ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
上海中心大厦为超高层建筑，建筑立面呈三维曲面和旋转形态，合理的抗风设计对结构的安全性、适用性和经济性具有重要意义。通过对上海中心大厦的风气候、建筑外形空气动力学优化以及风洞试验研究，获得了体型系数、斯托罗哈数和地貌类别等计算参数，分析了上海中心大厦风致振动、舒适度以及调谐质量阻尼器对风振舒适度的影响。研究结果表明：采用Vickery风场模型预测得到的梯度风速比采用Georgiou模型预测得到的梯度风速有所增加；风荷载下的结构响应大于多遇地震作用下的结构响应，但小于基本烈度地震作用下的结构响应，合成位移角满足1/500限值的要求。图13表11参14
上海中心大厦是由巨型框架-核心筒-伸臂桁架抗侧力体系组成的超高层建筑，结构的稳定性备受关注。根据实际体型和荷载分布情况，采用修正算法推算了结构刚重比，同时对结构在风荷载和地震作用下的P-Δ效应进行了评估。结果表明：修正后的结构刚重比满足规范要求，P-Δ效应能控制在较低的水平之内。整体线弹性屈曲分析也进一步验证了结构具有良好的稳定性。巨型柱作为上海中心大厦的关键构件，其计算长度取值将直接影响结构设计的合理性。通过巨型框架分区模型的线弹性屈曲分析得到巨型柱的临界荷载，由欧拉公式反推出巨型柱的计算长度。图12表7参7
上海中心大厦在长期荷载作用下结构竖向构件间的差异变形会在水平构件中产生较大的次内力。利用MIDAS软件的施工过程模拟功能，得到竖向构件在不同施工阶段的内力情况。通过混凝土B3模型，根据内力计算得到竖向变形。并将竖向变形施加到ETABS整体模型中的相应构件中，考察由于竖向构件之间的差异变形在相应的水平构件中产生次内力情况。在分析的过程中，比较了不同的水平构件连接方案对结构次内力的影响。分析结果表明：随着时间的推移，构件的竖向变形逐渐扩大，竖向差异变形在水平构件产生较大的次内力，工程设计中应该考虑此因素对结构的影响。图11表5参9
考虑施工期间结构体系的时变性，引入施工阶段基于性能的结构设计（PBSD）方法评估与控制处于不同施工阶段的结构状态，解决了超高层建筑施工过程评估与控制的问题。分析了施工阶段结构体系在竖向荷载与侧向荷载作用下的设计准则，并以上海中心大厦超高层建筑工程为例，分析其在施工阶段的结构性能目标并进行结构性能评估。研究结果表明：基于结构性能目标对施工阶段的结构性能进行评估与控制是可行有效的；对于带伸臂桁架的超高层混合结构，伸臂桁架的合拢时间和位置是控制施工阶段结构性能的关键因素。图19表8参13
上海中心大厦主体结构采用巨型框架-伸臂-核心筒结构体系，节点设计是巨型框架设计中的关键环节。介绍了基于性能的节点设计原则，研究了伸臂桁架与巨型柱连接节点、环带桁架螺栓拼接节点两类典型节点。伸臂桁架与巨型柱连接节点，节点区受力复杂，同时承受较大的轴力与弯矩，运用有限元方法对该类节点简化设计公式的适用性进行了验证。研究表明：简化设计公式能够满足工程精度要求，可作为该类节点初步估算的验算公式；环带桁架螺栓节点具有螺栓拼接长度超长、螺栓数量多、构件截面大及拼接板材厚度大的特点，运用有限元方法研究了该类节点的传力机理，并对螺栓拼接节点的安全性进行了考察。研究表明：该类节点满足指定性能需求下的承载力设计要求，螺栓传力呈现两端大，中间小的受力性态，但随荷载的增加螺栓传力不均匀性呈降低趋势；同时研究还表明，螺栓拼接长度较长会改变构件的力学特性。图15表2参7
深圳平安金融中心主塔楼地上118层，塔尖高度660m，结构高度597m。将主塔楼ETABS模型转为SAP2000模型后，采用自行研制的SAPTRANS软件，将SAP2000模型导出的数据库转换为ABAQUS整体结构分析模型，经过模态分析表明结果与ETABS模型分析结果相近。考虑5组天然波、2组人工波、7度罕遇地震作用下14个工况，分析结构的弹性和弹塑性时程反应，得到结构在地震作用下的变形、内力和损伤情况。分析结果表明：罕遇地震作用下弹性分析和弹塑性分析结果相比，后者反映了结构在地震作用过程中构件塑性发展导致的结构刚度的变化；考虑了材料的弹塑性，结构最大层间位移角满足1/100的限值要求，连梁出现不同程度的损伤，大部分剪力墙混凝土受压损伤因子较小，外伸臂桁架及空间桁架钢构件未出现屈服，钢板剪力墙中钢板未出现塑性铰，结构满足大震不倒的设防要求。图15表10参5
随着超大型结构的迅速发展，传统人工检测方法的工作效率与测量范围难以满足结构施工安全的需要，大量超限结构的施工安全缺少实测数据支持，有必要对大型施工监测系统进行深入研究。以京基金融中心为工程背景，对超高层施工监测系统进行研究，将施工全过程模拟技术运用于测点优化布置，依据施工模拟过程中的结构响应变化规律，制定合理的温度、竖向位移、应力测点布设方案；依据传感器和采集硬件的自身适用标准及相关选型原则，对二者进行具体的优化选型，并运用Labview平台开发超高层施工监测软件系统；将无线传输技术运用到系统监测中，制定无线分散式数据传输网络方案，解决复杂施工现场的数据实时传输问题；最后采用合理安装工艺及现场保护措施，对京基金融中心施工监测系统进行现场搭建，并进行现场数据采集。监测数据分析表明：系统工作稳定，数据趋势性良好，可以反映结构受日照及季节影响的温度变化规律，获得结构施工过程中的力学响应指标，为了解施工过程中的结构状态及相关工程决策提供实测依据，同时系统的建立与运行也为类似大型工程的高集成度及自动化施工监测的实施提供了参考。图19表2参17
为研究装配式竹结构房屋的抗火性能和对比常规轻钢活动房的耐火极限，课题组对实体装配式竹结构房屋和相同尺寸的轻钢活动房进行了受火对比试验。受火试验前在竹结构和轻钢活动房的屋顶和墙体内外安装热电偶，并通过温度变送器连接到记录仪进行等时采集，受火试验进行30min后中止试验并进行火灾后现场观测与数据分析。同时采用火灾动力模拟软件FDS(fire dynamics simulator)，对足尺模型房屋进行了模拟研究和分析。试验结果和模拟分析结果表明：竹结构墙体具有良好的隔热阻燃功能，能够有效阻止火势蔓延和热量扩散，与轻钢活动板房相比，装配式竹结构房屋具有更好的安全性和抗火性。图10表1参15
以应县木塔中的代表性斗栱为研究对象，采用实体模型试验方法，确定斗栱传递荷载的机理和抵抗变形的特性，提供适用于构建斗栱简化模型的力学参数。试验研究选取三种典型斗栱：柱头铺作、补间铺作和转角铺作,按照1∶3的比例制作成模型；通过竖向荷载试验，得到斗栱的竖向荷载-竖向变形曲线和材料开裂前的抗压刚度；进行了竖向荷载作用下的水平低周反复荷载试验，得到斗栱在竖向荷载和水平低周反复荷载共同作用下的荷载-水平位移曲线和骨架曲线，确定斗栱侧向变形的特征和耗散能量的能力。研究结果表明：斗栱的竖向抗压刚度取决于沿轴心连接构件的承压面积以及材料的弹性模量，其失效特征主要为栌斗在剪压状态下的竖向劈裂；斗栱在水平反复荷载作用下的失效特征表现为泥道栱薄弱内槽面的水平劈裂，斗栱的抗侧移刚度随着竖向荷载的增加而增加，摩擦剪切耗能是斗栱耗散能量的主要方式。图12表5参11
木梁受火后由于炭化作用将使其有效截面减少、承载能力降低。通过2组11根木梁三面受火后力学性能的对比试验研究，分析了石灰膏抹面对木梁火灾性能影响。研究结果表明：对比木梁、三面受火无石灰膏抹面木梁和三面受火有石灰膏抹面木梁的破坏形态基本相似；三面受火30min的石灰膏抹面木梁由于含水率降低且木材未遭受炭化损伤，其承载力反而有所提高；石灰膏抹面三面受火木梁的跨中截面变形基本符合平截面假定；石灰膏抹面能显著延缓三面受火木梁内部温度的升高速率，降低外部火场温度的不利影响；有效降低三面受火木梁初始炭化时间，显著降低炭化速度；石灰膏抹面能有效提高三面受火木梁的耐火极限。图19表3参10
以钢-竹组合工字梁的竹材截面翼缘厚度、腹板宽度及剪跨比λ为参数，对9根钢-竹组合工字梁进行了受剪性能试验，分析了组合梁的破坏过程、破坏机理、变形及承载力等，研究了影响组合梁受剪性能的因素，校验了组合梁变形及受弯承载力计算公式，并提出了组合梁受剪承载力简化计算公式。研究结果表明：钢-竹组合工字梁整体工作性能优良，组合效应显著，具有较高的承载力和刚度；组合梁的受剪承载力与竹材截面面积及剪跨比λ有关，当剪跨比λ≤2.0时，组合梁出现了明显的剪压破坏特征；跨中挠度、受弯承载力及受剪承载力计算公式得到的计算值与试验值吻合较好，误差在10%以内。图9表4参19
消能节点装配式木框架结构体系是以Q235钢制成的消能节点将规格木材制成的梁、柱连接成具有较大抗侧刚度的延性框架体系。通过3个足尺消能节点的拟静力试验，研究了该节点的受力性能、破坏形态、滞回特性与耗能能力等。研究结果表明：在弹性工作阶段，消能节点将木梁、柱连接成具有较大抗侧刚度的框架体系；在非线性工作阶段，结构通过节点的塑性变形消耗外部输入结构的能量；破坏时结构变形主要集中在节点上，节点钢板达到屈服强度，而木构件处于弹性工作状态；节点的位移延性系数达到5左右，其等效阻尼比达0.2左右；装配式木框架结构消能节点具有良好的延性、耗能能力与减震效果。图9表3参10
试验研究胶合木与胶合木单螺栓连接及群螺栓连接构件在顺纹受拉时的承载能力，分析其破坏模式和破坏机理，试验对象为3组9个单螺栓连接和4组20个群螺栓连接。研究表明：胶合木与胶合木单螺栓连接的力学性能与胶合木的厚度比有关，当侧材厚度比为4.375时，破坏形态Ⅲ型，延性最佳；胶合木与胶合木群螺栓连接的力学性能与螺栓列数及每列的螺栓数有关，群螺栓连接承载力应考虑螺栓的有效个数。两列布置群螺栓，破坏形态螺栓受力较均匀的两列开裂，其延性与一列与三列相比最佳。图13表6参15
设计制作了三榀侧移刚度相同但防屈曲支撑及框架截面形式不同的混凝土框架，分别为普通梁单斜撑、宽扁梁单斜撑、普通梁人字撑，对其进行拟静力试验，研究了防屈曲支撑混凝土框架的抗震性能，包括混凝土结构的开裂及其发展状况、荷载-侧移滞回曲线、刚度退化、骨架曲线、防屈曲支撑水平荷载-轴向变形曲线等。研究结果表明：设计的防屈曲支撑及混凝土框架具有优异的协同工作性能，水平荷载-侧移滞回曲线饱满，防屈曲支撑可在较小层间位移角时进入屈服消能状态，在大位移下不失效，耗能稳定，能显著增加结构阻尼，有效降低地震反应，改善结构性态。所设计的框架节点、预埋件及连接构造受力可靠。图17表6参13
为精确描述钢材在地震作用下强度和刚度退化规律，在考虑Bauschinger效应的K&K模型基础上，引入一种基于连续损伤力学原理的损伤模型，并定义相应的失效准则。通过与已有试验结果对比，验证了引入损伤模型和失效准则后的修正K&K模型能有效提高钢柱在地震作用下动力响应的模拟精度。考虑材料损伤累积效应，钢柱竖向承载力显著降低，柱顶处产生较大的峰值位移和残余位移。运用修正K&K模型，对空心带肋钢柱在强震作用下的损伤演化规律进行分析，结果表明，钢柱损伤在峰值加速度出现时段内发展迅速，并且随地震强度的增大而增大，钢柱的破坏模式为弯曲破坏。图11表5参13
以强震区多高层钢结构框架的梁柱边节点为研究对象，通过3个足尺T形截面钢异形柱-钢梁节点试件在低周反复荷载作用下的拟静力试验，研究了试件的变形、应变分布、破坏模态，得到了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、节点域的剪切变形、转动能力、延性性能、耗能能力等抗震性能指标，分析了节点域强弱对抗震性能指标的影响。试验结果表明，T形截面钢异形柱-钢梁节点在破坏前经历充分的塑性变形，其破坏模态为局部屈曲破坏，塑性铰出现于远离梁柱焊缝的梁截面上且发展充分，有较高且稳定的承载能力，具备较好的塑性转动能力、延性性能和耗能能力，能够在强震区使用。研究为此类节点的工程应用和钢异形柱结构技术规程的编制提供依据。图11表6参18
通过对锚栓生根、焊接生根、增大截面生根等三类共5个加层连接节点进行低周反复荷载作用下的足尺模型试验，对混凝土框架顶部直接加层钢结构连接节点的破坏形态、滞回曲线、位移延性、耗能能力等进行研究。试验结果表明：三类加层节点的破坏形态均为混凝土梁端受弯破坏，混凝土与钢结构之间的螺栓及焊缝连接性能良好，连接过渡钢板未出现明显变形；增大截面生根节点的滞回曲线较为饱满，抗震性能优于锚栓生根节点和焊接生根节点；锚栓生根节点和焊接生根节点的施工工艺相对简单，可操作性较强。图9表5参8
通过6个1/4比例钢结构异型节点的拟静力试验，研究了节点两侧梁的截面高度比和轴压比对异型节点抗震性能的影响，获得了异型节点的破坏模式、滞回性能、变形和承载能力。为了研究节点核心区的受剪承载力，试件按强构件弱节点进行设计。试验结果表明：异型节点的破坏模式主要是箱型梁下翼缘周围的焊缝开裂；滞回曲线饱满，刚度退化小，承载力高，破坏时位移延性系数介于2.11～2.54，等效粘滞阻尼系数介于0.296～0.362；上核心区腹板变形能力强，剪切角可以达到0.040rad，上、下核心区不作为整体协同工作；上核心区腹板的最大剪应力大于《钢结构设计规范》规定的抗剪强度。图9表5参12
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