ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
宝安体育场车辐式张拉屋盖结构呈椭圆形马鞍面，索力分布不均匀。为制定一种索力控制精度高、对张拉设备要求低的张拉施工方法，进行了宝安体育场屋盖结构模型整体张拉试验及模拟分析，验证了 “定尺定长设计与张拉技术”能够准确获得设计初始态预应力。该方法对索材定长下料，在施工现场不调节索长，具有张拉过程简单，便于控制索力的优点。试验模拟了张拉径向索、顶升飞柱、张拉环索、隔榀张拉径向索4种张拉方案，结果表明：张拉过程中上径向索具有“张紧-松弛-张紧”的变化过程；上径向索松驰时，飞柱会出现倾斜的现象，倾斜角度可达0.1rad；4种张拉方案的操作难易程度有明显差异：张拉径向索方案所需的张拉力大，但是操作过程简单；顶升飞柱和张拉环索方案所需张拉力小，但需对结构节点和张拉设备做特殊设计；隔榀张拉径向索方案的工期最长。通过对上述4种张拉方案以及由张拉径向索方案演化出的3种分批张拉径向索方案的数值模拟分析和对比，为宝安体育场屋盖结构实际施工制定了张拉径向索的方案。
采用定尺定长设计与张拉技术进行施工时，确定拉索以及其他刚性构件的施工误差限值对工程建设和验收非常重要，但目前缺乏相应的统一标准。为此进行了宝安体育场屋盖结构施工误差敏感性试验，模拟了车辐式结构径向索、环索、飞柱的长度以及环梁位形的施工误差。研究结果表明：径向索、飞柱长度以及环梁径向位形误差对本榀索桁架预应力的影响约为相邻索桁架的2~3倍，对距离3榀以上的索桁架影响较小，将这3类构件定义为局部敏感性构件；环索误差对各处径向索预应力的影响较接近，定义环索为全局敏感性构件。在此基础上结合一次二阶矩可靠度指标，提出车辐式结构施工误差限值的控制方法。该方法首先将预应力变化量表达为施工误差值随机变量的线性函数，依据构件的敏感性分类确定线性函数的项数；然后由预应力变化量得到临界状态方程和一次二阶矩可靠度指标；最后由可靠度指标需要满足的范围得出每个施工误差值应满足的统计学限值。该方法得到的施工误差限值可以用于指导宝安体育场车辐式屋盖结构的施工和验收。
为研究柱脚刚接与柱脚铰接柱列支撑体系的不同受力性能和验证有限元方法分析该问题的可靠性，对带有不同初始几何缺陷分布的柱脚刚接与铰接柱列支撑体系进行了静力模型试验研究。研究结果表明：柱脚铰接柱列支撑体系的极限荷载和柱中水平撑杆内力均高于柱脚刚接柱列支撑体系,且前者较高的极限荷载更大幅度地增加了柱中水平撑杆内力；由于试验模型中柱和水平撑杆的初始几何缺陷的随机分布，柱中水平撑杆受压力或拉力的情况是随机的；柱列支撑体系的失稳破坏是由于单柱失稳破坏引发的。采用有限元模型对试验进行了模拟验证，计算结果与试验结果吻合良好。
为解决试验和实体模型有限元方法在研究高强度螺栓连接抗剪性能上的局限性，寻找一种简单准确的高强度螺栓连接抗剪性能的简化模型十分必要。采用通用有限元软件ABAQUS建立高强度螺栓连接的非线性有限元模型，对单元选取、螺栓受力行为、材料本构以及接触模型等方面进行详细说明；结合典型高强度螺栓抗剪试验，验证了所建立有限元模型的准确性和适用性，对高强度螺栓连接抗剪性能进行深入探讨。通过参数分析，确定了高强度螺栓连接抗剪简化模型的3个特征点，提出了此类螺栓抗剪简化模型以及循环荷载作用下的滞回模型。实例计算分析表明：建议的抗剪简化模型以及循环荷载作用下滞回模型能准确地模拟此种连接的受力性能，其构造形式简单，计算准确，为工程分析提供依据。
研究了一种具有自复位能力的钢框架节点的力学性能。该节点在梁柱间通过角钢栓接，并沿梁长布置高强预应力钢绞线。通过对钢绞线施加预应力将梁柱压紧，使节点具备足够的抗弯刚度以满足正常使用情况下的功能性要求，钢绞线同时提供回复力，使节点在地震后具有自复位能力。采用通用有限元分析软件Abaqus 6.9建立节点模型，对9个足尺钢框架边节点进行了循环加载以模拟节点的复位能力。考察的参数有：初始预应力值、角钢厚度、预应力钢绞线距离及数量。研究表明：通过合理参数设计，这类节点的初始刚度与焊接节点相当，在层间位移角达到5%的情况下，主体结构梁和柱仍保持弹性，角钢则进入塑性状态以耗散能量；地震作用后，节点可以回复到其初始位置。由于主体结构没有破坏，且节点在预应力钢绞线作用下自动回复原位，故震后仅需更换角钢便可使节点恢复至无损状态。
为了研究离散型拓扑优化理论在实际工程中的应用，在遗传算法和渐进结构优化算法的基础上对有支撑钢框架的离散型拓扑优化设计进行了分析。通过引入拓扑变量并修改无效杆件的弹性模量，提出了一个能适用于桁架结构、刚架结构和桁架刚架混合结构的离散型拓扑优化问题统一数学列式。该统一数学列式能解决桁架拓扑优化问题中以截面面积作为设计变量而造成的奇异最优解问题。在此基础上，通过结合遗传算法和渐进结构优化算法，形成了一种求解大型多变量复杂离散型拓扑优化问题的复合拓扑优化算法，并将其应用于有支撑钢框架结构的拓扑优化设计中。通过一个3跨12层有支撑钢框架拓扑优化设计实例的对比分析，证明了上述复合拓扑优化算法能够克服遗传算法无法对生成的拓扑构形进行冗余检查的缺点，可有效地对大型多变量有支撑钢框架结构进行离散型拓扑优化设计。
框架-密肋复合墙结构是由框架与框架-密肋复合墙体组成的一种新型双重抗侧力结构。利用试验方法对该结构体系主要受力构件——框架-密肋复合墙体的抗震性能开展研究。在已有相关研究工作基础上，对1/2比例RC框架-井字形复合墙体、SRC框架-井字形复合墙体和空框格框架进行低周反复荷载试验，分析框架-复合墙体的破坏过程和滞回曲线特点，研究墙体的承载力、刚度、延性及耗能能力等，并与已有框架-十字形复合墙体等试验结果进行对比。试验结果表明：框架-密肋复合墙体具有较好的协同工作性能与双重受力特点，其受剪承载力、刚度、耗能性能均明显优于普通框架及填充墙框架，内部密肋复合墙板始终有效分担外荷载，墙体在后期大位移循环阶段的延性和承载力较好，具有良好的抗震性能。
为研究条石砌筑石墙的抗震性能及滞回特性，进行了5片干砌甩浆石墙试件的低周水平反复荷载试验。主要研究参数包括砂浆强度和压应力。通过试验研究了干砌甩浆承重石墙的破坏形态、强度、滞回曲线、骨架曲线、变形能力、耗能能力和刚度退化规律。试验结果表明：石墙的最终破坏形态主要受压应力水平的影响；受剪承载力随砂浆强度和压应力水平的提高而增加，但提高压应力水平对石墙受剪承载力的影响更加显著；条石砌筑石墙的滞回曲线呈现饱满的梭形，表现出良好的耗能性能，其与砖砌体等其它砌体结构的滞回环在弹塑性阶段呈现明显的滑移捏缩现象存在明显差异。
通过3片机器切割料石无垫片砌筑石墙和1片粗料石干砌甩浆砌筑石墙的低周反复荷载试验，研究了机切料石无垫片砌筑石墙抗震性能及其与传统干砌甩浆砌筑石墙在受力性能上的差异。主要研究参数包括砌筑砂浆强度、灰缝界面处理方式和灰缝水平配筋。通过对试验现象及结果的对比，分析了不同界面处理方式和砌筑方法墙体的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、变形能力、耗能能力和刚度退化等。试验结果表明：同干砌甩浆石墙相比，机切无垫片石墙的极限荷载均有较大幅度提高；同时设置U形钢筋剪力键和水平配筋及仅在灰缝设置U形钢筋剪力键的两种砌筑灰缝增强方式对墙体承载力影响不大，但能够提高墙体的变形和耗能能力，其中增加水平配筋的界面增强方式提高的幅度较大。
由于石楼板受弯承载力低且常存在天然裂隙，极易脆断，存在安全隐患，应对其开展加固技术研究。提出采用钢筋网改性砂浆加固石楼板受弯承载力计算方法，开展了5个钢筋网改性砂浆加固石楼板试件和1个未加固的对比试件的受弯性能试验。研究了加固砂浆种类、钢筋类别和配筋率对加固效果的影响。试验结果表明：复合加固石板的破坏类似适筋梁的延性弯曲破坏，而未加固纯石板为突然脆断破坏；加固试件的受弯承载力和弯曲变形能力均有显著提高，且受弯承载力随配筋率和钢筋强度的提高而增大；加固层与原石板界面粘结性能较好，未出现粘结剥离破坏现象。基于试验数据和平截面假定，提出了加固石楼板开裂弯矩和极限弯矩计算公式，计算结果与试验结果吻合较好。
提出了花岗岩石梁嵌入CFRP筋组合石梁技术，并进行了3根嵌入CFRP筋组合石梁和1根普通石梁的受弯性能试验研究。主要试验参数为嵌埋CFRP筋的直径和数量。试验分析了组合石梁的破坏形态、受弯承载力、变形性能、应变分布和CFRP筋的粘结滑移性能。试验结果表明：普通花岗岩石梁达到开裂弯矩时即发生脆性断裂，而通过在梁底受拉区嵌埋CFRP筋可以有效提高石梁受弯承载力和延性。嵌埋CFRP筋组合石梁的受弯承载力随着CFRP筋配筋率的增大而增大。CFRP筋配筋率对组合石梁的受力性能和破坏形态均有明显影响，CFRP筋的强度发挥水平随配筋率的增大而降低，过大的配筋率可能使组合石梁的破坏形态由弯曲破坏转变为剪弯段的剪切破坏。嵌埋CFRP筋组合石梁的粘结锚固性能是影响组合石梁受力性能的重要因素。
通过14个钢管超高强石渣混凝土短柱试件的轴压试验，考察其破坏形态，分析混凝土强度、试件的直径、径厚比等参数对其力学特性的影响。试验结果表明:以较低的水泥消耗量配制的超高强石渣混凝土填充至钢管内，钢管与核心混凝土界面密实，没有脱空的现象；在试验参数范围内，试件的套箍指标和混凝土强度是影响其静力特性的主要因素，试件的峰值荷载、低谷荷载及二次峰值荷载与核心混凝土的名义承载力(fcAc)之比基本与套箍指标成线性关系,但变化规律有别；试件的荷载-轴向平均应变曲线可以分为四个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段、荷载下降阶段和荷载回升阶段；套箍指标较小时，弹塑性段较短，下降段陡峭，峰值荷载后荷载下降幅值较大；套箍指标较大时，弹塑性上升段和荷载下降变形曲线较平缓，峰值荷载后荷载下降幅值较小；所有试件都呈剪切型的破坏特征，有较高的残余承载力和良好的延性；最后，给出了经回归分析得到与试验结果比较吻合的钢管超高强石渣混凝土短柱轴心受压承载力的计算公式。
法门寺合十舍利塔为特殊的竖向倒转收进结构，主体结构为倾斜外挑内收的型钢混凝土筒体，沿高度在两处形成拐点，底层为框支转换层，顶部通过型钢混凝土桁架连接形成连体结构。为了研究其抗震性能，对其1/35整体模型进行了模拟地震振动台试验，测试了模型结构的动力特性及其在7度多遇、7度基本、7度罕遇、8度罕遇水准地震作用下的加速度、位移反应等，研究了模型结构的破坏机理和破坏模式，并根据试验结果，分析了原型结构的动力特性及地震反应。试验结果表明：模型结构第1、2、3阶振型频率分别为6.348Hz（平动）、6.836Hz（平动）和14.746Hz（整体扭转），原型结构对应的前3阶振型周期分别为0.933s、0.866s、0.401s，扭转、平动周期比为0.43；在7度基本及7度罕遇水准地震作用下结构最大层间位移角分别为1/754和1/453，表明原型结构整体抗震性能较好，能够满足中震基本弹性、大震不倒的抗震设防要求。建议采取适当措施缓解4层楼板标高附近筒体墙身的应力集中，并进一步研究结构外挑端部及其上下楼层竖向反应及其与水平反应的耦联性。
为研究钢梁与混凝土楼板的组合作用对钢-混凝土组合框架体系的刚度、承载力及耗能能力的影响，并考察组合框架结构在大震作用下进入弹塑性阶段的受力性能，进行了2榀足尺方钢管混凝土组合框架的低周反复荷载试验。2榀组合框架分别为组合梁-钢管混凝土框架及纯钢梁-钢管混凝土框架。试验中结构的最大层间位移角达到1/21。试验结果表明：组合框架结构具有稳定的滞回性能及良好的延性；钢梁与混凝土楼板的组合作用能显著提高结构的刚度、强度及耗能能力，并且能有效保证钢梁上翼缘的局部稳定性及钢梁的整体稳定性；楼板组合作用将使钢梁下翼缘应变显著增大，导致楼盖梁转动能力的减小；两个试件的破坏均是由梁端失效引起，说明试验中采用的梁翼缘贯通式节点能够满足强柱弱梁、强节点弱构件的抗震设计要求。
为了对组合框架结构的抗震性能进行深入的研究，基于方钢管混凝土组合框架低周往复荷载试验的足尺试件，采用通用有限元软件Msc.Marc建立了壳-实体精细非线性有限元分析模型，考虑了钢材及混凝土的弹塑性性能，混凝土的开裂及受拉软化，钢梁与混凝土楼板交界面的滑移以及钢梁下翼缘断裂等非线性因素，对4榀组合框架及2榀组合节点进行了非线性有限元分析。有限元分析结果与试验结果吻合良好，说明提出的壳-实体精细线性有限元分析模型能够较好地模拟组合框架受力性能的影响。研究表明，考虑楼板组合作用后，组合梁框架的变形及内力将不同于传统的钢框架结构，并且梁柱节点的受力性能也将发生改变，若要实现基于性能的结构抗震设计概念，应采用组合梁的刚度及强度进行结构弹性及弹塑性阶段的抗震设计。
为了研究型钢高强高性能混凝土框架柱的抗震性能，进行了9个不同轴压比、体积配箍率、含钢率、加载制度下的型钢高强高性能混凝土框架柱试件低周反复加载试验。获得了型钢高强高性能混凝土框架柱的破坏形态，分析了不同设计参数及加载制度对该框架柱的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、刚度和强度退化、变形能力、滞回耗能等力学性能的影响。试验结果表明：框架柱荷载-位移滞回曲线饱满，下降段较为缓慢，总体上表现出良好的抗震性能；随着循环次数和位移幅值的增加，试件的刚度、强度不断退化，耗能能力以及极限变形能力不断降低；与变幅循环加载相比，常幅循环加载下试件的破坏过程较为缓慢，滞回耗能总量相对较大。
为探索内置灌浆圆钢管桁架预应力混凝土连续梁的塑性内力重分布规律，进行了3根无粘结内置灌浆圆钢管桁架预应力混凝土连续梁的受力性能试验和6根模拟梁的非线性数值模拟分析，论述了这类梁设计用和检测评价用的两类承载能力极限状态及试验梁塑性内力重分布情况。试验结果表明，内置灌浆圆钢管桁架预应力混凝土连续梁正截面承载力极限状态应以任一跨出现荷载开始减小，位移急剧增大为标志；这类连续梁塑性内力重分布及弯矩调幅过程集中体现在中支座塑性铰形成的转动过程中；采用条带分层法进行截面的M-非线性分析，基于试验结果和数值分析结果，分别建立了使用阶段和两类承载能力极限状态下无粘结预应力筋应力增量的计算公式，获得了两类承载能力极限状态下中支座两侧的塑性铰区长度实测值，并拟合得到相应等效塑性铰区长度的计算公式，建立了两类承载能力极限状态下的以中支座与跨中控制截面综合配筋指标βo,i、βo,m为自变量和以中支座控制截面相对塑性转角θp为自变量的内力重分布系数Δ的计算公式。
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