ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
结构抗连续倒塌设计方法的关键是确定因偶然作用导致局部构件失效后剩余结构的连续倒塌抗力需求。现有规范对连续倒塌抗力需求计算采用经验系数法，因缺乏理论基础，难以合理考虑结构连续倒塌过程中的非线性和动力效应的影响，其可靠性不足。基于能量方法，建立了RC框架结构连续倒塌抗力需求分析的理论框架，推导出RC框架结构梁机制下抗连续倒塌子结构及其构件的非线性动力抗力需求与线性静力抗力需求之间的关系，通过该关系对线性静力抗力需求的修正，能够综合考虑RC框架结构在梁机制下连续倒塌过程中的非线性和动力效应的影响。通过数值算例分析了现有规范中经验系数法的问题，验证了本文方法的正确性。
悬链线机制下的连续倒塌抗力需求计算是RC框架结构大变形阶段抗连续倒塌设计的关键。现有规范方法没有考虑非线性动力效应对该阶段抗力需求的影响，因而导致不安全的设计结果。根据RC框架结构基于能量平衡原理的抗连续倒塌抗力需求分析的理论框架，推导了RC框架结构在悬链线机制下抗连续倒塌子结构及其构件的非线性动力抗力需求与非线性静力抗力需求之间的关系，建立了RC框架结构悬链线机制下连续倒塌抗力需求计算的理论方法。通过数值算例验证了本文方法能够正确描述RC框架在悬链线机制下的连续倒塌抗力需求关系。
动力荷载作用下的结构倒塌破坏问题一直是一个复杂而重要的研究课题。基于有限质点法对结构的倒塌破坏过程进行模拟和分析。有限质点法是基于向量式结构力学的数值分析方法，它将分析域离散为质点，质点间通过单元相连，质点间作用力的关系依靠单元变形描述，质点运动遵循牛顿第二定律，该方法通过描述质点的运动行为来追踪结构行为。给出了有限质点法的基本概念，以空间杆系结构为例建立质点的运动方程及其求解步骤。通过单元虚拟运动分离单元的刚体运动和纯变形，推导了空间梁系结构的计算公式。有限质点法计算结构非线性行为无需迭代求解非线性方程或特殊修正，计算构件断裂行为不受网格划分限制，与传统方法相比在结构复杂行为分析中具有优势。
采用有限质点法求解结构倒塌破坏的关键问题，包括结构动力反应、几何非线性和材料非线性分析以及构件断裂。采用虚拟运动分离单元的刚体运动和纯变形，用以模拟结构的几何非线性行为；根据不同的本构模型计算质点内力，求解材料非线性问题；为模拟构件的断裂，建立了杆单元和梁单元的断裂准则，提出了断裂发生后的结构计算方法；综合考虑各关键问题，给出结构倒塌过程模拟的分析流程。通过对一个空间刚架的几何非线性、材料非线性和断裂行为的模拟和分析，验证了有限质点法在结构复杂行为计算中的正确性；最后对某悬挑网架结构在台风作用下的倒塌破坏过程进行研究，并将分析结果与现场破坏情况进行对比和分析。研究表明，该方法适用于结构的倒塌破坏研究，可以对倒塌全过程进行模拟，计算结果能够揭示结构的倒塌破坏机理。
为了进行建筑结构倒塌全过程的力学模拟，针对建筑结构倒塌数值模拟梁壳单元几何、材料、接触三重非线性且连续体向非连续体转化的动力计算问题，提出了显式有限元与离散元的统一模型“质点元方法”，该方法通过定义广义连接模型、构造连接模型转化法则和建立接触碰撞算法，将显式有限元与离散元统一于相同的计算框架之下，较好地继承了有限元的单元技术、本构技术以及离散元的非连续体计算能力，具有效率优先、精度可调的特点。通过某框架剪力墙结构计算表明，质点元方法能够用于建筑结构倒塌的连续体与非连续体共存及转化的强非线性动力计算。
基于“偶然事件”、“局部损伤”、“不成比例破坏”和“失效后果”四个方面给出了结构鲁棒性的新定义，将结构鲁棒性的定量测度划分为四类，分别从结构的属性、结构的确定性性能、结构的可靠度以及结构的风险等方面详细阐述了目前已经提出的各种鲁棒性指标；分别采用基于承载力的鲁棒性指标、基于可靠度的鲁棒性指标以及基于风险的鲁棒性指标，对按照我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构的抗震鲁棒性进行了定量评价。结果表明：采用三类指标的鲁棒性评价结果一致，按照我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震鲁棒性。
上海中心大厦塔楼高632m，该结构为巨型框架-核心筒-外伸臂结构体系，钢混凝土混合结构。应用ABAQUS软件对该结构进行了7度多遇、基本和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，得到各水准地震作用下结构动力特性和位移反应，分析了结构的地震损伤破坏过程及损伤分布情况。同时，为进一步评价其抗震性能，进行了1/50比例的整体模型振动台试验，研究其地震破坏机理及抗震薄弱部位。弹塑性时程分析和振动台试验结果表明：该结构能够满足预先设定的抗震性能目标，且有较高的安全储备。
为研究黏滞阻尼器腋撑对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响，设计制作了带黏滞阻尼器腋撑的钢筋混凝土框架模型和普通框架模型各1榀，对其进行水平正弦稳态激励荷载作用下的抗震性能试验，研究了两榀框架的滞回特性、耗能能力以及关键测点应变等。试验结果表明：设置黏滞阻尼器腋撑框架的滞回曲线较普通框架饱满，结构的耗能能力及附加阻尼比显著提高；激振频率变化对两榀框架的滞回特性以及钢筋应变影响较小；设置黏滞阻尼器腋撑可较大幅度降低梁柱节点处的内力，延缓框架柱顶塑性铰的产生和发展，有效地保护梁柱节点，改善钢筋混凝土框架的抗震性能，但黏滞阻尼器腋撑加大了梁柱加腋处及柱脚的内力；带黏滞阻尼器腋撑钢筋混凝土框架和普通框架均为柱脚塑性铰发展严重而破坏。
通过1榀两跨三层实腹式型钢混凝土(SRC)异形柱中框架的低周反复加载试验，观察其受力过程及破坏形态，分析其荷载-位移滞回曲线和骨架曲线、承载能力、层间位移角、延性、耗能以及刚度退化等力学特性。结果表明：实腹式SRC异形柱中框架属于典型的“强柱弱梁”结构，破坏机制为梁铰机制；滞回曲线饱满，破坏时结构整体位移延性系数均值达到5.5，等效黏滞阻尼系数达到0.249；抗倒塌能力强，极限弹塑性层间位移角约为1/39～1/13。实腹式SRC异形柱中框架总体上表现出良好的抗震性能，可以应用于高抗震设防烈度区的多高层建筑中。
通过移位工程框架柱包裹式托换节点缩尺模型的正交试验研究，分析托换梁剪跨比λ、纵筋配筋参数ρfy、配箍率、混凝土强度及梁柱结合面插筋配筋参数ρj f yj对托换节点破坏形态和受力性能的影响。试验结果显示，试件的破坏形态分为托换梁的受弯破坏和弯剪破坏两种形式，梁与柱结合面是薄弱位置；通过对试验数据回归分析，得到了在试验参数范围内各影响因素与托换节点破坏荷载的关系，所研究因素中剪跨比λ对托换节点承载力的影响最为显著，其次是纵筋配筋参数ρfy、配箍率和插筋配筋参数ρj f yj；依据试验结果提出了框架柱托换节点承载力计算公式，计算结果偏安全。
通过6根钢筋混凝土短柱的低周反复加载试验研究，分离了柱剪切反应和受弯反应。分析结果表明：剪切破坏柱的剪切刚度随剪切裂缝的开展逐渐减小，达到最大剪力时剪切反应骨架曲线进入下降段，剪切滞回曲线具有捏拢效应及刚度退化等特征。达到最大剪力前，柱剪切反应、受弯反应同步发展；达到最大剪力后，对于剪切破坏柱，受弯反应不再发展，剪切反应不断增加，对于受弯破坏柱，两种反应发展趋势相反。对于初始受剪能力小于受弯能力的柱，在剪力达到初始受剪能力时进入剪切破坏阶段；对于初始受剪能力大于受弯能力的柱，塑性铰区的受剪能力会随着弯曲变形的增大而逐渐降低，当受剪能力降至受弯能力以下时进入剪切破坏阶段。在多弹簧模型中引入反映柱平面受剪作用的剪切弹簧，将柱受力机制视为受弯机制与受剪机制的串联，提出了考虑剪切作用的钢筋混凝土柱地震反应分析方法。理论计算结果和试验结果比较表明：考虑剪切作用的多弹簧模型能较好地反映剪切破坏柱的受力性能；未考虑剪切的多弹簧模型会高估剪切破坏柱的延性、耗能能力及抗侧能力，结果偏于不安全。
通过3个再生混凝土框架梁柱中节点试件在低周反复荷载下的加载试验，对其破坏形态、滞回性能、延性特征、刚度退化等进行了研究，为再生混凝土结构的工程应用提供试验依据和理论基础。研究结果表明：再生混凝土节点受力和破坏过程可分为初裂阶段、通裂阶段、极限阶段、破坏阶段；节点核心区剪切破坏时，混凝土多沿再生骨料新老砂浆界面呈酥松状破坏，表现出明显脆性性质；增加箍筋数量，可以提高节点核心区的受剪承载力；在核心区发生剪切破坏前，梁根部纵筋能够充分发挥变形能力，滞回曲线较为丰满；施加轴向压力，可延缓节点裂缝的开展，抑制梁纵筋黏结滑移，有助于提高试件的抗震性能；再生混凝土试件具有一定的延性和耗能能力，通过合理的设计可以用在抗震设防地区。
通过7片外置薄钢板再生混合墙的拟静力试验研究，分析了废弃混凝土混合比、钢板厚度、轴压比、横隔板间距、高宽比等参数对试件抗震性能的影响。基于新、旧混凝土的组合强度，对试件的水平承载力进行了近似计算分析，并在总用钢量基本一致的情况下，与钢筋混凝土墙的水平承载力进行对比。研究结果表明：废弃混凝土混合比在0~33%之间变化对试件的初始刚度、水平承载力、破坏位移角、耗能能力、滞回曲线形状等影响有限；外置薄钢板再生混合墙的设计轴压比不宜超过0.35；在混合墙厚度与钢板厚度之比高达120的情况下，外置薄钢板再生混合墙具有较稳定的滞回性能和变形能力，其破坏位移角满足现行抗震规范要求；外置薄钢板再生混合墙具有与钢筋混凝土墙相当甚至略高的耗能能力；在总用钢量基本一致的情况下，外置薄钢板再生混合墙具有与钢筋混凝土墙基本相当的水平承载力。
结构在地震作用下的损伤往往与地面运动的加速度循环特征密切相关，为反映这种地面运动特征，引入了累积延性比，并结合标准化的滞回耗能谱，提出了钢板剪力墙（SPSW）结构基于能量的性态抗震设计方法。该方法给出了SPSW结构中钢梁、钢柱、剪力墙板累积滞回耗能的计算方法，引入捏缩系数来反映构件的滞回特性，采用能力设计方法确定剪力墙板周边的梁、柱截面，确保SPSW结构在罕遇地震作用下出现理想的塑性机构。通过对1榀10层3跨的SPSW结构算例分析，采用弹塑性时程分析对所设计结构进行了验证。计算结果表明：结构最大楼层侧移平均值满足我国现行抗震规范的要求，与设计假定的目标侧移基本一致，验证了建议方法的合理性。
研究速度脉冲强震作用下竖向不规则钢筋混凝土框架结构的抗震易损性。以5层和10层底层竖向不规则框架结构为分析对象，考虑地震动输入的不确定性，通过非线性动力时程分析获得结构底层最大层间位移响应，并通过曲线拟合建立最大层间位移与基本自振周期对应的谱加速度函数关系；假定最大层间位移和极限性能目标位移取对数正态分布的平均值，建立能有效评估结构竖向不规则极限控制参数的易损性曲线。分析结果表明：速度脉冲强震作用下，楼层承载力和刚度突变对结构层间位移有较大影响，底层竖向不规则程度越大最大层间位移亦随之增大，而中间层最大层间位移则减小；地震动强度越大，最大层间位移离散性越大；楼层承载力和刚度突变对抗震易损性曲线的影响较大，楼层数不同结构易损性曲线趋势不同。
不锈钢材料在建筑结构中已得到广泛应用。为研究焊接不锈钢梁的整体稳定性能，进行了纯弯状态下的静力试验研究。试验包括10个试件，材料类型为奥氏体型316。截面类型采用了双轴对称和单轴对称工字形截面，试件的端部约束采用夹支，试验过程持续加载，直至达到试件的承载力峰值。基于试验结果，研究了焊接不锈钢梁的失稳破坏形态和极限承载力；对比了试验极限弯矩与理论弹性弯矩、塑性弯矩的差异，并将试验结果与有限元分析结果进行了对比。结果表明：试件的承载能力随着跨度的增大而减小，有限元分析能够准确预测试件的承载力，与试验结果吻合良好。
为研究现有钢结构设计规范是否仍适用于高强钢中厚板焊接箱形柱的设计，对Q460钢轴心受压柱的极限承载力进行了参数分析。采用数值积分法，并与有限元程序ANSYS的数值计算结果作进行对比。数值模型考虑了1/1 000柱长的初始弯曲及由相应截面尺寸残余应力试验提出的残余应力分布简化模型。试件的主要参数为截面宽厚比（7.8~17.2）与柱长细比（10~130）。计算结果表明：考虑相同初始缺陷的有限单元法与数值积分法所得计算结果吻合较好；与普通强度钢柱相比，初始几何缺陷对高强钢焊接箱形柱的极限承载力影响降低，柱的稳定系数提高；残余应力降低柱的稳定系数，但其影响效应随长细比变化。参数分析结果与现有规范计算结果对比表明，中厚板Q460高强钢焊接箱形柱，当宽厚比b/t≤20时，可采用高于普通强度钢柱的b类柱子曲线。
采用高性能钢材对预应力撑杆柱整体稳定性能具有显著影响。采用有限元软件ANSYS对普通强度钢材预应力撑杆柱和无预应力柱进行了弹性屈曲分析，并与理论公式相比较，验证了有限元模型的正确性。考虑了材料非线性、几何非线性和初始缺陷，对模型进行弹塑性轴压稳定承载力分析，比较了钢材种类对预应力撑杆柱和无预应力柱稳定承载性能的影响。分析结果表明：预应力撑杆体系和高性能钢材的合理使用，能显著提高轴心受压柱的承载能力，充分发挥两者的优势。
树状结构具有造型新颖、受力合理的特点，因而在工程中得到广泛应用。作为一种复杂的空间刚架体系，构件布置方式的确定（即找形分析）是树状结构设计中重要的环节。构件布置合理与否将直接影响树状结构的工作性能。基于形效结构的概念，通过分析树状结构的几何特点和受力特点，提出了一种树状结构的找形新方法--逆吊递推找形法。该方法的基本思路是，根据各级树枝所支承的屋面区域找到相应的受荷中心，依次令各级树枝指向其分担的屋面受荷中心，通过逐级递推建立树状结构的几何形态。在此基础上，明确了逆吊递推找形法的具体实施步骤和需要注意的问题。最后结合一树状结构工程实例，介绍了逆吊递推找形法的实际应用过程。研究结果表明：采用逆吊递推找形法生成的树状结构的所有构件均只受轴力作用，属形效结构。
大跨度空间结构自振频率高度密集，振型耦联作用明显，采用传统振型分解反应谱法计算结构地震响应时，存在振型组合数量大、组合方式不尽合理等问题。采用真正意义的随机振动方法计算大型复杂结构地震响应的需求越来越迫切。时域显式法基于动力响应显式表达式进行随机振动分析，具有良好的计算精度和计算效率，为大型复杂结构的随机振动分析提供了一条有效途径。以时域显式法为基础，在通用有限元软件平台上实现了大跨度空间结构在非平稳地震作用下的随机响应分析。以广州亚运会自行车馆抗震分析为工程应用实例，验证了时域显式法在大跨度空间结构抗震分析中的高效性；同时，计算结果还表明，相对于时域显式法的结果，传统反应谱法的计算结果偏于保守。
以某大跨度钢-混凝土组合楼板模型为对象，采用ANSYS程序进行动力时程分析，研究人群荷载作用下，荷载布置方式、结构阻尼比、楼板边界条件、楼板长宽比和人群步行方式等因素对大跨度楼面结构振动响应的影响，分析大跨度楼板的人群动力响应特性。研究结果表明：不利布载形式为中间板带附近布置人群荷载；楼板长宽比越大则楼面结构响应峰值越小；连续步行荷载作用的楼板振动响应大于原地踏步荷载的响应；楼板边界约束越强振动响应越小；增大阻尼比能显著减小人致振动。
传统的计算长度系数法计算框架稳定时不能考虑同层柱之间的支援作用以及层与层之间的支援作用，有可能会造成不合理的设计。利用等效负刚度的概念，定义了可用于表征层刚度富余程度的层刚轴比系数以及表征层间支援程度的层支援系数，通过层刚轴比系数可以方便的确定框架的薄弱层以及各层之间的相互支援关系，推导了可直接计算有侧移框架整体弹性稳定承载力的简单实用的计算公式。该公式可很好的考虑同层柱之间的支援作用以及层与层之间的支援作用，避免了有限元屈曲分析。通过弹性稳定承载力可进一步反算柱的计算长度系数用于构件校核。算例计算结果表明：该方法具有很好的精度和准确性，计算结果稍偏安全，可供工程设计及理论计算使用。
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