ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
结合我国JGJ/T 249—2011《拱形钢结构技术规程》的颁布，对拱形钢结构设计、计算及施工中的关键问题如受力性能、结构选型、稳定性能及加工制作等方面进行了阐述。研究表明：与梁柱等直构件相比，拱形钢结构的设计理论、特别是稳定设计方法更为复杂，其受力和工作机理受拱轴线形式、跨度、矢跨比、拱脚边界条件、截面形式、荷载形式及组合、面外支撑条件等诸多因素影响。拱形钢结构平面内失稳对荷载和变形的非对称初始缺陷较为敏感，对于钢管桁架拱必须考虑弦杆局部失稳对整体稳定承载力的削弱作用；平面外弯扭失稳时，变形及受力复杂，其稳定承载力受拱脚、荷载条件及支撑布置影响显著；初步建立平面内稳定设计方法并在规程中予以体现，包括实腹式截面拱（含腹板开孔钢拱）、钢管桁架拱以及钢管混凝土拱等结构形式；平面外稳定性及面外支撑设计是拱形钢结构设计理论的重要组成部分，在规程中还有待进一步补充和完善。
为建立压弯钢拱平面外稳定承载力设计方法，对承受弯矩作用的受弯圆弧拱的稳定承载力进行系统研究，考察弯矩对其面外稳定的影响。采用有限元分析方法，考虑截面形式、初始几何缺陷、残余应力、矢跨比、拱脚条件及端弯矩比例的影响。首先针对均匀正弯矩作用，基于正则化长细比给出了焊接工形截面、焊接箱形截面及热轧圆管截面拱的平面外稳定曲线；之后对于不同比例的端弯矩作用下不均匀受弯情况，提出了平面外稳定承载力计算的等效正则化长细比法和等效弯矩系数法，为压弯圆弧拱设计方法的建立奠定基础。研究表明：采用正则化长细比，均匀正弯矩作用下圆弧拱的平面外稳定系数可采用与直梁类似的平面外稳定曲线；不等端弯矩作用的情况需引入等效正则化长细比或等效弯矩系数，以考虑弯矩梯度和负弯矩作用的影响；提出的两种平面外稳定承载力计算方法与大挠度弹塑性有限元分析结果吻合较好。
在均匀受压及受弯圆弧拱平面外稳定设计理论成果的基础上，采用大挠度弹塑性有限元分析方法，对压弯圆弧拱的平面外稳定承载力进行研究；考虑了钢拱几何参数、拱脚条件、截面形式、荷载组合等因素的影响，以有限元算例为依据，建立了压弯圆弧拱平面外稳定承载力的实用设计方法。研究表明：从圆弧拱的内力分布角度出发，通过引入轴力平均值、拱中段1/3弧长范围内最大弯矩以及考虑弯矩不均匀变化的受弯稳定系数等参数，建立基于稳定承载力N-M相关公式，在各种拱脚条件及复杂荷载组合工况下均具有较好的适用性。
采用有限元特征值屈曲数值方法，对平面外支撑工形截面圆弧拱弹性屈曲荷载及其刚度取值进行研究。在考虑各种荷载条件与拱脚条件下，研究了支撑刚度，约束类型、数量以及作用位置对钢拱平面外屈曲性能的影响，对于设置等间距侧向支撑的情况，给出了侧向支撑弹性门槛刚度的拟合式，并提出了支撑点间拱段不发生平面外弹性失稳的条件。研究结果表明：平面外支撑越靠近拱顶，其防止平面外失稳的工作效率越高；设置侧向支撑的钢拱屈曲时，随着支撑刚度的增大其屈曲半波数逐渐增加，而仅在拱顶设置扭转约束时始终呈现1个半波失稳模式；从均匀受压圆弧拱的情况获得的等间距侧向支撑门槛刚度，应用在其他组合荷载作用下，同样可以获得足够的支承刚度；当工形截面钢拱的支撑点间拱段长度满足所提出的要求时，钢拱平面外失稳不先于平面内反对称整体失稳。
拱墙是一种由拱、立柱、横梁组合而成的竖向平面结构，横梁上的竖向平面内荷载通过立柱传递到大跨度拱体中。为研究拱墙结构的失稳机理，采用有限元分析方法，对拱墙模型在弹性和弹塑性条件下的稳定性能进行了研究。分析结果表明：立柱侧向刚度及横梁侧向支撑刚度是影响拱墙稳定性能的主要因素，当横梁侧向支撑刚度小于其门槛刚度时，拱墙的屈曲模式表现为拱墙整体平面外失稳；当横梁侧向支撑刚度大于其门槛刚度而立柱的侧向刚度小于其门槛刚度时，拱墙的屈曲模式表现为拱体的平面外失稳；当横梁侧向支撑和立柱的侧向刚度均大于各自的门槛刚度时，拱墙的屈曲模式表现为拱墙整体平面内失稳。结合某火车站站房工程，建立了横梁位置施加侧向弹簧支撑和带纵向桁架的两种拱墙模型，分析了该拱墙结构的平面外稳定承载力。结果表明，纵向桁架为拱墙横梁提供的平面外支撑刚度远大于拱墙的侧向支撑门槛刚度，提高拱墙的平面外稳定承载力需通过增大立柱的侧向刚度和加强立柱两端的可靠连接实现。
为评估腐蚀对住宅钢结构性能的影响，首先分别对有涂装和无涂装的Q235B钢材进行了最长达6400 h的室内盐雾加速腐蚀试验，造成的钢材腐蚀深度等于按已有文献记录的上海大气腐蚀速率计算50 a左右的腐蚀程度，并对这些钢材进行了力学性能试验；然后，分别对有涂装和无涂装的两组焊接H形钢梁进行了最长达2400 h的室内盐雾加速腐蚀试验，造成的钢材腐蚀深度等于按已有文献记录的上海大气腐蚀速率计算20 a左右的腐蚀程度，并对这两组焊接H形钢梁进行了静力承载力试验；采用最小二乘法回归，分别给出了受腐蚀钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率下降与其失重率的关系式。研究表明：有涂装的H形钢梁腐蚀了2400 h之后的承载力下降明显，对应挠度值增加明显；比较板厚和单位长度表面积2个几何参数，发现板厚是影响H形钢梁受腐蚀后受力性能的重要因素，翼缘或腹板厚度越小，承载力下降越多、对应挠度值增加越多。
提出一种多层大跨度结构体系——U形钢板混凝土高强螺栓连接组合空腹夹层板楼盖,该结构体系由U形钢板-混凝土组合下肋、钢筋混凝土上肋和上下肋间设置的钢筋混凝土剪力键形成的需考虑夹芯层剪切变形的空间楼盖。介绍了该楼盖结构体系的简化计算模型、弹性连续化理论分析方法和实用分析方法，通过仿真模型试验及实际工程应用，验证了弹性连续化理论分析方法与实用分析方法的正确性。研究结果表明：采用由上、下表层薄膜刚度和具有一定抗剪刚度的剪力键夹芯层组成的U形钢板-混凝土高强螺栓连接组合空腹夹层板楼盖简化计算模型进行弹性连续化理论分析，其分析结果与仿真模型试验结果基本相符，相对误差最大不超过5%；按等强和等刚度原则将U形钢板-混凝土组合空腹夹层板折算成钢筋混凝土实腹梁的实用分析方法，其计算结果与仿真模型试验结果基本相符，相对误差最大不超过4%。以黑龙江中医药大学文体中心B区57 m×39 m+57 m×36 m双跨多层（地下1层、地上3层）工程为算例，并与原位测试结果进行比较，说明U形钢板-混凝土高强螺栓连接组合空腹夹层板楼盖安全可靠，且具有较好的经济性。
大跨度楼盖结构人员舒适度控制指标为竖向振动频率及竖向振动加速度。以黑龙江中医药大学文体中心B区的57 m×39 m+57 m×36 m双跨多层（地下1层、地上3层）工程为例，利用环境激励，采用频域法模态拟合方法对该结构进行了现场竖向振动模态测试，获得了该楼盖结构前4阶竖向自振频率、振型及竖向加速度，并采用有限元方法对结果进行了分析与评价。研究结果表明：楼盖竖向1阶振动频率的有限元分析和测试结果均满足现行规范要求；楼盖竖向峰值加速度实测结果满足小于0.005g的要求，不会引起人体的不舒适；有限元方法计算频率比实测结果偏高，是因约束条件不同所致，故设计中需要考虑楼盖与柱的刚性连接。
超高、大跨度楼盖结构应用日渐增多，对模板支撑体系的要求也随之提高。阐述了大跨度楼盖结构支撑体系。以黑龙江中医药大学多层大跨体育馆楼盖支模工程为例，该工程采用钢柱钢管支撑体系，不仅实现整体结构逐步卸荷的要求，还可提高施工效率，降低工程造价。对该体系的搭设构造、施工方法及技术措施进行了介绍。通过建立有限元模型，分析结构在加设钢立柱支撑后的受力状态。分析结果表明：钢柱钢管支撑体系承载力高、安全稳定性强，能够满足设计规范要求。
黑龙江中医药大学体育馆采用U形钢-混凝土螺栓连接组合空腹楼盖，对于这种新型大跨度承重楼盖，卸载成为本工程的关键，有必要对结构受力和变形进行现场监测确保卸载工作的顺利进行。针对该楼盖网格分布的特点，采用走梅花桩式卸载方案，主要监测逐步卸载过程中楼盖的挠度变形和下肋U形钢板的应力。监测结果表明：卸载过程中及完全卸载后楼盖的受力和变形均满足规范要求，下肋螺栓连接节点两侧U形钢板不会出现相对位移；验证了U形钢组合空腹夹层板结构的理论分析与结构设计的正确性与可靠性；验证了楼盖临时支撑系统卸载方案的可行性。
针对实际工程设计中的钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土梁外加强环节点，对其进行抗震性能试验研究。以3个不同外加强环形式的平面中节点的低周反复荷载试验为基础，结合有限元分析，对节点的承载力、刚度、延性、耗能能力、变形性能以及外加强环的应变分布规律进行分析。研究结果表明：不同外加强环形式的试件在梁端往复荷载作用下的破坏过程和破坏模式基本一致，试件的整体滞回性能和承载力、刚度退化规律也很相近，外加强环应变分布规律基本相同，均具有良好的承载力、延性及耗能能力。基于研究结果，对采用外加强环的钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土梁节点的构造措施提出了建议。
通过4个1/2比例装配式钢筋混凝土柱钢梁框架节点低周往复荷载作用下的试验研究，分析了节点区加劲腹板厚度及开孔的影响，研究该新型节点连接构造的受力性能及装配式钢筋混凝土柱钢梁框架单元的抗震性能。基于试验结果对试件的破坏特征、滞回性能及变形组成进行分析。研究结果表明：装配式钢筋混凝土柱钢梁框架节点滞回曲线呈纺锤形，梁端塑性铰区充分耗散能量，具有良好的抗震性能；装配式螺栓连接钢筋混凝土柱钢梁混合节点具有良好的连接质量；加劲腹板厚度的增加一定程度上减小了节点的剪切变形，加劲腹板开孔对节点受力性能影响不大；梁弯曲变形引起的层间侧移在强柱弱梁型钢筋混凝土柱-钢梁框架节点总侧移中所占比例最大，节点剪切变形所占比例较小。
以中空夹层钢管混凝土柱与带钢筋混凝土楼板的钢-混凝土组合梁采用高强螺栓及T形钢连接件构成的组合节点的抗震性能为研究对象，对6个十字形组合节点以梁端反对称加载的形式进行拟静力试验。试验中以柱轴压比、加劲肋、T形钢连接件尺寸、楼板厚度和楼板配筋率等为变化参数，研究该组合节点的破坏特征、滞回性能、抗剪性能、承载力衰减、刚度退化规律、耗能特性以及应变变化等力学性能。研究结果表明：柱内置钢管在增加柱受压承载力的同时可以有效增加节点核心区受剪能力，改善了节点整体受力性能；增大楼板配筋率(当1%≤ρ≤ρmax时)和减小柱轴压比(当n≤0.3时)能增强节点总耗能能力，但会降低节点延性且对节点承载力无明显提高作用；T形钢翼缘厚度和设置加劲肋对节点抗震性能影响较大。
为研究方钢管钢骨混凝土柱与钢梁端板螺栓连接节点的抗震性能，进行了5个节点拟静力试验研究，分析了端板厚度、螺栓直径、混凝土强度和轴压比等因素对承载力、弯矩-转角曲线、耗能能力、承载力衰退、刚度退化、延性以及破坏模式的影响。研究结果表明：方钢管钢骨混凝土柱与钢梁端板螺栓连接节点均属于半刚性节点，初始转动刚度随着端板厚度和螺栓直径增大而提高，但节点的极限转动能力随着端板厚度的增大而减小；当承载力由端板或钢梁控制时，其具有良好的转动和耗能能力；试件承载力退化系数在0.8～1.0之间，变化幅度不大，刚度退化相比荷载退化严重；设计中应避免高强螺栓发生脆性破坏。
为研究高重剪比下配置栓钉的钢筋混凝土板柱节点的抗震性能，完成了3个重剪比分别为0.886、0.844和0.802的板柱节点试件在往复水平力作用下的拟静力试验。试件Joint 1和Joint 2的栓钉采用正交布置，Joint3的栓钉采用放射状布置。试验结果表明：3个试件的楼板均发生了冲切破坏，试件Joint1冲切破坏发生在栓钉群内，试件Joint2冲切破坏发生在栓钉群外，试件Joint3在栓钉群内、外均发生冲切破坏；破坏时3个试件的层间位移角分别为1/69、1/46和1/40；配置抗冲切栓钉的板柱节点在高重剪比下仍具有良好的水平变形能力，采用非预应力混凝土楼板栓钉群外冲切承载力计算公式的计算结果与试验结果符合良好。
对框架-带缝钢板剪力墙试件在恒定竖向荷载作用下进行低周往复水平加载试验，研究其抗震性能，并考察框架底梁不同边界条件对抗震性能的影响。试验结果表明：框架与带缝钢板剪力墙协同工作性能优越，有限竖向荷载及框架底梁对剪力墙的不同约束条件对剪力墙受力性能影响不大。有限元分析表明，较大竖向荷载对剪力墙受力性能可能有一定的不利影响，并给出了竖向荷载限值。通过有限元模型分析研究了框架和带缝钢板剪力墙的协同工作性能，提出了剪力墙先行屈服且充分发展耗能能力的设计原则应为结构层中剪力墙屈服承载力之和与其刚度之比小于框架系统的该比值。
为改进钢框架内填预制带竖缝钢筋混凝土剪力墙的抗震性能，将耳板引入钢框剪与内填墙的连接中。通过2个两层单跨缩尺比为1∶3的钢框架内填预制带竖缝钢筋混凝土剪力墙模型试件的拟静力试验研究，考察了耳板连接的可靠性和内填墙裂缝的开展与结构变形能力，分析了结构的破坏机理、滞回性能、刚度退化、变形及延性和耗能能力等。试验结果表明：抗剪连接件(U形筋)在梁柱节点上下耳板的连接处未发生破坏，耳板连接具有可靠的工作性能；钢框架带竖缝剪力墙结构具有良好的延性，平均位移延性系数大于3；内填墙的承载力由竖缝根部的剪切破坏控制。
通过对3片钢筋混凝土水平拼接叠合剪力墙、1片钢筋混凝土整体叠合剪力墙和1片钢筋混凝土全现浇剪力墙进行抗震性能试验研究，对比研究了试件的裂缝发展情况及破坏形态，分析了试件的承载能力、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、延性性能、耗能性能等。研究结果表明：水平拼接叠合剪力墙与整体叠合剪力墙以及全现浇剪力墙的受力过程、破坏模式基本相同，抗震性能指标相近，具有较好的抗震性能；水平拼接节点构造合理，水平拼接叠合剪力墙的承载能力不低于整体叠合剪力墙；剪式支架能使钢筋混凝土叠合剪力墙的预制部分与现浇混凝土形成整体，协同工作承受外部荷载。
通过对4片钢筋混凝土开洞叠合剪力墙和2片普通钢筋混凝土开洞剪力墙进行抗震性能试验研究，对比研究了试件的受力全过程、开裂部位、裂缝发展情况以及破坏形态，分析了试件的承载能力、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、延性性能、耗能能力等。研究结果表明：钢筋混凝土开洞叠合剪力墙的受力性能基本和普通钢筋混凝土开洞剪力墙相同，具有较好的抗震性能；保温层外侧的预制钢筋混凝土板能够协同参与受力，与普通钢筋混凝土开洞剪力墙相比，其承载力可提高约7%，并可有效降低其刚度退化；剪式支架能使钢筋混凝土开洞叠合剪力墙的预制部分与现浇混凝土形成整体，共同参与工作。
通过5个不同高宽比、不同腹板配筋率的页岩陶粒混凝土剪力墙试件的低周反复荷载试验，研究页岩陶粒混凝土剪力墙的抗震性能及受力机理，分析页岩陶粒混凝土剪力墙破坏形态、滞回曲线、承载力、延性、耗能、刚度等。研究结果表明：页岩陶粒混凝土剪力墙具有较好的延性和受力性能；影响墙体破坏形态的主要因素是高宽比，其破坏形态与普通混凝土剪力墙及其它轻骨料混凝土剪力墙基本相似，破坏区域主要集中在距墙底墙肢宽度范围内；增大竖向配筋率有利于改善墙体的变形性能及提高墙体的承载能力；增加横向钢筋配筋率，墙体承载力并非呈比例增加。基于比拟桁架模型理论，考虑竖向分布钢筋的销栓作用，建立了页岩陶粒混凝土剪力墙斜截面承载力计算式，计算结果与试验结果吻合较好。
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