ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
多重弦支网格梁结构由上部单层网格梁和下部多重弦支结构组成。上部单层网格梁为双向正交正放连续网格梁，下部多重弦支结构由主索、次索、竖向撑杆以及斜拉钢棒构成，上下两部分结构共同工作形成空间结构整体。通过主索、次索两端施加预加应力，使所有索张紧、竖向撑杆受压、上部网格梁整体上拱，改善单层网格梁受力和变形特性，提高其承载力和稳定性；通过山西体育中心三馆屋盖钢结构体系选型分析，将多重弦支网格结构与张弦梁结构的受力性能进行对比分析，研究表明：多重弦支网格梁结构具有更好的空间作用效应，提高其整体结构的稳定性和承载力。
世界大学生运动会主体育场钢屋盖采用单层折面空间网格体系。采用一次性建模法跟踪模拟世界大学生运动会主体育场的施工过程。通过有限元分析考虑临时支撑柱、连系桁架以及看台支撑对结构的影响。对施工吊装进行了分析，总结了结构施工中的难点，并对铸钢节点进行了分析。研究表明：将应力监测点设置在临时支撑的较低位置而非主体结构上，可以有效地指导施工；临时支撑对结构影响显著；采用容许应力法确定吊绳截面尺寸，通过人为扶正的办法可以解决平面外位置偏离问题，而拼装结构的平面内稳定可以通过加设临时连杆实现。利用卡环将吊绳直接锁在构件上进行吊装；铸钢节点的最大应力未超过屈服应力，具有较高的安全储备。
索穹顶施工是将索杆系经由无应力组装状态、低应力松垂状态向高应力成型状态转变的过程。基于索穹顶无支架提升牵引施工方法，在地面组装内拉环和脊索网，随后续提升牵引在低空组装其它索杆系；以外压环为支座利用工装索交替提升内拉环和牵引外脊索，直至外脊索与外压环连接就位，对外斜索同步张拉结构成型。该方法高空作业少、张拉效率高。基于非线性动力有限元的索杆系静力平衡态找形分析方法，建立整体运动方程，通过一级动力平衡迭代和二级模型更新迭代，由初始静力不平衡态，经由动力平衡态收敛于静力平衡态，并通过总动能峰值及时间驻点确定、时间步长自动调整和静力平衡态检验等，保证分析结果的稳定和高效。结合索穹顶实际工程进行了提升牵引和张拉全过程分析及扰动稳定分析，研究结果表明：索杆系位形经历了分别与提升牵引、牵引张拉初期和张拉后期对应的悬垂、调整和刚化3个阶段；脊索网呈“ω”形是保证索杆系低应力悬垂位形稳定的重要条件之一；位形调整阶段存在“拐点”，拐点的位形稳定性在全施工过程中最弱，在高矢跨比索穹顶中应特别关注。
基于结构形态学的基本概念，通过将结构几何形状的建立方法与寻找合理受力性能的数值优化方法相结合，提出了一种适用于曲线变换型自由曲面结构的形态创建方法。以B样条函数表达母线和准线，以应变能作为评价结构受力性能的指标，基于梯度法推导出结构应变能与B样条函数曲线控制点坐标间的导数关系，根据应变能的变化梯度确定控制点坐标的调整方向，通过逐步调整控制点坐标，获得一系列具有较小应变能的合理曲面形状。利用FORTRAN语言编制了相应的形态创建程序，并通过具体算例验证了方法的有效性。结果表明：该方法可保证结构在形态创建过程中，曲面上曲线的相对位置关系保持不变，为进一步实现连续壳体的离散化提供了条件；且由于控制点的数量远少于曲面上离散点的数量，因此相比于直接调整曲面坐标的形态创建方法，该方法计算效率更高。
基于气撑式张弦结构的受力特点，设计制作2.5 m跨度的纺锤形气撑式张弦结构模型，研究在跨中两点集中荷载作用下结构变形和内力分布规律，考察内气压对结构受力性能的影响。通过对结构极限状态的分析，研究结构的破坏形态及失效机理。利用ANSYS软件构建了纺锤形气撑式张弦结构精细化有限元模型，实现结构从放样态到充气态再到受荷态的全过程数值模拟，并与试验结果进行了对比分析。结果表明：有限元分析与试验结果吻合较好，两种方法获得的结构位移和内力值均比较接近；试验模型在集中荷载达到1.98 kN时达到极限状态，失效模式表现为上弦构件的局部屈曲破坏和气囊端部膜材出现褶皱。
利用ANSYS软件对ETFE气枕结构进行找形分析，考虑预应力和内压两个控制因素，给出了三角形、四边形和六边形气枕的找形结果，并推导了四边形和圆形气枕找形的解析式。编制了计算气枕体积的MATLAB程序，并与ANSYS软件联合应用，计算了矩形气枕结构在7种荷载工况下的变形和膜面的应力分布。通过参数分析，得到了膜面应力和矢高、膜厚、矢跨比之间的关系，提出了气枕合理的膜厚、矢跨比，并给出了不同跨度气枕充压建议值，最后对ETFE气枕结构的蒙皮效应进行了研究。研究结果表明：膜面初始预应力宜介于5~8MPa；ETFE膜厚可根据气枕跨度选择单层0.2 mm或双层0.4 mm，矢跨比0.1左右，成形后膜面最大、最小应力分别位于中心区、角点区；ETFE气枕充压的初始内压介于250~1 150 MPa，充压值随跨度增大而减小；初始内压500 Pa常用尺寸（4 m×5 m矩形）的气枕，可抵抗大小与内压相当的正负风压、均布和半跨雪荷载和偶然集中荷载，但在超载工况下，需对气枕充气加压方可继续工作；ETFE气枕具有明显的蒙皮效应。
通过2 m×2 m的ETFE气枕模型试验，进行了气枕形状测试、充气加压测试和气压一定的加载测试。通过在上下膜面画上一组刻线，测量膜面在充气过程中刻线长度的变化，进而求得膜面应力的变化。基于膜面应力和气枕矢高的试验测试值与几何非线性有限元分析结果比较，验证了ETFE气枕有限元模拟方法的正确性。研究表明：由于ETFE气枕充气过程中膜材伸展率较大，膜面粘贴应变传感器很难捕捉准确的膜面应力，采用膜面画刻线的方法可以用于测试ETFE充气结构的膜面应力；立体裁剪的ETFE气枕，充气成形过程中，膜面基本展开时零应力状态下，膜面角部区域已张紧，具有初始应力，因此，角部区域膜面应力测试时需给予初应力补偿；ETFE膜材热熔焊缝相当于膜材局部加强，顺焊缝及垂直焊缝的实测应力小于按均匀材料计算的应力，但对整体充气膜面应力的影响很小；膜面应力和气枕矢高的试验测试值与有限元分析值基本吻合。
基于FLUENT软件并引入k-ε湍流模型，对环状大悬臂挑篷屋盖风载和风场进行模拟分析。数值计算分析风向角、屋盖倾角、看台后部通风率、挑篷开洞、有无后挑等参数对挑篷屋盖风压分布的影响；针对屋盖周围气流的绕流特性，分析设置屋盖竖向气动导流板和在挑篷外环边缘附近开洞对降低屋盖负风压的作用。研究结果表明：无论风向角如何变化，水平挑篷屋盖上风压均以吸力为主，较高的吸力分布在迎风的前缘位置；屋盖倾角宜设在 0°~15°范围，过大或过小均不利于结构抗风；增大结构迎风面的通风率有利于减小水平屋盖的平均风压；屋盖是否后挑对水平屋盖上表面的风压影响较小；增设屋盖竖向导流板可减低水平屋盖前缘局部极值风压；在环状挑篷外环边缘附近开洞可较明显减小屋盖风压。
环向折线形单层球面网壳是单向折线形网架结构在曲面结构构形中的拓展，兼有双层网壳和单层网壳受力特性。通过结构构形研究和机动分析，提出了在轴对称条件下基本结构体系的简化杆系计算模型及其分析方法。为改善结构的受力特性，在基本结构体系的基础上，增设若干道环向杆件，形成环向折线形单层球面网壳的加强结构体系。通过算例分析，对比研究了在不同荷载工况下和厚跨比对结构体系受力性能的影响。研究结果表明：环向折线形单层球面网壳的基本结构体系是一种静定空间桁架结构；揭示了环向折线形单层球面网壳基本结构体系的组成规律、受力特性，给出了加强结构体系的合理加强方案；所提出的简化计算方法，可精确求解网壳的内力和位移。
针对索杆张力结构的施工张拉设计，建立了一种定量评价不同施工张拉方案对索长误差效应控制效果的分析方法。假定索长误差变量服从正态分布，分别针对原长控制法和索力控制法推导了索长误差和预张力偏差的解析关系式，进而给出了随机预张力偏差的均值和方差计算式。分析了主动索的合理选择能够减小索长误差效应的原因。以控制结构最大预张力偏差水平为目标，提出了一种基于遗传算法的主动索优选策略。以实际索杆张力结构为例，利用建议方法分析了该结构在不同张拉方案下预张力偏差的分布特性，并对张拉方案进行了优化分析。计算结果表明：索长误差对索杆张力结构初始态预张力造成的偏差不可忽视，合理选择张拉方案是控制索长误差效应的重要措施。
将索桁架和斜拉结构进行组合，构造一种新型索结构体系，即斜拉型悬索结构。张拉背索对结构施加预应力，通过找力和找形得到了结构的初始预应力态，在此基础上进行了结构在满跨和半跨均布荷载作用下的静力、动力特性研究及参数分析，并对该新型索结构体系进行了风振响应计算。研究表明：结构静力荷载位移关系呈非线性双折线，结构刚度的转折点对应于稳定索边段的退拉松弛；结构的低阶振型表现为桅杆的水平振动叠加屋盖的竖向振动，高阶振型中桅杆水平方向参与很少；增大背索截面面积可有效提高结构刚度和自振频率，稳定索、斜拉索面积对自振频率影响不大；背索预应力值对结构的静力特性影响是线性的，在所有索段具有拉应力时，预应力值对结构动力特性基本无影响，若索出现松弛则结构刚度急剧退化，自振频率陡降；桅杆高度增大，结构刚度下降，桅杆高度对结构的低阶振型和频率影响较大；矢跨比对屋盖竖向对称振动的第2振型有影响，而对反对称的第1振型基本无影响；斜拉型悬索结构的风振系数介于1~2之间。
基于H ∞理论，提出一种定量评价结构鲁棒性的新方法。采用状态空间模型描述结构系统，基于H ∞最优，采用系统传递函数的H ∞范数作为结构鲁棒性的定量评价指标。对线性系统，分离刚度矩阵的不确定性，给出了H ∞结构鲁棒性指标的计算方法；对非线性系统，引入L 2性能准则表达鲁棒性。通过单自由度体系和桁架结构，明确了鲁棒性指标的物理意义，分析影响结构鲁棒性的因素。结果表明：基于H ∞理论的结构鲁棒性指标代表了结构稳态振动反应的最大振幅与干扰幅值之比，可以反映外部干扰和结构内部的不确定性与结构的响应是否成比例；提高结构整体承载力储备、耗能能力以及关键构件的冗余度可以增强结构的鲁棒性；且H ∞鲁棒性指标对结构参数变化较为敏感。
准确计算钢筋混凝土细长柱的附加变形，是分析柱承载力和二阶效应的基础。对于无侧移钢筋混凝土柱，由于荷载作用下柱各截面的非线性发展程度不同，各截面的刚度是不同的，为此将柱划分为多个微段，视单个微段为等刚度，建立微段的变形微分方程。根据微段间的变形协调条件得到微段间变形的关系式，解该关系式构成的非线性方程组，可得到规定荷载下柱的变形曲线和附加变形。在此基础上分析了轴力偏心距、柱长细比等对柱承载力和挠曲变形的影响。分析表明：轴力偏心距和长细比越大，柱承载力越小，挠曲变形越大。对按此方法计算的柱两端偏心距相等时附加变形长细比曲线和柱两端偏心距不等时等效均布弯矩系数端部弯矩比值曲线进行拟合，给出计算柱附加变形和等效均布弯矩系数的简化计算式，并与已有的试验结果进行了对比。对比表明，柱两端偏心距相等时附加变形简化计算式的计算结果好于我国GB 50010—2010规范公式的计算结果，柱两端偏心距不等时等效均布弯矩系数简化计算式考虑了偏心距的影响，计算结果好于采用我国规范GB 50010—2010和美国规范ACI 318-08的计算结果。
结构在近断层地震作用下的损伤通常与强速度脉冲所携带的瞬时输入能量相关，为反映这种近场地面运动特征，以10条坚硬场地的近场地震记录为输入，建立了适用于设计的最大有效滞回耗能（MECE）谱，提出了基于MECE谱确定钢板剪力墙结构屈服基底剪力的性态设计方法。该方法不仅反映近场地震速度脉冲的影响，而且还可区别不同结构体系滞回特性的影响。同时，结合已有研究成果完善了钢板剪力墙结构周边构件能力设计的简化公式。通过对1榀10层3跨钢板剪力墙结构的弹塑性时程分析，对建议方法进行了验证。结果表明：在多遇及罕遇地震作用下结构层间位移角满足我国现行建筑抗震设计规范的要求，结构出现理想的渐进式梁铰屈服机构，证明了基于MECE谱钢板剪力墙结构性态设计方法的合理性和可靠性。
提出一种适用于钢框架结构体系的新型组合钢板剪力墙单元，它由三边固接一边弹性约束的钢板和预制水泥基覆板组合而成。通过三种钢板宽厚比的纯钢板剪力墙和组合钢板剪力墙共6个试件的静力加载试验，考察宽厚比对三边约束钢板受剪承载力的影响，同时考察分析预制水泥基覆板对内嵌钢板的屈曲承载力和受剪承载力的影响。试验结果表明：宽厚比决定了钢板初始抗侧性能和屈曲模态；预制水泥基覆板对提高剪力墙单元受剪承载力和钢板屈曲承载力有一定帮助；通过有效抑制内嵌墙板的面外屈曲，可以提高组合钢板剪力墙单元的抗震性能。
基于16个型钢高强混凝土(SRHSC)框架柱试件的低周反复加载试验，对其抗震性能进行了研究。试件设计参数为剪跨比、轴压比、混凝土强度、含钢率和配箍率。对不同设计参数试件的受力特点、破坏形态、滞回性能、骨架曲线、耗能能力、位移延性等主要抗震性能指标进行了分析，得到了试件耗能指标、位移延性与诸设计参数之间的关系曲线。试验结果表明：试件荷载-位移滞回曲线饱满，下降段较为平缓，其他各项抗震性能指标较为优异，总体上表现出良好的抗震性能；混凝土强度等级超过C100的SRHSC框架柱的承载力优势明显，但由于高强混凝土的脆性导致其耗能能力及延性较普通型钢混凝土框架柱稍差；试件剪跨比、含钢率以及配箍率的提高能够增强其抗震性能，而混凝土强度、轴压比的提高将降低其抗震性能。
基于ANSYS热分析结果，建立冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁在标准火灾作用下的热-结构耦合有限元计算模型，对荷载水平、混凝土强度、槽钢截面几何尺寸、防火涂层厚度、加载位置和加载方式等不同影响因素下的组合梁抗火性能进行有限元分析。结果表明：防火涂层厚度和荷载水平对组合梁抗火性能的影响显著，槽钢截面腹板高度和腹板厚度次之，混凝土强度、加载位置、加载方式和槽钢翼缘厚度等因素对组合梁的抗火性能影响很小，可以忽略不计；防火涂层厚度一定时，组合梁的耐火极限随荷载水平的提高而降低；荷载水平一定时，组合梁的耐火极限随防火涂层厚度的增加而呈非线性提高；填充混凝土可有效降低钢梁截面的温度，产生温升延时效应，在升温前期，冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁的温度低于未填充混凝土的型钢梁，降幅可达15％~60％。在ISO-834标准火灾作用下，组合梁跨中挠度 δ=l/25 可作为其达到耐火极限的判别标准。
对5个冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁试件进行在ISO-834标准火灾下的受火试验。试验中考虑了荷载水平、防火涂层厚度和槽钢截面高度等参数的影响。试验结果表明：荷载水平、防火涂层厚度和槽钢截面高度是影响组合梁抗火性能的主要因素，其他因素影响很小；在ISO-834标准火灾下，以跨中挠度δ=l/25作为组合梁达到耐火极限的判别标准是合适的；填充混凝土可有效提高组合梁的整体刚度和延性，使其在高温下直至破坏仍可保持完整性，没有出现高温局部屈曲现象；在槽钢上直接涂刷防火涂层不能保证其与槽钢表面的紧密结合，需要改进组合梁的防火涂层施工工艺；试验结果验证了有限元分析结果的正确性。
通过对3个自密实混凝土加固框架中节点和1个未加固的对比框架节点进行二次受力下自密实混凝土框架节点的拟静力试验，研究不同初始受力对自密实混凝土加固节点抗震性能的影响。柱轴压比为0.3，梁端初始力为0、0.25、0.50倍的被加固试件预估梁端开裂荷载。通过对试件破坏过程、新老钢筋应变、荷载位移滞回曲线等试验结果的分析得出：采用自密实混凝土增大截面法加固框架节点，新老混凝土的协同工作性能良好；考虑初始受力的影响，加固节点的极限荷载、极限位移、梁端位移延性系数等都会降低，且降低的程度随梁端初始荷载的增大而增大，在加固设计中应予以考虑。
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