ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
针对国家重大科学工程500m口径球面射电望远镜（FAST）主动反射面的工作特点，提出了整体索网与背架结构共同支承反射面的结构方案，对四边形及多种三角形球面索网网格划分方式进行分析和比较，确定了短程线型网格为优选划分方式；以反射面拟合精度及系统控制最易为综合目标，确定了球面索网的网格尺寸及背架结构最优半径等；对单根控制下拉索和3根控制下拉索两种方案从主动反射面的变位功能、索网结构的力学性能等方面进行了详细对比，确定了采用下端设置促动器的单根控制下拉索，实现反射面基准态的成型和工作态的变位。
背架结构是500m口径球面射电望远镜（FAST）反射面支承结构的重要组成部分，其成型精度、自重大小及加工难易程度对FAST工作性能、项目造价及建设工期有较大影响。通过对多种背架结构形式进行细致的分析及优化，得到各自最优的结构参数及构造形式，并选取其中两种（单层结构、单层弦支结构）进行单元足尺模型试验，通过试验考察背架实际加工效果及性能。试验结果表明：普通钢结构加工工艺无法满足FAST较高的成型精度要求，需采取加设檩条调节层的构造措施；实际模型工作精度及构件应力水平与有限元模型分析结果吻合，满足功能要求；综合比较两模型的制作安装过程及工作性能，认为单层背架具有结构简单、易于制作、结构精度易于控制等优点，为两试验模型中的较优者。
研究分析了500m口径射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，简称FAST）反射面索网支承结构的疲劳性能。模拟FAST主动变位工作模式（长时巡天观测和随机独立观测），计算30年设计基准期内连续工作运行的次数需求，分析FAST索网支承结构变位工作的随机疲劳应力历程，并基于简单抽样技术，对全寿命疲劳应力历程进行简化，采用实时雨流计数法进行分解；基于S-N试验曲线和Smith等效疲劳寿命极限应力线图，采用Miner线性损伤累积准则分析各索的疲劳寿命。以所有单索疲劳寿命的最小值作为整体结构疲劳寿命，多次模拟计算，统计分析保证率为99.9%的结构疲劳寿命，并合理选取安全系数2.0考虑疲劳寿命变异性影响。分析结果表明，在设计基准期内，结构疲劳寿命满足安全要求，结构疲劳危险区域主要分布在索网中心区域。
研究了世界最大单口径射电望远镜FAST支承结构健康监测系统的安全预警功能。结合监测内容和预警分级原则制订了预警设置的总体框架，根据设计规范和环境荷载记录资料设置环境荷载预警参数，以构件安全和望远镜工作精度为控制目标，确定结构响应预警参数设置依据，提出单点张拉法对节点位移预警参数进行研究，运用LABVIEW平台开发了FAST支承结构健康监测安全预警系统，实现了预警参数嵌入及可视化控制的目标。最终在直径30m的FAST模型索网变位试验中的成功应用表明，该安全预警系统实现了FAST支承结构健康监测在线预警功能，可为将来FAST支承结构建造和正常运行提供重要保障。
通过对伸臂位于顶部及中部任意高度的巨型结构进行整体稳定性分析，提出了双伸臂巨型结构中伸臂和边框架柱相互作用的独立弹簧和关联弹簧模型。推导了双伸臂巨型结构整体失稳的临界方程，通过具体算例的分析得出：双伸臂巨型结构失稳时，伸臂巨型结构层总的临界轴力与轴力在核心筒与伸臂端的边框架柱之间分布基本无关。分析还表明，伸臂结构失稳时伸臂巨型结构层之间存在较大的相互作用。将基于整体以及层的荷载负刚度理论运用到伸臂巨型结构中进行分析，研究伸臂巨型结构与普通框架结构失稳性质的异同，揭示了伸臂巨型结构在本质上更加接近于框架结构而非整体弯曲型结构。
提出了一种新型悬挂结构体系——半刚性悬挂结构体系。该结构体系在悬挂楼段与转换层之间设置半刚性层，其间设置减振阻尼装置。通过时域内输入El Centro波、Taft波以及人工波，验证了该体系具有良好的动力响应特性。根据随机振动理论，在复数域内推导了体系的随机振动响应表达式；以主体核筒结构顶点位移和半刚性层的层间位移为目标函数，编制了MATLAB计算程序，对体系中影响结构动力响应的阻尼器的刚度和阻尼、悬挂质量比及半刚性连接的转动刚度等进行参数分析。计算结果表明：该体系能够有效减小地震动力响应，半刚性层的层间位移较大，主体结构顶点位移和悬挂楼层的层间位移较小；对于文中给出的结构算例存在最优参数组合：阻尼器刚度和阻尼分别为1×107/N/m和1×107N•s/m，悬挂质量比取3.0，半刚性连接转动刚度为3.14×104N•m/rad；当半刚性悬挂结构的参数取得最优组合时，主体结构动力响应和半刚性层层间位移均可得到较好的控制，结构的减振避震性能明显提高。
为了对高层钢筋混凝土框架核心筒结构的抗震安全性能做出评价，在太平洋地震工程研究中心（PEER）基于性能抗震设计方法的基础上，采用我国地震危险性分析的研究成果，利用三维非线性分析程序CANNY建立地震反应分析模型，确定地震波样本选择方法，引入相对谱值调整系数，对结构的安全性能进行预测，由此给出了适合于我国规范的结构抗震安全评价方法。利用此方法对一钢筋混凝土框架核心筒结构进行了分析，对算例的抗震安全性能指标和位移特性做出预测，分析结果表明，此方法可行，可以用于单体结构的抗震安全评价中，当进行某类结构的抗震安全评价时尚需考虑分析模型和结构设计的不确定性。
在考虑节点半刚性性质的基础上，利用有侧移三层柱的框架模型推导有侧移半刚性连接钢框架中柱的计算长度系数方程，并将这一方法引入无支撑扣件式模板支架稳定承载力计算中，将模板支架的整体稳定简化成立杆的稳定，进而得到无支撑扣件式模板支架的理论稳定承载力。利用ANSYS软件，考虑直角扣件的半刚性性质，建立了6组不同搭设情况下无支撑扣件式模板支架的有限元模型，对其稳定承载力及失稳情况进行分析。对照有限元模型的搭设情况，对模板支架进行试验研究，得到相应的稳定承载力，试验结果与有限元结果基本吻合。将理论计算结果与试验及有限元分析结果进行对比可知，在其他搭设参数相同的情况下，模板支架的整体稳定承载力随步距、立杆间距的减少而提高，而且理论计算结果更加偏于安全，进一步说明有侧移半刚性连接框架理论在无支撑扣件式模板支架稳定承载力计算中的可行性及适用性，并可以考虑将此理论应用到规范中，为今后对扣件式模板支架稳定承载力的进一步分析及研究提供理论参考。
针对已震损的钢筋混凝土框架节点加固后的抗震性能，进行了8个带楼板的三维框架节点的预震损、加固和低周反复荷载破坏试验。试验研究了玄武岩纤维和外包钢套两种加固方法，不同的预震损程度，灌缝等因素对加固效果的影响。对加固节点的滞回曲线、骨架曲线、延性系数、承载力及刚度退化等参数的分析可知：玄武岩纤维加固提高节点的承载力作用有限，但提高抗震性能效果明显；外包钢套法在提高节点承载力、刚度及抗震性能各方面均有显著的效果。加固后节点由“弱柱强梁”转变成了“强柱弱梁”的破坏形式。试验表明，通过加固，节点恢复并超过了受损前的抗震性能，说明此类加固方法是合理、有效的。
钢筋混凝土框架结构中通常柱混凝土强度高于梁的混凝土强度，当节点与梁用较低强度混凝土同时浇筑时，便形成钢筋混凝土框架夹心节点。通过11个钢筋混凝土框架夹心节点（包括平面中节点2个，平面端节点2个，改进型平面节点4个，空间中节点、空间端节点、空间角节点各1个）及3个用于对比分析的传统空间节点（空间中节点、空间端节点、空间角节点各1个）的拟静力试验，结合之前完成的7个平面夹心节点试验及6组平面夹心节点与传统节点的抗震性能对比，对钢筋混凝土框架夹心节点的抗震性能进行研究，包括开裂损伤过程、失效模式、位移延性、变形性能、受压承载力、受剪承载力、滞回耗能、梁筋粘结锚固性能等。研究表明：虽然核心区混凝土强度降低对试件抗震性能有一定不利影响，但通常不会改变框架节点的破坏模式，满足剪压比、轴压比、梁柱混凝土强度比、核心区配筋量条件下的夹心节点，其抗震性能大多可以满足结构设计的需求，或采取加插短筋、增设斜筋等加强措施后可以满足。
进行了高轴压比下7根高强混凝土加芯柱的低周往复加载试验，阐述了其主要试验现象及破坏形态，对各试件的滞回性能、延性、承载力、强度及刚度退化、耗能性能等试验结果进行研究，并分析了其主要影响因素：核心区面积、纵筋配筋率和箍筋配箍率,对其抗震性能的影响规律。结果表明：通过在普通高强混凝土柱中部配置纵向钢筋及复合箍筋，所形成的加芯柱具有良好的滞回延性和稳定的后期强度，等效粘滞阻尼系数符合弯曲破坏混凝土柱0.1～0.2的范围。在设计轴压比高达0.85时极限位移角仍不小于1/50；核心区面积较大、核心纵筋配筋率高、箍筋间距小的柱承载力高、延性好；核心纵筋配筋率高、核心区面积小、箍筋间距小的柱耗能能力强；各试件在加载初期刚度退化较快，后期较慢。
连梁阻尼器属于平面内屈服型软钢阻尼器。通过对11个连梁阻尼器进行伪静力试验研究，结合试验现象及力-位移关系曲线对各型号连梁阻尼器的屈曲和破坏状况观察，判断其工作性态。采用数据拟合法对伪静力试验数据分析得到连梁阻尼器的双线性刚度、极限承载力和等效阻尼比的经验公式，为工程设计提供阻尼器的力学特性和本构关系。文中采用的研究思路为：提取试验结果，有限元模拟、调参，以调参后的有限元模型的解作为精确解，虚拟多种型号阻尼器，计算双线性刚度、极限承载力，回归经验公式，并确定阻尼器耗能能力评价标准。通过伪静力试验得出：双列孔连梁阻尼器的滞回性能良好，呈现整体屈曲；建议采用孔间柱长宽比α>2.5，两列孔的列间距与孔间距之比γ≥1.0，开孔率p∈［5%,20%］的双列孔连梁阻尼器。图19表5参9
采用拟动力试验方法，对连梁阻尼器进行地震模拟试验研究，模拟结构的真实地震响应。首先，选取简单的单片双肢剪力墙结构模型，每层附加一个连梁阻尼器，选取El Centro和Taft两条地震波，分别进行35gal、140gal、220gal和620gal拟动力试验，构成8种试验工况；随后将其等效成单质点附加阻尼器体系，单质点系作为数值子结构，附加的阻尼器作为试验子结构，进行拟动力子结构试验，同时进行数值仿真验证。对比数值模拟与试验结果得出：拟动力子结构试验可以真实模拟结构地震响应；地震波输入过程中，连梁阻尼器性能稳定，无局部屈曲，对结构的减震效果良好，地震动能量输入越大，阻尼器发挥的作用越大。图10表4参7
为研究空间钢构架混凝土简支深梁的静力性能，进行了4根空间钢构架混凝土深梁试件和作为对比试件的2根普通钢筋混凝土深梁在竖向对称集中荷载作用下的模型静载试验。试验参数为跨高比、配筋方式等。试验结果表明，与相同条件（除配筋方式外）的普通钢筋混凝土深梁相比，配置空间钢构架的混凝土深梁不仅刚度增大，而且其受剪承载力和变形能力也有较大幅度的提高，合理配置空间钢构架可改善混凝土深梁的延性。除配置水平和竖向分布钢筋外，沿主拉应力迹线方向配置斜向分布钢筋，或沿主压应力迹线方向设置斜向暗梁等措施可进一步提高空间钢构架混凝土深梁的受剪承载力。结合试验结果及其分析，给出了空间钢构架混凝土深梁的设计建议和构造要求，包括深梁内空间钢构架的配置范围、材料要求、混凝土保护层厚度、承重空间钢构架设计方法以及深梁内斜向分布钢筋、斜向暗梁的构造要求等。图13表4参10
组合深梁作为一种新型的耗能构件，可以实现宽范围的刚度渐变调幅。通过两片跨高比分别为2.0和1.0的组合深梁低周反复荷载试验,研究了其破坏过程和破坏机理，得到了深梁的滞回曲线、承载力及承载力退化系数、延性系数和能量耗散系数。研究结果表明：组合深梁随着跨高比从2.0减小到1.0，承载力增加了190%；采用混凝土板限制钢板的平面外屈曲，可以充分利用钢材的性能；钢-混凝土组合深梁是一种理想的水平抗侧力构件。图10表3参9
为系统研究混凝土多孔砖砌体结构的受力性能，并为编制CECS 257：2009《混凝土砖建筑技术规范》提供支持，对13片混凝土多孔砖墙体进行低周反复荷载试验，分析混凝土多孔砖墙体的破坏特征、承载能力、耗能能力及滞回特征等受力性能。试验结果表明：混凝土多孔砖墙体的破坏方式与普通砖墙体略有不同，主要表现为裂缝有可能产生在砖块内部，而不仅仅产生在砖块与砂浆的交界面上；墙体的承载力较高、耗能能力较好；竖向压应力对墙体的水平承载力影响较大；无构造柱墙体的水平承载力和耗能能力小于带构造柱墙体。基于试验结果，提出了地震作用下混凝土多孔砖墙体受剪承载力及变形能力的计算方法，并给出了混凝土多孔砖墙体的恢复力模型。图10表6参11
为了研究水平灰缝配筋对非烧结砌体干燥收缩的影响，在砌体干燥收缩和徐变的变形模型假设基础上，采用老化理论分析砌体徐变效应，得到水平灰缝配筋对砌体干燥收缩的影响系数。对3片配筋率分别为0％、0.105%和0.209%的混凝土空心砖砌体墙，在温度为20±5℃、相对湿度为40％±5%环境中进行为期300d的干燥收缩试验，试验结果与理论分析基本一致，表明考虑砌体徐变将减小水平灰缝配筋砌体截面拉应力和砌体干燥收缩，且配筋率越大砌体干燥收缩越小。图9参15
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