ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
放松结构与基础间约束或构件间约束，使结构与基础或构件间接触面处仅有受压能力而无受拉能力，则结构在地震作用下发生摇摆，通过自重或预应力使结构复位，形成摇摆结构及自复位结构。已有研究表明，结构的摇摆降低了地震作用和结构本身的延性设计需求，减小了地震破坏，节约了结构造价。本文首先回顾了摇摆及自复位结构的发展历史，简要介绍了摇摆及自复位结构的基本原理，综述了摇摆桥墩、摇摆及自复位钢筋混凝土框架结构、摇摆及自复位钢框架结构、摇摆及自复位剪力墙结构、摇摆框架－核心筒结构等不同结构体系的发展现状，总结了摇摆及自复位结构发展趋势，并指出后张预应力和消能减震等多种技术的联合应用为摇摆及自复位结构的未来发展方向之一。
介绍一种摇摆墙体系及其在框架结构抗震加固中的应用。摇摆墙是采用特殊构造、底部具有一定转动能力和较大抗侧刚度的结构墙体，它能够有效控制结构在地震作用下的侧向变形模式，且能够以多种方式与消能减震装置结合，提高结构的耗能能力，进而提升结构整体的抗震能力。通过集中质量层模型的动力弹塑性分析研究了摇摆墙的刚度需求，介绍国际上首个采用摇摆墙体系抗震加固的11层钢骨混凝土框架结构实例，并对加固前后的结构抗震性能进行对比分析。结果表明，摇摆墙体系能够有效降低结构在不同地震动输入下的平均地震响应，且可显著减小结构地震响应的离散性，使结构的损伤模式和抗震性能更加易于控制。
以已有的12层标准钢筋混凝土框架模拟地震振动台试验为基础，设计并制作一个12层钢－混凝土竖向混合框架（上部4层钢框架，下部8层混凝土框架）模型，并对其进行模拟地震振动台试验，通过对加速度和位移响应的测试分析，实现对竖向混合框架结构抗震性能的评价。试验结果表明：按现行规范设计的 钢－混凝土竖向混合框架结构能够满足抗震设防要求；抗侧刚度沿竖向突变将引起上部钢框架与下部混凝土框架相交节点转角增大，由此引起上部钢框架刚体变形明显，相交节点的转动也引起相应梁端转角增大，相应位置弯曲破坏严重；当场地的特征周期与上部钢框架的基本周期一致时，上部钢框架的加速度响应将达到极值，若此时结构的抗侧刚度沿竖向突变，则上部钢框架的位移响应也将严重放大。与标准钢筋混凝土框架结构相比，钢－混凝土竖向混合框架结构的钢结构楼层位移响应和加速度响应均不同程度大于标准钢筋混凝土框架结构相应楼层，而下部混凝土结构楼层的响应则相差不大。
寻求合理高效的方法求得不同材料阻尼特性混合结构的地震作用及其效应是工程抗震界较为关注的问题之一。目前，用于计算不同材料阻尼特性混合结构地震作用效应的复模态叠加法和直接积分法都是基于黏性阻尼假定推导而来。黏性阻尼假定存在能量耗散与激振频率有关的缺陷，导致结构高频模态地震作用效应偏小，且阻尼矩阵与复模态分析结果相互影响，计算结果不唯一，合理性不易被判定。复阻尼假定避免了黏性阻尼假定的不足，但通常求得的地震作用效应为复数，不便于工程应用。为此提出一种基于复阻尼假定的复模态叠加法，直接在物理空间中求解，计算结果唯一，比基于黏性阻尼假定的复模态叠加法计算效率更高。与运用本文方法计算的地震作用效应结果相比，广为采用的折算阻尼比方法计算结果是不合理的。此外，给出了基于复阻尼假定的计算模态有效质量系数的方法，可用于确定合理的叠加模态个数。
在标准加速度反应谱基础上，研究并建立符合强震反应谱统计特征的谱阻尼折减系数是建立长周期、大阻尼比反应谱的一种实用方法。首先研究总结强震反应谱的统计特征，据此对我国建筑物、构筑物、核电厂、公路桥梁、工业企业电气设备等结构的抗震设计规范反应谱及谱阻尼折减系数的合理性进行定性研究，对已有改进抗震规范谱方案的合理性进行分析。结果表明：周期10 s内的相对位移反应谱值和相对速度反应谱值随阻尼比增大而减小，而绝对加速度反应谱值随阻尼比增大既可能增大也可能减小；我国各类结构抗震设计规范谱阻尼折减系数计算方案不甚合理；对规范谱及由有关学者提出的改进方案谱进行转换仅能得到适用范围有限的拟相对位移反应谱。
依据给定延性系数下地震强度和伪加速度响应之间的正比规律，提出了根据非线性静力分析得到的结构响应求解特定地震波形下相应地震强度的直接计算方法。建议的直接计算方法基于非线性静力分析得到的能力曲线，通过建立弹塑性体系伪加速度动力放大系数与延性系数之间的函数关系，快速求解曲线上各点对应的地震强度，建立可用于新一代基于性态抗震能力分析的结构响应函数。与已有寻求特定地震强度下结构响应性态点的计算方法不同，所提出的计算方法从能力曲线上的任一点出发，求解过程中仅有一个未知量，避免了迭代或试算。它既适用于平滑的设计谱，也适用于针对特定地震波的实际反应谱。在求得的结构响应曲线上，根据特定的地震强度，可以准确地反求性态点。针对实际反应谱和设计谱，通过算例分别与采用非线性时程分析和Chopra的算例进行对照。结果表明：建议的计算方法不仅准确，而且过程直接、计算快捷。
建筑结构的常规抗震设计，是按多遇地震作用对结构进行承载力及弹性侧移计算。为了保证结构的抗震性能，须验算结构在设防地震及罕遇地震作用下的承载力及弹塑性侧移。本文采用振型分解反应谱法，其中等效单自由度体系采用强化弹塑性模型，模型主要参数由常规抗震设计确定，屈服后刚度及阻尼比按模型强化段进行调整，利用规范的地震反应谱，进行结构的弹塑性反应分析。二层钢筋混凝土框架结构算例计算结果表明，采用本文提出的设计谱方法与弹塑性时程分析方法的计算结果基本相当，而计算则大为简化。按本文方法所得设防地震及罕遇地震作用下的结构地震响应可用于结构承载力验算，所得侧移可用于结构侧移控制及变形能力设计。
研制一种兼具自复位功能和高耗能的形状记忆合金复合摩擦阻尼器 (Hybrid Shape Memory Alloys Friction Damper,简写为HSMAFD)，该阻尼器由超弹性形状记忆合金丝复位装置和摩擦耗能装置组成。制作了HSMAFD模型，并通过试验研究了HSMAFD在循环荷载作用下的力学性能，考察了初始应变、位移幅值、摩擦力和加载频率对其力学性能的影响。基于改进的Graesser & Cozzarelli模型和Bouc-Wen模型，分别建立复位装置和摩擦装置恢复力模型，并对其力学性能进行了数值模拟。研究结果表明：HSMAFD在循环荷载作用下具有稳定的滞回特性、良好的耗能和自复位能力，且其滞回和自恢复性能可以通过调节超弹性形状记忆合金丝的初始应变和摩擦力而改变；数值模拟结果和试验结果吻合较好，验证了恢复力模型的正确性。
介绍基于弹塑性理论的日本现行钢筋混凝土结构大震抗震验算的保有耐力计算法，包括：保有耐力计算法的基本原理、确定方法和使用准则；结构楼层偏心率和刚性率对保有耐力的影响；结构各层的保有水平耐力计算；反映结构抗震特性的结构特征系数计算；结构保有耐力计算法的步骤和公式。并给出一个简单示例。以上有助于我国结构设计人员详细了解日本钢筋混凝土结构大震抗震验算的体系和具体方法，为发展我国的建筑结构大震定量计算方法提供借鉴。
针对目前混凝土双向密肋装配整体式空心楼盖刚度和变形计算存在较大误差的问题，对混凝土双向密肋现浇空心楼盖单元、混凝土双向密肋装配整体式空心楼盖单元及无顶板和底板的混凝土肋梁单元进行了静载试验研究。试验结果表明，混凝土双向密肋装配整体式空心楼盖单元的顶板及侧板与现浇混凝土密肋梁粘结良好，预制顶板和底板对试验单元的刚度有明显的贡献，装配整体式单元的受力性能与现浇单元相似。根据试验数据及有限元模拟结果验证了装配整体式单元顶板剪力滞后效应的存在，在此基础上提出了考虑预制顶板和底板作用的楼盖截面刚度计算方法。从双向密肋楼盖的计算方法——查表法和交叉梁法出发，对混凝土双向密肋装配整体式空心楼盖的弹性刚度及支座边界条件进行修正，提出更为精确合理的刚度和变形计算方法。用本文提出的计算方法对已有的足尺楼盖试件进行计算，得出的计算结果与试验结果吻合良好。
考虑轴压比、剪跨比、配筋率等不同参数的变化，设计一组端部带施工缝的钢筋混凝土柱进行低周反复荷载试验。观察试件的破坏形态并与无缝柱对比，发现施工缝对柱端传力机制和破坏机理均有影响，会造成应力集中，使塑性铰长度变小，沿施工缝的滑移使塑性铰区剪切变形增大。试验中测量了施工缝周围的剪切变形，得到剪力-剪切变形滞回曲线。分析各个参数对剪切滞回曲线的影响，发现轴压比增大使受剪承载力提高而使延性降低；剪跨比减小使剪切变形分量增大，同时使滞回曲线由梭形变为反S形。回归得出二折线骨架曲线的分段计算式，并在综合现有剪切恢复力模型研究成果基础上确定加卸载规则，给出了带施工缝钢筋混凝土柱截面剪切恢复力模型。对带施工缝试件进行数值计算，力-位移滞回曲线的计算结果与试验吻合良好，验证了模型的有效性。
对3层钢框架结构边跨梁在火灾作用下的性能进行足尺试验研究，试验中测量了炉温、钢梁和混凝土板沿截面高度的温度场分布以及钢梁和混凝土板的竖向位移。结果表明：钢梁下翼缘、腹板和烟气的温度基本一致；混凝土板内的温度滞后于钢梁温度，且在钢梁降温阶段，混凝土板温度持续升高，因此混凝土板限制了钢梁升温阶段的膨胀和降温阶段的收缩；钢梁在122 min的升温过程中变形较小，且在升温阶段变形就开始恢复，最终出现向上的竖向位移，这是框架结构中钢梁火灾行为区别于单个构件火灾行为的特点之一，表明框架结构中与混凝土楼板形成整体的边跨梁具有较强的抗火性能；最后钢梁上下翼缘焊缝被拉裂破坏，因此在工程应用中应尽量避免工地现场施焊的全焊接节点。利用非线性有限元软件对试验梁进行了火灾反应分析，得出了试验梁的温度场分布和位移反应的变化规律。有限元分析结果和试验结果基本一致，验证了有限元分析模型的正确性和可行性。
通过对一榀三层预压装配式混凝土框架的拟静力试验，了解框架承载力和破坏模式，得到框架位移滞回曲线、梁端转角滞回曲线，研究预压装配式混凝土框架的破坏机制、刚度退化、滞回性能、耗能能力、梁端转角延性等抗震性能。研究结果表明：在低周反复荷载作用下，框架梁端率先出现塑性铰，梁端截面转角延性系数在3.64至5.62之间；节点在柱轴向压力和水平预应力的共同作用下，核心区处于双向受压状态，节点的抗裂性能、框架整体抗侧刚度和变形恢复能力较好；加载至框架层间位移角为1/42～1/67时，框架承载能力没有出现明显下降，预压装配式框架属“强柱弱梁”型结构。
冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙（CTSRC剪力墙）在水平地震作用下经历整截面墙体受力和分缝墙体受力两个阶段，破坏模式和受力机理与传统剪力墙不同。剪跨比小于2.0 的CTSRC剪力墙在峰值荷载前表现为整截面墙体的受力性能，峰值荷载时宏观竖向裂缝两侧混凝土发生滑移，墙体逐渐演变为分缝剪力墙，有较好的耗能能力。针对CTSRC剪力墙的受力特征，将钢筋混凝土剪力墙的软化拉压杆模型与混凝土界面直剪受力的软化拉压杆模型相结合，考虑竖向裂缝处短细斜裂缝间混凝土破坏引起的竖向裂缝两侧混凝土的滑移，建立了CTSRC剪力墙受剪承载力的拉压杆－滑移分析模型和计算方法，计算结果和试验结果吻合良好，表明拉压杆滑移模型可以较好地反映剪跨比小于2的CTSRC剪力墙的受力机理，能够较准确地预测CTSRC剪力墙的受剪承载力。
按照正常配筋浇筑了9根钢筋混凝土梁，在部分混凝土梁受拉面上浇筑复合材料进行局部加固,其中1根为未加固的混凝土对比梁，5根为后浇超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)加固梁，3根为后浇UHTCC层配置纵向受力钢筋的加固梁。通过三分点受弯试验，对后浇UHTCC加固梁的破坏形态、梁体变形、裂缝发展、开裂荷载以及承载力等进行研究，并与未加固混凝土对比梁进行比较。结果表明，该加固方法能够有效提高梁的承载力和初始截面刚度，加固后仍有较好的延性，加固层限制了上层混凝土宏观裂缝的发展并实现将其无害化分散，推迟梁底有害裂缝的出现，提高了构件的正常使用极限荷载，具有良好的加固效果。试验还发现，不同的加固长度和后浇层厚度导致了不同的破坏形式；若构件在强度和刚度上有较高要求，可选择在后浇UHTCC层中布置纵筋；布置纵筋后，加固层端部集中应力随之增大，植筋可改善UHTCC和既有混凝土界面的粘结受力状态。
通过碳纤维布（CFRP）与钢板复合材料的徐变试验，分析了CFRP材料徐变与时间的关系，研究了加荷幅值、CFRP截面面积、初始应变等因素对其徐变性能的影响，揭示了CFRP材料徐变机理；通过徐变前后复合材料试件基本力学性能试验，研究了CFRP徐变对复合材料力学性能的影响；定性分析了徐变对复合加固混凝土梁的影响。研究表明：CFRP与钢板复合材料在40%极限荷载持续作用下，CFRP材料徐变值为初始应变的10%左右，且前期发展较快，100 h发展至70%左右，后期变缓；试件中CFRP材料的徐变值随着加载幅值、初始应变的升高而有所增大，但CFRP宽度对其影响不大；CFRP徐变后复合材料试件的屈服荷载、极限荷载和弹性模量均下降，且呈现徐变值越大，下降幅度越大的变化趋势；CFRP材料的徐变会引起复合材料加固构件截面应力重分布，导致CFRP应力减小、加固效果减弱。
应用ANSYS通用程序，对轴压钢管混凝土格构柱进行了有限元参数分析。计算结果表明：除钢材强度、混凝土强度等级以外，钢管混凝土柱肢的含钢率对稳定系数的影响也不可忽略，相同换算长细比的钢管混凝土格构柱，柱肢的含钢率越大，稳定系数越小。借鉴国内钢结构设计规程，在理论推导和工程实例数值分析基础上，给出了综合考虑钢材强度、混凝土强度等级、含钢率的钢管混凝土格构柱稳定计算的材料修正系数γ的计算式，并提供了实用表格以方便查用。算例分析结果表明，材料修正系数γ的计算值与有限元计算结果吻合良好。
领结式整体节点通过杆端截面高度的缩尺设计，可有效降低矩形钢管桁架结构的次内力。以简支Warren桁架为研究对象，采用ANSYS软件进行了钢桁架结构基于杆端缩尺的优化设计，分析了主要结构参数对桁架最小用钢量的影响规律。其中，设计变量包括杆件截面壁厚、缩尺高度比和缩尺长度比，约束条件包含结构竖向刚度、截面应力、杆件稳定、结构整体稳定等，杆件稳定系数的取值则依据杆端缩尺压杆承载力的有限元分析结果。结果表明，钢桁架采用杆端缩尺设计并适当提高缩尺段钢材强度等级之后，结构用钢量比一次优化（未缩尺）更为节省。
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