ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
通过对新广州站中央采光带杂交结构体系进行静力特性及整体稳定承载能力的研究，分析了上弦钢杆件截面积、预应力拉杆和下弦拉索截面积及其预应力水平等参数对其整体稳定承载能力的影响，并利用一致缺陷模态法分析了各种初始缺陷模式以及缺陷大小的影响。分析结果表明：杂交体系中下部索杆体系和上部面内拉杆可以较大地提高结构的刚度；材料非线性对该结构的整体稳定承载能力的影响不可忽略；该杂交结构体系端部区域是结构的薄弱部位，塑性区集中在结构两个端部；结构的承载能力随着钢杆件截面的增大而增大；上弦拉杆与下弦拉索的截面积和初始预应力的增加使结构的承载能力有所提高，但是预应力值增大过多会导致结构承载能力下降；1阶特征值屈曲模态是对结构最不利的缺陷模态，但大小为 L/300的初始缺陷并不是最不利的。
青岛北站站房屋盖跨度141 m、长度超过340 m，结构型式为立体拱架，主要构件均为异形截面。介绍了该工程的结构布置、截面分布、体系特点，分析了结构的受力特征、屈曲模态，验算了主要构件的内力。结果表明：立体拱架有效减少了拱的弯矩效应；交叉索对受力特性有较为显著的影响，合理安排索力与张拉顺序，可有效优化结构；对于拱形结构，须计入拱脚刚度对结构的影响。屈曲分析表明：拱与横梁具有不同的屈曲特性，拱率先发生面外屈曲而横梁则首先出现面内屈曲。对结构的不同构件应采用不同的计算单元，而对于异形截面，采用“梁-壳-梁”组合单元方式进行模拟，可以很好地平衡计算成本与计算精度的关系。
广州大学城华南理工大学体育馆屋盖采用预应力钢筋混凝土双曲抛物面组合扭壳，壳体厚130mm，屋盖的平面投影长轴99.8 m，短轴70.0 m，水平投影面积约6568 m2。组合扭壳由四片扭壳组成，支承于周边边缘构件和两榀正交拱架上。两榀落地拱架跨度分别为149.33 m和108.95 m。分析表明：扭壳的控制荷载为竖向荷载，风荷载和地震作用影响较小，设计时可不予考虑；施加预压应力可达到控制壳体拉应力、确保结构耐久性的目的，但过大的预压力会降低壳体的局部稳定性；拱架落地点宜设置预应力拉杆平衡壳体支座的巨大水平推力、控制支座位移；采取合理的施工顺序和措施可减少壳体混凝土收缩的不利影响。
以球壳型大跨度屋面为研究对象，进行雷暴冲击风作用下的刚性模型风洞试验。按照相似准则制作了不同类型球壳型屋面模型，利用射流装置、粗糙元等模拟了雷暴冲击风流场，研究了失跨比、高跨比及同一矢跨比下的跨度等结构参数以及屋面所处流场位置的变化对冲击风作用下屋面的风压极值位置及其数值大小、气流分离点位置等的影响。试验结果与CFD数值模拟结果的对比验证了试验装置及测试的可靠性。参数敏感性分析表明：球壳型屋面在风场中所处位置及屋面矢跨比对屋面表面正负风压的转变、极值风压位置及其数值等风压分布特征的影响较大；高跨比及一定范围内屋面跨度变化的影响主要体现在迎风面；屋面中心越接近射流中心，冲击风竖向风压的作用越明显。
通过对KIEWITT-6型单层球面网壳缩尺模型进行模态测试及弹性与破坏性冲击试验，验证了基于ANSYS/LS-DYNA的网壳结构抗冲击荷载数值模型的正确性，确定了该模型的两种典型失效模式为结构局部凹陷与结构整体倒塌。综合试验与数值分析结果发现：冲击力时程曲线形式受冲击物初始偏转的影响；如果冲击结束时动力响应已经传到支座，将受到支座约束条件的影响；在弹性冲击范围内冲击力时程曲线形式对结构所受总冲量及结构动力响应的影响很小；破坏性冲击时冲击物初始偏转可能引起结构构件因非均匀受力而提前破坏，导致总冲量变小，从而引起失效模式改变较大，而不考虑初始偏转的分析结果偏于保守；虽然阻尼对冲击力的影响可以忽略，但后期对结构动力响应的影响较大，并可能改变失效模式；冲击力与动力响应对结构初始几何缺陷均不敏感。
采用ANSYS软件中的SHELL181壳单元模拟钢管杆件和空心球节点，建立了一个K6(2)型单层球面网壳的精细化有限元模型，考虑几何非线性和材料弹塑性的双重非线性，并通过精细化分析与传统的梁单元模型分析的对比，得到了单层球面网壳极限破坏时杆件和节点塑性应力分布、细部破坏模式。在此基础上进行了参数分析，研究了焊接球节点壁厚、直径以及结构初始缺陷、焊接缺陷等因素对网壳极限荷载的影响规律。研究结果表明：球节点壁厚与杆件壁厚之比满足JGJ 61—2003 《网壳结构技术规程》构造要求，当其比值大于1.5时才可按刚接节点考虑；球节点直径的变化会影响网壳局部的失稳形态，对网壳极限荷载影响不大；几何初始缺陷对网壳的影响采用梁单元模型和精细化模型分析结果是一致的；焊接区域材性的强化仅影响球节点与杆件连接处的塑性分布，而焊接缺陷会使网壳极限荷载大幅降低。
提出了一种新型落地索拱结构，相比于其他类型索拱结构，该结构可以保持较高的室内净空，建筑使用功能和建筑效果较好。建立了跨度60 m，矢跨比分别为0.2、0.3和0.4的纯拱和索拱结构的力学模型，对比了不同矢跨比下纯拱和索拱模型的承载力、刚度、动力特性和稳定性等力学性能指标及用钢量。结果表明：该新型索拱结构可以有效降低拱结构的内力峰值，提高其刚度和稳定性，减小水平支座反力，结构体系合理、力学性能优越；经优化后的同等跨度新型索拱结构较纯拱结构的省钢率可达30%～40%；该索拱结构的位移控制组合均为包含半跨活荷载和风荷载的组合，非线性静力稳定的控制组合为包含半跨荷载的组合或者全跨荷载组合；其最优矢跨比约为0.2～0.3。
空间网格结构在地震作用下，材料塑性发展严重，材料损伤将对结构的性能产生重要影响。为得到能够精确反应空间网格结构在复杂荷载作用下材料损伤累积的本构模型，设计空间结构常用圆钢管进行三向加载试验，通过不同的加载方案考察试件的空间滞回特性；编制考虑损伤和裂纹效应的ABAQUS用户子程序对试验进行数值模拟，利用试验曲线与数值曲线的符合程度来拟合考虑损伤的材料本构方程中各系数，并通过最小二乘法拟合得到圆钢管考虑损伤的材料本构模型；用此本构模型对试验试件进行模拟。结果表明：数值曲线和试验曲线吻合良好，建议的本构方程是较为准确的，说明所编制的接口子程序可用于复杂结构的分析，应用此本构模型详细考察了单层球面网壳在地震作用下的各项响应，结果表明考虑累积损伤结构的失效极限荷载显著降低。
进行了4个带肋薄壁钢管混凝土梁柱端板连接节点的静力试验。试件的钢管由厚度为1.5 mm或3.0 mm的冷弯薄壁型钢组合而成，高强螺栓端部焊接50 mm长的螺纹钢筋。分析了端板类型、钢管壁厚度对节点破坏模式和连接的弯矩转角关系特征等的影响，研究节点的承载力、刚度、延性和各组件关键部位的应变分布规律，提出了节点区柱壁加厚和螺栓锚固加强等合理构造措施。试验研究表明：端板类型和钢管壁厚度对薄壁钢管混凝土框架梁柱端板连接节点的受弯承载力和初始刚度影响较大；节点破坏模式主要有端板弯曲变形、受拉螺栓被拔出、柱壁受拉螺栓孔处鼓曲撕裂、单边螺栓端部钢筋被拉断等；节点具有部分强度、半刚接、良好延性等特性，其连接转动能力超过美国规范FEMA350规定的连接极限转角0.030 rad。
进行了16根带约束拉杆和11根不带约束拉杆T形钢管混凝土短柱试件的偏压试验研究，分析了不同荷载角、偏心率、约束拉杆间距下该类型柱的偏压性能。试验结果表明：约束拉杆的设置减小钢板的屈曲半波长、延迟钢管局部屈曲的发生、提高核心混凝土的约束作用，有助于提高该类型柱的承载力和延性；临近或达到极限荷载时近力侧拉杆及钢板对核心混凝土的约束作用明显，且约束作用从近力侧向远力侧减小；偏心受压下该类型柱的截面应变符合平截面假定。采用带约束拉杆T形钢管混凝土短柱的核心混凝土等效单轴本构关系，利用纤维模型法程序对该类型柱进行参数研究。分析结果表明：钢材屈服强度、含钢率越大，N/Nu -M/Mu相关曲线向内收拢；混凝土强度和拉杆约束系数越大，N/Nu -M/Mu相关曲线向外凸出。
通过对11个普通钢筋混凝土(RC)梁试件及4个部分预应力混凝土(PPC)梁试件采用U形钢板箍加固的抗剪试验和数值分析，研究不同损伤程度、剪跨比、配箍率、钢板箍间距、预应力水平、钢板厚度等因素对粘钢加固混凝土梁受剪性能的影响。结果表明：采用U形钢板箍对RC梁进行抗剪加固能够有效抑制斜裂缝的开展，提高加固梁斜截面受剪承载能力，并改善梁的延性；采用相同粘钢量对PPC梁抗剪加固的效果不如RC梁明显，受剪承载力提高幅度较RC梁小；梁损伤后加固，箍筋及钢板箍的屈服荷载有所下降，剪跨比较大的梁抗剪加固效果更为明显；有限元计算结果与试验结果吻合良好；在进行抗剪加固设计时，应对钢板箍强度进行有效折减。
通过对已完成的配置HRB500级钢筋混凝柱在低周反复水平荷载作用下的受力性能模拟分析，验证了经过二次开发的FEAP非线性有限元软件能够对此类柱的抗震性能影响因素进行系统分析。利用FEAP程序完成了不同轴压比和不同配箍特征值的162根配置HRB500级钢筋混凝土柱的抗震性能模拟分析。分析结果表明：柱的位移延性系数随轴压比的增大呈指数减小，随配箍特征值的增大近似呈线性增加；在配箍特征值一定的情况下，轴压比较小时，柱位移延性系数随纵筋配筋率的增大而减小，轴压比较大时，位移延性系数随纵筋配筋率的增大略有增大。通过对计算数据的回归分析，得出受轴压比、配箍特征值、纵筋配筋率和纵筋强度影响的配置HRB500级钢筋混凝柱的位移延性系数计算式，模拟结果与试验结果吻合较好。
我国现行规范在分析混凝土偏心受压构件可靠度时，未考虑轴力和弯矩的随机相关特性。基于此，首先推导了弯矩和轴力间相关系数与对应荷载效应比值的函数表达式，得到了相关系数随荷载效应比值变化的规律。在此基础上定性分析了弯矩和轴力的随机相关特性对大偏压和小偏压两类构件失效概率的不同影响规律。采用Monte Carlo方法计算了当水平荷载起控制作用时偏压构件在不同荷载效应比值下的可靠度。计算结果表明：按小偏压构件设计的可靠指标较为稳定，弯矩和轴力的相关性变化对其影响较小；而按大偏压构件设计的可靠指标较不稳定，弯矩和轴力的相关性变化对其影响较大。对典型框架柱的荷载效应比值进行了特性分析，指出框架柱的弯矩荷载效应比值一般是轴力荷载效应比值的数倍，导致按大偏压框架柱设计的可靠指标较低。最后分别对承受水平风荷载和地震作用的框架结构中的大偏压柱进行了可靠度分析，分析结果表明大偏压框架柱可靠性较低。
分析钢框架结构时考虑二阶效应，得到的截面内力及位移通常比采用一阶分析方法计算的结果偏大。对于承受相同荷载、具有相同几何条件的结构，如采用一阶分析方法计算得到的位移满足现行规范的水平侧移限值，但采用二阶分析方法后不一定满足该侧移限值的规定，因此在规范中补充有关二阶分析时侧移限值的相关规定尤为必要。针对钢框架结构考虑二阶效应后层间侧移限值的取值进行了研究，结合规范中的二阶分析方法及可靠度理论，提出了钢框架结构二阶层间侧移限值，供规范修订及工程应用参考。
异形建筑结构施工过程存在诸多不确定的影响因素，从概率的角度研究其随机性有重要的工程意义。由于异形建筑结构竣工时的内力状态和几何线型与结构的施工过程密切相关，有限元仿真分析时需引入正装计算方法考虑其施工过程的影响，仿真分析计算规模庞大，从而使摄动法及蒙特卡罗法等常用的结构随机分析方法难以有效应用到大型复杂结构施工过程概率分析中。有鉴于此，综合运用施工过程仿真分析方法、响应面拟合技术及蒙特卡罗法，为大型复杂结构施工过程概率分析提供一种有效分析方法，相对于传统的蒙特卡罗法其计算量大幅减小，同时，其精度也能满足工程应用的需求。把该方法应用于大型复杂异形建筑——广州图书馆施工控制中，获得了合理的结构状态概率统计规律，验证了该方法的可行性与有效性。
基于建筑光伏一体化，开展张力膜结构光伏一体化的基础研究，提出了柔性薄膜太阳能电池的平行电池条方向与建筑聚偏氟乙烯（PVDF）膜材经线方向重合及其与PVDF膜材纬线方向重合的两种复合方式，针对每种复合方式进行平行电池条方向及垂直电池条方向的拉伸试验，测定了柔性薄膜太阳能电池与PVDF膜材复合后的拉伸应力-应变关系及发电效率应变关系曲线。研究结果表明：不同拉伸方向下复合膜材的抗拉强度介于29.8～32.4 MPa之间；垂直于电池条方向拉伸时，复合膜材的输出电压缓慢下降；平行电池条方向拉伸时，复合膜材的输出电压存在明显的下降突变点。以输出电压值降为初始值90%时的拉伸应变作为柔性薄膜太阳能电池与膜结构一体化设计时的控制应变，在不同复合方式和拉伸方向下，该控制应变均为0.03左右。
提出了一种新型的嵌入模块式光伏组件体系，该新型光伏组件体系能够取代传统的屋顶围护构件，实现光伏技术与建筑的一体化集成。通过力学性能试验验证了该新型光伏组件体系在2 500 Pa外荷载作用下的挠度值满足建材的变形控制要求，应力值远小于材料的极限强度，可取代传统的屋顶围护构件。通过发电效率试验测得该新型光伏组件体系的最大发电效率衰减为4.65%，低于GB/T 9535—1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》规范中规定的5%。通过静态水密性试验验证了该新型光伏组件体系的水密性符合GB/T 15227—2007《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》规范的要求。
京公网安备 11010802041942号 网络出版服务许可证（署）网出证（京）字第373号 技术支持：