ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
通过对汶川地震中房屋倒塌及未倒塌现象的分析，总结了结构倒塌的规律并探讨了结构的防倒塌潜力。分析表明：结构方案缺陷、传力途径单薄、连接构造缺失、材料性能不良以及施工质量失控是造成结构倒塌的原因。而通过调查分析未倒塌房屋的现象，总结了结构“四要、四忌、四强、四宜”的要诀。在此基础上总结了结构的安全层次并指出了结构整体稳固性对于安全的重要意义。同时介绍了结构防倒塌设计的原则，并提出了结构的抗灾性能研究的建议。
根据对汶川地震中村镇地区教学楼破坏情况的实地调查，详细介绍了倒塌现象并进行了深入分析。研究结果表明：结构方案缺陷、整体稳固性不足是造成倒塌的根本原因；构件间连接构造措施缺失导致结构解体；而结构材料的脆性和施工质量失控，造成结构综合抗力不足。具体表现为：结构体系头重脚轻，刚度不均；传力途径单薄，缺乏冗余约束；关键传力部位严重削弱，缺乏抵抗水平作用的能力；墙体缺乏圈梁构造柱约束；预制板没有任何连接构造措施；材料（混凝土、砌体、冷加工钢筋）强度不足或延性很差；任意加层改造等。历史造成的管理缺失和不遵守有关的标准、规范是人为方面的原因。因此，加强管理和遵守标准规范至关重要。
2010年2月27日在南美洲智利发生的8.8级大地震，造成了钢筋混凝土高层建筑的严重破坏，这是近年来现代钢筋混凝土高层建筑经历的最大地震，引起了国内外工程设计人员的广泛关注。以智利高层建筑结构体系特点入手，分别介绍了智利地震中钢筋混凝土剪力墙高层建筑、立面收进复杂高层建筑、连体复杂高层建筑、带消能减震支撑超高层建筑、带金属球颗粒阻尼器高层建筑的震害现象。研究表明：智利高层结构剪力墙厚度与中低层结构剪力墙厚度相近，造成剪力墙轴压比过大，在此次地震中发生严重破坏；智利国家规范在钢筋混凝土剪力墙设计中参考美国规范，但允许对边缘约束构件设计予以放松，是造成剪力墙破坏的另一原因。另外从此次大地震中复杂高层和消能减震结构的表现来看，我国仍需加强对复杂及超限高层的抗震性能研究，加强消能减震技术在我国高层及超高层中的应用。
为研究无加劲方钢管柱-H形钢梁节点的特性，对梁翼缘板与柱段焊接组成的节点进行试验研究，分析截面形成方式、钢管成型焊缝位置、与平面受力正交方向上的梁翼缘板约束作用、梁翼缘板端部构造形式以及钢管与梁翼缘板几何参数对连接的力学性能的影响。试验设了3组11个试件，得到单调拉伸荷载作用下各试件的开裂荷载、极限荷载与各部分变形等力学指标。试验研究表明：冷成型钢管承载力和初始刚度较焊接组合截面试件有所提高；钢管成型焊缝的位置对节点受拉承载力及初始刚度没有影响；正交方向梁翼缘板的约束对节点初始刚度略有提高作用；梁翼缘板加宽的连接方式可以提高梁翼缘板的平均应力；影响节点受力性能的主要因素有钢管截面的宽厚比、梁翼缘板与钢管的宽度比和厚度比。
对于无加劲方钢管柱-H形钢梁节点，在H形梁端部弯矩作用下方钢管柱壁变形是节点变形的主要组成部分。为考察无加劲方钢管柱-H形钢梁连接节点的管壁变形特性，在11个试件试验研究基础上，依据单调拉伸荷载作用得到各个试件的管壁变形值。基于经典弹性板壳理论推导管壁变形解答，得到管壁变形的解析表达式，并以此计算管壁变形刚度。通过管壁变形刚度的试验值、拟合式计算值以及理论解答值的比较，验证了利用板壳理论推导解析解答方法的可行性。研究结果表明：影响管壁变形刚度的主要因素是钢管管壁宽厚比；由于冷成型钢管截面存在弯角，管壁计算宽厚比变小，冷成型钢管柱管壁变形刚度较焊接组合截面柱明显提高。
深圳大运中心体育场钢屋盖采用单层折面空间网格结构，最大悬挑跨度68.4m，用20个球铰支座支撑，具有稳定问题突出、多项技术超规范设计特点。为了结构安全、经济，并具有良好抗风、抗震性能，通过计算分析，研究了结构找形和增设肩谷环梁前后的整体结构动力及静力性能、支座反力等。结果表明：结构体系稳定、安全；悬挑挠度限值的确定经济合理；通过结构找形和增设肩谷环梁，缩短了结构周期、减小了风振效应、增强了结构刚度、提高了抗倾覆能力、减小了支座环向反力、改善了应力集中状况、提高了材料利用率，获得良好的结构性能。
深圳大运中心体育场钢屋盖采用单层折面空间网格结构。80多吨的超大铸钢节点密切结合铸造工艺特点，通过有限元计算分析和节点构造等的优化提高节点质量。对碗盖球的铸钢球铰支座进行包括接触的弹性和弹塑性有限元分析，提出了简化接触边界条件的弹性阶段实用计算方法，采取了支座充分转动和防脱臼措施。对钢板热成型圆管进行了材质比较、成型后产品检验。分析表明：超大铸钢节点安全可靠；球铰支座极限荷载达到设计荷载的3.1倍，支座上部碗体壳局部接触区域存在三向拉力场，下部实心半球局部承压区域呈三向受压状态。预留凹槽、空隙可实现支座充分转动，设置裙边、穿心锚栓可防止意外脱臼的发生；内径与壁厚比值小于20圆管可采用热成型，钢板宜优先采用高效的Q345GJ钢，成品经检测各项指标均满足或高于国家标准要求。
深圳大运中心体育场钢屋盖采用单层折面空间网格结构，悬挑跨度51.9m到68.4m，与混凝土看台完全脱开，依靠20个球铰支座，支承在标高6m的混凝土平台处，边界约束少、传力路径复杂、整体稳定问题突出。依据特征值屈曲分析确立了初始几何缺陷的不利分布，利用非线性有限元系统分析了结构整体稳定性能，并研究了关键部位、重要杆件对整体稳定性能的影响。分析结果表明：体育场钢结构属于缺陷不敏感结构；在最不利竖向与水平风荷载组合工况下，考虑几何非线性、材料非线性双重非线性效应，结构整体稳定系数接近3，结构具有较好的整体稳定性能，即使缺失关键部位和重要杆件，也不会发生连续倒塌，证实了该结构体系可行、安全可靠。
深圳大运中心体育场钢屋盖采用单层折面空间网格结构。由三角形平面以各种倾斜弯折组成，且该平面内设置小三角形网格，由焊接组合箱形断面的次杆件连接在面面交线的四分点。位于面面交线的主杆件稳定受到两端边界条件、面内次杆件、面面夹角的角度等诸多因素影响。目前规范还没有对该类复杂边界条件杆件计算长度的规定。根据变轴力两端铰接的稳定承载力计算式，以线性稳定分析杆件失稳模态为基础，进行几何非线性稳定整体分析，考虑了临界状态相邻杆件的变形及非线性变形影响，分析了杆件临界失稳模态以及杆件轴力变化，获得临界承载力。根据变轴力稳定计算式，得到该杆件的计算长度。分析表明：主杆件计算长度系数受三角形折面夹角和两端节点刚度影响较大；大部分主杆件计算长度系数小于或接近1.0，立面铅直杆件受水平位移影响，其计算长度系数大于1.0。主体结构卸荷和整体稳定分析验证了计算长度取值的合理性。
世界大学生运动会主体育场具有大悬挑、折面刚度大以及自重产生内力所占比例大的结构特点，其施工过程中的内力和变形变化复杂，时间效应和路径效应对结构的影响相对较大，因此在施工过程模拟分析中不能仅考虑成型结构在不同荷载组合下的受力和变形。采用一次性建模法跟踪模拟世界大学生运动会主体育场的施工过程，得出结构内力和变形的发展趋势及最优施工方案，将部分理论计算结果同实际监测结果进行对比。研究表明：安装顺序对大型复杂结构施工过程影响显著，采用有限元法对大跨空间钢结构进行施工预分析是可行的，可有效提高工程安全性，降低风险。在此基础上，明确提出了理论和实际产生偏差的原因并给出解决办法，为大型钢结构工程合理施工提供参考。
深圳大运会体育馆、体育场的主体结构是由三角形网格组成，其外形如宝石群，为单层折面空间网壳结构。通过构形研究和机动分析，论证了宝石群单层折面网壳是一种满足几何不变性基本要求的静定空间桁架结构。通过研究圆形平面的宝石群单层折面网壳，提出了简化杆系计算模型及其计算方法，可精确求得网壳结构的内力和位移。在基本结构体系基础上，增设若干道环向杆件，改善宝石群单层折面网壳的受力特性。研究了宝石群单层折面网壳结构形体组成规律、受力特性、结构的简化计算方法和增加环杆的结构优化设计原则，有利于工程的初步设计和多方案结构分析比较。
在动力荷载作用下单层网壳结构杆件受力和结构承载力处于动态变化中，因此要得到准确的结构实时动力响应，必须建立能够模拟杆件实时受力性能的杆件计算模型。根据单层网壳结构杆件的受力特点，总结出受压杆件的两种失稳类型。引入国际标准化组织推荐的空间受力圆钢管失稳判别准则，采用3节点塑性铰单元和Marshall模型分别模拟受压杆件失稳前后的受力性能，建立了杆件计算模型，该计算模型能够模拟杆件在动力荷载作用下经历失稳、拉直与塑性铰形成直至消失的过程。计算结果表明：采用有限元软件通用梁单元模拟单层网壳结构杆件将高估结构在地震作用下的承载力；应用本文的杆件计算模型，可以准确得到单层网壳结构在地震作用下的杆件受力变化过程及由此造成的结构承载力的动态变化过程，实现了对单层网壳结构动力响应全过程的精细化模拟。
基于地震作用下砌体结构墙体通常由于受剪能力不足而发生破坏的特点，提出了体外预应力对砌体结构进行抗震加固的方法，即在墙体两侧埋设并张拉预应力筋，使墙体在交角处和主要受力段受到预压力，以提高墙体的抗剪强度，改善砌体结构的抗震性能。为了验证该方法的有效性,制作了2个1∶4整体模型，其中1个模型采用体外预应力法加固，进行了模拟地震振动台模型对比试验。试验结果表明：采用体外预应力法对砌体结构墙体施加竖向整体预应力，可以提高墙体的抗剪、抗弯强度，改善墙体的延性和耗能能力，增强结构的整体性，提高结构整体刚度，且很少增加结构自重，是一种较为理想的抗震加固方法。
对体外预应力钢-混凝土连续组合梁进行全过程受力分析时，需准确计算预应力筋的拉力，因此，对预应力组合梁中预应力增量及全过程受力分析的计算方法进行了研究。根据梁体自身在荷载作用下的变形条件，采用几何方法给出了各种布筋形式下体外预应力筋伸长量的计算方法；基于共轭梁法，并考虑连续组合梁内力重分布，采用迭代法得到了预应力连续组合梁的荷载变形曲线和预应力筋拉力随荷载的变化规律，计算结果与模型试验及其它文献中的模型试验结果进行了对比，结果吻合良好。研究结果表明：体外预应力组合梁中预应力筋的荷载拉力关系曲线反映出预应力筋经历了从弹性到塑性的发展过程。根据梁自身在荷载作用下的几何变形条件，得到任意加载时刻的预应力筋拉力，用于全过程受力分析。
传统预应力混凝土叠合梁大多采用矩形截面，存在自重大、运输及吊装困难等问题，提出了U形与倒T形两种预应力预制叠合梁。进行了3根U形预应力预制叠合梁、3根倒T形预应力预制叠合梁与1根整浇梁的对比试验，研究其破坏机理、受弯承载力、短期刚度、变形特征及裂缝分布等，并将试验结果与规范计算结果进行了对比。研究结果表明：从开始加载到破坏，叠合梁与整浇梁表现出相同的受力特点和变形特征；叠合梁的开裂弯矩、极限弯矩计算结果与实测值吻合较好，按整浇梁计算时比真实结果偏于安全；叠合梁的短期刚度及平均裂缝间距实测值与计算结果吻合较好。采用有限元程序ANSYS10.0进行模拟计算，计算结果与试验结果吻合良好。有限元结果表明：配筋适当的叠合梁与整浇梁的整体破坏特征基本相同；对于采用自然粗糙面的叠合梁，可不考虑叠合面相对滑移而按整浇梁进行计算分析。
为适应不超过6层的混凝土网格剪力墙住宅建筑的要求，研发了网格尺寸为400mm×400mm的大网格剪力墙承重体系。通过2个剪跨比为2.02和2个剪跨比为1.13的大网格剪力墙试件的拟静力试验，研究大网格剪力墙的破坏形态、滞回特性、变形能力和承载能力等。试验结果表明：试件横肢两端竖向裂缝贯通肢高；竖肢水平开裂，端竖肢底部混凝土局部压碎；水平力位移滞回曲线有捏拢；极限位移角不小于1/60。弹性有限元分析表明，120mm厚的大网格墙可等效为60mm厚的普通剪力墙，其在轴压力作用下的受弯承载力可按60mm厚的剪力墙计算，但应乘以折减系数0.9。工程算例结果表明，大网格剪力墙承重体系可用于抗震设防烈度8度、6层及以下的住宅建筑。
软化拉-压杆模型是基于经典桁架模型理论而发展起来的一种模型，主要用于混凝土结构中应力紊乱区的受剪设计。以包含钢筋混凝土变梁中节点在内的各类框架节点为研究对象，建立框架节点等效核心区在剪、压复合荷载作用下的计算模型，应用软化拉压杆模型对节点等效核心区进行受力分析，推导框架节点的受剪承载力计算公式，并通过国内外110个钢筋混凝土框架节点试件峰值剪应力试验结果与软化拉压杆模型计算结果进行对比。结果表明：试验值与软化拉压杆模型计算得到的节点受剪承载力的平均比值为1.169，方差为0.208，吻合较好。与现行混凝土结构设计规范中框架节点受剪承载力的半经验计算方法相比，软化拉压杆模型方法有明确的力学计算模型，合理地反映框架节点的受力机理。
修正压力场理论认为有腹筋构件的受剪承载力由沿裂缝面传递的剪应力和穿过裂缝面的箍筋提供，忽略了受压区承担的剪力，受剪承载力计算结果偏小。基于修正压力场理论，根据钢筋混凝土受弯构件的剪切破坏机理，考虑上部受压区混凝土和下部受拉区骨料咬合力及箍筋共同提供受剪承载力，提出截面受剪承载力计算方法。与所收集的国内外有腹筋梁的275个试验结果的比较表明：采用本文方法计算的受剪承载力与试验结果的变异性较小，可用于钢筋混凝土梁的抗剪分析。
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