实际情况。研究表明平方和、归一化功率谱或归一化自相关函数和时域包线函数是地震动功率谱模型的3个重要物理统计量。
为了研究钉形搅拌桩复合地基的承载特性，通过现场复合地基荷载试验对比分析了钉形搅拌桩和常规搅拌桩复合地基的承载力与桩土应力比，以三维数值模拟分析了设计参数对钉形搅拌桩复合地基承载力的影响，并探讨了钉形搅拌桩复合地基承载力计算方法。现场试验结果表明：钉形搅拌桩在节省水泥用量和施工时间的同时，取得了比常规搅拌桩更高的复合地基承载力，显示出很好的加固效果和经济效益。数值模拟结果表明：钉形搅拌桩复合地基承载力随着扩大头高度增加或桩间距减小而增大，随扩大头直径或桩长先增大后不变，即从复合地基承载力角度存在最优扩大头直径和桩长。钉形搅拌桩单桩承载力包括了扩大头下部土体的贡献，故可以将钉形搅拌桩等效为直径为扩大头直径的常规截面搅拌桩，按照桩、土复合的方法进行复合地基承载力计算，计算实例表明该方法计算的钉形搅拌桩复合地基承载力与现场荷载试验的结果比较接近。
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