ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
通过大型通用有限元程序MSC.MARC(2005r2)二次开发将纤维截面模型和基于位移的无滑移分布塑性铰梁单元相结合，得到了一种用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元。该单元在兼顾模型的准确性、通用性以及高效性的同时，具有较优的求解效率、数值稳定性以及前后处理速度。根据工程中常用组合截面的特点提出了组合截面的定义方式及其纤维离散过程，并给出了截面本构关系的求解流程。分析了混凝土、钢材以及钢筋三种材料的单轴本构关系，混凝土材料模型能反映普通、高强以及约束混凝土的不同力学特性，并在已有的考虑单次加卸载强度退化模型的基础上发展了能够考虑多次加卸载强度退化行为的混凝土滞回准则，从而使模型更符合地震作用下组合构件中混凝土材料的实际复杂非线性行为，钢材和钢筋模型能较合理地考虑往复荷载作用下的包兴格效应。
将用于钢-混凝土组合结构地震反应分析的纤维梁单元应用于各种类型构件的非线性分析中，包括普通钢筋混凝土构件（钢筋混凝土梁、钢筋混凝土柱和钢筋混凝土受弯剪力墙）、钢-混凝土组合梁构件（承受正、负弯矩的简支组合梁、连续组合梁和往复荷载作用下的组合梁）以及钢管混凝土构件（圆形、方形以及矩形轴心受压短柱构件、纯弯构件、压弯构件和往复荷载作用下的压弯构件），数值模拟结果和试验结果均吻合良好，证明了该模型具有良好的精度以及广泛的适用性。通过对关键截面关键纤维的应力-应变发展过程进行分析，对这些构件的内在受力机理和破坏规律进行了深入的讨论。经过验证可知，开发的纤维梁单元不仅能充分兼顾准确性、通用性以及高效性，同时还具备求解速度快、数值稳定性好以及前后处理强大方便的特点，为组合结构体系的地震反应分析提供了可靠的手段。
合理有效地控制地震作用下建筑结构的损伤机制，是提高建筑结构抗震性能的重要手段。体系设计、需求分析和构件设计是结构损伤机制控制的三个主要方面。在总结建筑结构抗震损伤机制控制发展过程的基础上，着重于需求分析，建议了一套基于建筑结构损伤机制控制的抗震设计方法。该方法采用两阶段设计：在多遇地震设计阶段，采用线弹性分析给出结构预期损伤部位的承载力需求；在罕遇地震设计阶段，采用等效线性化法定量给出结构在罕遇地震作用下实现预期损伤机制下损伤部位的变形能力需求和非损伤部位的承载力需求，为构件的抗震设计提供依据。通过一个钢筋混凝土延性框架结构算例说明了建议方法的实施流程，并通过动力弹塑性分析评价了建议方法的效果。分析结果表明，与现行规范方法相比，建议方法更有助于预期损伤机制的实现。
按照GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》6～8.5度的丙类与乙类设防要求分别设计了10个典型RC框架结构算例，采用基于动力增量时程分析(IDA)地震倒塌易损性分析方法得到了各算例结构在遭遇罕遇地震和特大地震时的倒塌率，据此对不同设防烈度的丙类和乙类RC框架结构的抗地震倒塌能力进行了评价分析。研究指出，结构的抗倒塌能力需根据结构的绝对抗震能力和相对地震动强度来进行评价。分析结果表明，对于6～7.5度抗震设防的结构，因其绝对抗震能力偏低，抗震设防烈度仅由丙类提高到乙类，其在遭遇特大地震时的抗地震倒塌能力仍较差，需采取进一步的措施增强其抗震能力。
云南省博物馆新馆是采用基础隔震结构的大型建筑，其隔震层采用铅芯橡胶支座与橡胶支座。该结构为 钢-混凝土混合结构，具有楼板不连续、竖向杆件不连续等特点，并且屋面钢桁架设有多层钢结构悬挂层。为研究该隔震结构的抗震性能，进行了1/30比例模型模拟地震振动台试验。结果表明，8度多遇、设防和罕遇地震作用下结构未出现破坏，结构自振频率未有明显变化，结构保持为弹性状态；在多遇、设防和罕遇地震作用下主体结构加速度放大系数小于1，设防烈度地震作用下，层间位移角小于弹性层间位移角限值；隔震层支座滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力；结构在不同地震波作用下的加速度和位移反应不同。结构4～6层测点加速度放大系数和层间位移(角)略大，模型顶部钢桁架系统隔震效果不明显。
研究基于性能的抗震设计方法在超限高层建筑中的应用，以无锡苏宁广场北楼为例，采用性能化设计方法使结构抗震设计从宏观定性的目标转化为具体的多重目标，从而提高设计的可靠性。首先建立超限高层建筑结构在不同水准地震作用下的抗震性能水准和性能目标，利用弹塑性分析及评估软件PERFORM-3D建立结构的基准有限元模型，计算结构在小震和中震作用下的弹性响应，并进行结构静力弹塑性分析和大震作用下的弹塑性时程响应分析，然后利用各水准地震作用下的响应判定结构的性能水准，从而确定结构是否达到预期的性能目标。计算结果表明：无锡苏宁广场北楼能够满足我国现行抗震规范提出的各项抗震设防要求和各项既定的抗震性能目标，对其采用基于性能的设计是对超限高层设计方法的有益探索。
对平面K形圆主管方支管节点的承载力进行试验研究，进行了5个空钢管节点和1个主管内灌混凝土节点的静力单调加载试验。介绍了节点试验方案，考察了节点的受力性能、破坏模式和承载力，给出了试件支管的变形曲线以及折算应变曲线，并对支管壁厚、主管内浇灌混凝土对节点承载力、刚度和延性的影响进行了分析。试验结果表明：现行国内外规范中圆钢管和方钢管节点承载力计算值明显低于试验值，已有的计算公式都不能准确计算圆主管方支管节点的承载力；增加支管壁厚改变了节点的破坏模式并明显提高了节点承载力和延性；主管内灌混凝土虽提高了承载力和初始刚度但延性并没有得到显著提高；圆主管方支管节点区域的变形主要源于受拉支管的局部变形。在节点破坏模式、变形曲线、承载力和塑性发展等方面将有限元计算值与试验结果进行比较，结果吻合良好，可以作为进一步分析的基础。
提出了一种适用于输电钢管塔塔脚的双层法兰节点连接型式，指出其上、下法兰板厚度的确定是该法兰节点设计的难点。为分析双层塔脚法兰的受力性能，以榕江大跨越塔工程为背景，设计了1：2.9缩尺模型试件进行静力试验，并对试验模型进行有限元非线性数值分析。结果表明：双层塔脚法兰受力合理，可用于实际工程；在进行双层塔脚法兰设计时，其螺栓、肋板及焊缝可按传统法兰设计；上、下法兰板厚度可按三边固支一边自由的矩形板受等效均布压力计算确定；鉴于上法兰板实际受力性能比等效均布荷载作用下差，其荷载应进行调整，建议调整系数取1.6；对于下法兰板，由于实际受力时三边约束与理论计算时存在差异，其厚度可以折减，建议折减系数取0.85。
提出了一种适用于钢管杆塔的内外法兰连接型式，阐述了该法兰的特点，对节点的设计进行了系统分析，提出了节点螺栓拉力计算模型，指出确定计算螺栓拉力旋转轴的位置是整个新型法兰的研究重点。为考察新型内外法兰的受力性能、节点破坏模式、内外圈螺栓拉力及法兰螺栓群的受力分界线，以白花洞钢管杆工程为背景，进行了2个缩尺法兰模型的静力试验。同时，对试验模型进行了非线性有限元分析，试验结果与有限元分析结果吻合较好，分析结果均表明：这种法兰构造合理、安全可靠，可用于实际工程。最后，结合试验与有限元参数分析结果，给出了内外法兰受弯时的设计方法，建议计算螺栓拉力的旋转轴位置可取在距钢管中心0.7r处(r为钢管半径)。
为了探讨钢框架梁柱连接节点的转动刚度和破坏模式，针对常见梁柱节点类型，包括全焊接连接、外伸式端板螺栓连接、T型钢螺栓连接、上下翼缘及腹板角钢螺栓连接等，进行了单向加载试验研究。试验结果表明，各类节点的总转角均超过了0.05 rad，塑性转角均超过了0.04 rad；节点域剪切变形较大，特别是全焊接节点，使节点转动刚度显著降低；当连接较强时，框架梁可以在连接破坏之前形成塑性铰；当连接较弱时，连接件容易因过度变形而破坏。通过对试验数据的分类整理分析，梁柱节点总转角可以分成节点域转角和连接转角两大部分，给出了常见节点类型在弹性阶段的转角及转动刚度简化计算方法，并与试验结果进行了对比，计算结果与试验结果吻合较好。
偏心支撑半刚接钢框架是一种新型抗震结构体系，为研究其动力特性及抗震性能，进行了4个三层空间框架试件的试验研究。动力特性测试表明，随着梁柱节点转动刚度的降低，结构自振频率减小，阻尼比增加。循环加载试验表明，节点刚度和承载力对偏心支撑框架结构的滞回性能有显著影响，节点刚度和承载力越高，滞回性能越好，节点刚度较低的偏心支撑框架不宜用于抗震设防区；偏心支撑显著增加了半刚接钢框架的抗侧刚度，使得节点刚度对框架刚度的影响减弱，但降低了结构延性；结构的塑性变形主要来自节点域、消能梁段及梁柱节点连接件；多层偏心支撑框架的侧移变形为剪切型，层间屈服位移角较大。
为研究采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点力学性能和耗能能力，对马氏体镍钛形状记忆合金材料进行了单调拉伸和形状记忆效应试验，对采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的梁柱节点进行了拟静力试验和加热修复后的再次试验。研究结果表明：镍钛合金具有较大的可回复应变，从而能够适应节点不同程度损伤状态的性能修复要求；采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点具有稳定的滞回性能和耗能能力；节点具有后期强化效应，能够一定程度上弥补或消除节点部位受损元件引起的节点性能退化；镍钛合金独特的形状记忆效应和优越的疲劳性能确保了镍钛形状记忆合金螺杆的可重复使用和复原节点性能的能力；螺杆应变过大将导致形状记忆效应衰退，加热修复后将产生残余变形。最后，通过与角钢连接和钢螺杆连接的钢框架梁柱节点的性能对比分析，发现采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点具有更好的延性和能量耗散能力。
设计了一种空间框架梁柱节点伪静力加载试验系统，具有如下特点：采用梁端主动加载模式，柱端约束装置采用空间球型支座，梁端约束装置采用自主研发的套箍式球铰支座，在双向加载过程中不产生附加约束；易于采用各梁端作动器连通的同步加载规则，同时适用于伺服与非伺服加载模式。基于能量原理，将空间梁柱节点多梁端复杂滞回关系转化为等效柱端水平力-水平位移滞回关系，以更为合理地评价节点整体抗震性能。多组节点的验证性试验表明，该系统性能良好，适用于空间梁柱节点抗震性能试验研究。
为研究波纹腹板H型钢梁的受弯性能，首先对其进行理论分析，得出波纹腹板H型钢梁的承载力完全由上、下翼缘提供，腹板不承担弯曲正应力，并提出受弯承载力的理论计算式。设计完成2个试件的受弯承载力试验，得到了试件的荷载-位移曲线、极限荷载和破坏形态等。试验结果证明了所提出理论分析模型的正确性，并验证了所提出的承载力计算式是安全合理的。为了进一步验证理论分析模型，同时支持参数分析，采用有限元方法对波纹腹板H型钢梁的受弯性能进行数值模拟。有限元方法和试验得到极限弯矩等结果较为接近，试验梁的破坏弯矩超过理论塑性弯矩20%以上。通过参数分析可知：稠密腹板波形及较小的翼缘宽厚比能够提高极限弯矩；腹板高厚比对极限弯矩无显著影响。
设计了5个钢筋混凝土核心筒试件并进行了拟静力试验，对其开裂过程、屈服顺序、滞回性能、耗能能力、承载力、延性、变形能力、刚度退化、截面应变及剪力滞后等进行研究，得到了试件开裂、屈服直至破坏时的荷载，分析了核心筒的破坏机理和较大塑性变形区域受力情况，研究了试件高宽比、连梁纵筋配筋率、连梁跨高比及加载角度等因素对核心筒的破坏模式、承载力、延性、耗能能力和剪力滞后的影响。研究结果表明，高宽比对核心筒结构的承载力和变形性能有较大影响，并决定着核心筒的破坏模式；过度增大连梁纵筋配筋率在提高侧向承载力的同时降低了试件的延性；增大连梁跨高比可以显著提高核心筒的侧向刚度和承载力，但也严重影响了试件开裂后的性能，变形能力较差；不同加载角度的侧向力改变了整个核心筒的受力承载模式，各墙肢积极参与受力，空间效应明显，增大加载角度仍可获得较好的滞回性能。
各国现行设计规范中的节点受剪承载力计算公式均为基于试验资料的半经验公式，缺乏合理理论模型支撑。在已有研究基础上，通过建立平衡方程、几何方程和物理方程对钢筋混凝土框架节点进行受力分析，建议了框架节点等效核心区在剪、压复合作用下的简化计算模型，并将国内外108个钢筋混凝土框架节点试件(包括常规中节点、边节点、变梁中节点等)受剪承载力的试验结果与该模型计算得到的理论结果进行对比。研究表明：基于简化模型计算得到的节点受剪承载力与试验结果吻合较好，与我国现行规范建议设计方法的计算结果相当，该建议方法有明确的力学计算模型，能较为合理地反映框架节点的受力机理，可为混凝土构件受剪分析模型化提供参考。
根据10个梁高不等的钢筋混凝土框架中节点试件在低周反复荷载作用下的试验结果，重点分析了该类非常规节点的破坏过程和破坏特点。试验结果表明：变梁中节点试件通裂阶段与极限阶段非常接近，试件达到通裂阶段后，剪切变形急剧增大，强度、刚度退化显著加剧，试件破坏时节点区斜裂缝主要集中在大核心区(柱与大梁构成的区域)平行对角线方向的2/3范围内，按常规节点设计的变梁中节点不能满足刚性节点的要求。在斜压杆机构和桁架机构的基础上，结合该类非常规节点核心区两侧梁高不等的特性提出变梁中节点的等效斜压杆破坏机理，并应用等效斜压杆机理对变梁中节点的受剪性能进行理论分析，计算得到的节点区剪应力-剪切变形曲线与试验结果吻合良好。
进行了4榀底部框架、上部密肋复合墙结构墙梁大比例模型的抗震性能试验，研究了墙梁在低周反复荷载作用下的破坏过程及特征、滞回及耗能特性、承载力、位移延性、刚度退化以及抗倒塌能力。试验结果分析表明：多层框支密肋复合墙结构墙梁以剪切型破坏为主，结构具有较高的承载能力、较大的延性和较好的抗倒塌能力；墙梁的组合作用效应显著，托梁支座斜截面受剪承载力为其主要控制因素；上部密肋复合墙体呈现“填充砌块密肋框格-隐形框架”依次开裂的破坏特征，有利于保证结构的抗震安全性能；在洞口设置构造柱和过梁能够保证结构的承载力和刚度基本不变，但试件的延性会有所降低；密肋复合墙体的水平承载力和抗侧刚度较大，应注意合理控制结构上下刚度和承载力的分布，可通过在底层增设密肋复合墙或对密肋框格进行优化设计予以实现。
为研究剪力连接程度对预应力钢与混凝土组合箱梁的界面相对滑移、挠度及受弯承载力的影响，设计制作了4根不同剪力连接程度预应力钢与混凝土组合箱梁模型试件，采用三分点对称加载，对其进行了受弯性能试验研究。研究表明，随着剪力连接程度的降低，变形及界面滑移明显增大，承载能力有所降低，但并不与剪力连接程度成正比关系,连接程度为0.5的组合箱梁承载力较完全连接组合箱梁降低不到30%。结合国内外7根部分剪力连接组合梁试验资料, 运用最小二乘法，对欧洲规范EC4中关于部分剪力连接组合梁承载力计算公式进行了修正。结果表明，修正值与实测值吻合良好，满足工程精度要求。
为研究钢箱内填混凝土、含钢率以及钢箱内纵向加劲肋是否开孔等对钢箱混凝土轴压短柱力学性能的影响，进行了3个钢箱混凝土和1个钢箱轴压短柱的模型试验。试验结果表明：钢箱内填混凝土可有效提高试件的轴压刚度和承载力；纵肋可充分参与构件整体受力，其中纵肋开孔试件变形能力更强，延性更好。与设纵肋薄壁钢管混凝土短柱现有试验数据对比表明：随含钢率的提高，混凝土强度提高系数有所增大。建议设纵肋钢箱混凝土轴压短柱承载力可按叠加原理进行计算，其中钢箱截面积可计入纵肋的面积。
对7根圆钢管钢纤维高强混凝土短柱和3根圆钢管高强混凝土短柱进行了轴心受压试验，研究钢纤维掺量、含钢率和混凝土强度等级对钢管钢纤维高强混凝土短柱受力性能的影响。研究结果表明：随着钢纤维体积掺量的增加，钢管钢纤维高强混凝土短柱的延性逐渐增大，承载力略有提高；随着含钢率的增加，钢管钢纤维高强混凝土短柱的承载力和延性均增大；随着混凝土强度等级的增加，钢管钢纤维高强混凝土短柱的承载力增大，延性逐渐降低；掺入钢纤维对钢管高强混凝土短柱的破坏模式几乎没有影响。最后给出了钢管钢纤维高强混凝土短柱承载力计算式。
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