ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
应用基于IDA的倒塌易损性分析方法，定量评估了单自由度结构体系的抗地震倒塌能力，提出了结构抗地震倒塌能力谱的概念。抗地震倒塌能力谱由抗倒塌能力均值谱和离散度谱两部分构成，不仅可用于估计结构在不同超越概率地震作用下的倒塌率，还可根据罕遇地震/特大地震作用下的倒塌率目标，建立基于倒塌率目标的抗震设计方法。由于传统抗震设计的R-μ-T谱未考虑结构的倒塌状态，因此，建议采用R-μ-T谱和抗地震倒塌能力谱分别折减设防地震和罕遇地震/特大地震作用下的弹性地震作用需求，以实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计目标。
传统的地震倒塌易损性分析中通常只考虑地震动不确定性的影响。在结构临近倒塌时，通常处于高度非线性状态，会出现结构不确定性与地震动不确定性的耦合放大现象。针对这一问题，将平均值一次二阶矩方法（MVFOSM）与逐步增量动力分析（IDA）相结合，提出了一种可以考虑结构不确定性的基于MVFOSM的随机IDA方法。以五层三跨钢筋混凝土框架结构为例，采用基于MVFOSM的随机IDA方法对其进行了地震倒塌易损性分析，并利用“龙卷风图”方法对结构抗地震倒塌能力的灵敏度进行了分析。研究表明：结构不确定性的存在使得结构抗地震倒塌能力的对数标准差增加了70%，因此有必要在地震倒塌易损性分析中考虑结构不确定性的影响。
通过LS-DYNA程序，二次开发了钢材和混凝土单轴弹塑性损伤本构模型，其中钢材损伤模型采用混合强化准则，可考虑材料的Bauschinger效应；混凝土损伤模型定义了拉、压两个损伤指数，能较为准确地模拟混凝土单边效应、箍筋约束效应等。结合程序中基于显示算法的纤维单元，建立了结构整体数值分析模型，并通过一个缩尺比例为1∶4的3层钢-混凝土混合结构模型振动台试验，验证了数值分析模型的分析精度，数值模拟得到了模型结构的损伤发展过程。此外提出一种通过实测应变反演应变测试部位材料的应力和损伤发展的方法，研究表明，应变反演能充分利用应变测试数据，获得材料应力和损伤发展过程，并对结构的性能退化进行评估。
在已有研究成果基础上发展了基于能量平衡的钢筋混凝土框架结构塑性设计方法。通过结构多失效模式分析，以“强柱弱梁”整体破坏机制作为塑性设计的失效模式；推导了结构能量平衡方程并给出了地震输入能和弹性振动能的计算式。为反映混凝土结构的承载力、刚度退化和捏缩效应，给出了修正的结构能量平衡方程，对结构的非弹性应变能进行修正。根据外力做功等于结构的非弹性应变能，求出考虑P-Δ效应的结构的侧向力大小，进而根据结构的耗能机制计算出梁柱构件截面的内力值。最后对1榀3跨7层钢筋混凝土框架进行塑性设计，并与对应的弹性设计结果进行对比。分析结果表明：塑性设计结构能充分形成“强柱弱梁”型屈服机制，结构的延性好，层间变形更加均匀，其抗震能力更强，验证了该方法的有效性和优越性。
通过对设置黏滞流体阻尼器的悬挂结构进行地震模拟振动台试验,分析了主结构与悬挂楼面的质量比、连接方式以及阻尼器分布对悬挂结构模型的频率、阻尼比和结构响应的影响。试验结果表明：与刚性杆连接的常规悬挂结构相比，采用阻尼器连接主结构和悬挂楼面，可改变结构频率，提高结构振型阻尼比，且模型前3阶振型主要表现为悬挂楼面剪切变形；悬挂减振结构主结构的位移峰值响应小于常规悬挂结构，略小于无连接的自由悬挂结构；当悬挂楼段质量较大时，减振效果更好；与自由悬挂结构相比，阻尼器连接的悬挂减振结构能较好地抑制悬挂楼面相对于主结构的位移和悬挂楼面的层间位移；当悬挂楼面侧向刚度较小时，阻尼器均匀布置比集中布置能更好地控制悬挂楼面的相对位移。
将钢筋混凝土联肢剪力墙在连梁跨中开缝，在缝中设置沿竖向变形的钢阻尼器，从而形成耗能联肢剪力墙体系。在强震作用下，耗能剪力墙中的阻尼器一方面适当削弱联肢剪力墙刚度以降低地震作用，另一方面阻尼器屈服后可耗散部分地震能量，从而减小墙肢及连梁的塑性损伤。将阻尼器与连梁组合为等效连梁，运用等效连续化方法对耗能剪力墙体系的刚度特性与阻尼特性进行了简化分析，对耗能剪力墙体系的减震机理进行了论证，并推导出体系关键参数的计算式。以阻尼器延性系数和联肢墙耦合比为设计控制指标，提出了该耗能剪力墙体系基于性能/需求的设计方法。设计实例表明：所提出设计方法简便可行；在参数设计合理的情况下，建议的耗能剪力墙体系具备良好的减震效果。
为了研究多维地震作用下钢筋混凝土核心筒结构的抗震性能，对2个尺寸配筋相同的钢筋混凝土核心筒试件分别进行了水平单向加载和水平双向加载条件下的拟静力试验。重点比较了双向加载对核心筒的破坏形态、破坏机理、承载能力、耗能能力、延性等方面的抗震性能的影响。结果表明：水平双向加载对核心筒抗震性能有显著影响，水平双向荷载作用使得核心筒的承载力较单向荷载作用明显下降，同时严重削弱了筒体变形和延性性能。初步研究结果显示仅考虑单向地震动作用分析混凝土核心筒结构的抗震能力可能严重偏于不安全，应引起学术和工程界的高度重视。
基于系统化的集总参数模型表征土体动力特性，上部结构每层恢复力模型采用Takeda滞回模型，研究了地震动输入强度和土体剪切波速对消能减震结构损伤指数的影响。研究结果表明：无论是否考虑土-结构相互作用，随着结构阻尼比的增加，消能减震结构的损伤指数都得到了有效降低；考虑土-结构相互作用后，在峰值加速度为0.1g地震动作用下，非减震结构随着土体剪切波速的下降结构损伤指数基本不变，而对于消能减震结构，随着土体剪切波速的下降结构损伤指数会上升；当地震动峰值加速度增加到0.3g时，非减震结构与减震结构随着土体剪切波速的下降，结构损伤指数随之增大。
为研究新型全预制装配式混凝土楼盖板缝连接节点的抗震性能，设计了5种形式的板缝节点，进行了平面内低周反复荷载下的足尺模型试验，对板缝节点的开裂模式、破坏形态、滞回曲线、位移延性、刚度退化和耗能能力进行了较为系统的研究。结果表明：在5种板缝节点中，发卡式节点、盖板式节点和发卡-盖板混合式节点滞回曲线饱满、延性好，具有较好的抗震性能，是理想的板缝连接节点；上下匹配布置预埋机械连接件的板缝节点平面内受剪承载力可以由叠加法进行简化计算。
为研究全预制装配式钢筋混凝土楼盖的平面内受力性能，对1/2缩尺的楼盖模型进行了楼盖平面内拟静力试验，对楼盖的裂缝分布、破坏形态、平面内变形特征、滞回曲线、位移延性、刚度退化和耗能能力等进行了研究，分析了楼盖模型各连接件在加载过程中的板缝剪力和轴力分布规律。结果表明：新型楼盖具有较大的平面内刚度和较好的整体性能，在加载过程中梁板连接件和板缝连接件均表现出良好的传力性能；新型楼盖具有一定的延性，但耗能能力不理想，说明基于弹性楼盖的抗震设计方法是必要的；加载初期楼盖的变形呈弯曲型，加载中后期随着楼盖损伤的积累，板缝间相对位移增大，变形模式逐渐向剪切型发展；新型楼盖在平面内荷载作用下内力分布规律与简支梁相近，研究成果可为新型楼盖平面内受力性能的理论分析提供参考。
为研究设置拉结钢筋、构造柱、水平系梁等不同构造措施的砌体填充墙对框架结构抗震性能的影响，进行了4榀不同构造措施的砌体填充墙框架结构模型和1榀纯框架结构模型在低周反复荷载作用下的对比试验，分析了各试件的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化、承载力退化和耗能性能等。结果表明：砌体填充墙有效地提高了框架结构的抗侧刚度和承载力，但具有不同构造措施的砌体填充墙框架结构的初始刚度和承载力基本相同；设置构造柱、水平系梁和同时设置构造柱和水平系梁的砌体填充墙框架结构的位移延性和耗能能力得到明显的改善，且其刚度退化较为缓慢。
为了研究带竖向缝槽砌体填充墙对框架结构抗震性能的影响，开展了3榀带竖向缝槽砌体填充墙框架结构模型、1榀整体砌体填充墙框架结构模型和1榀纯框架结构模型在低周反复荷载作用下的对比试验。对比分析了各试件的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、刚度退化、承载力退化和耗能性能等。结果表明：砌体填充墙的存在显著提高了框架结构的抗侧刚度和水平承载力，砌体填充墙参与了结构的滞回耗能，砌体填充墙框架的累积耗能能力明显优于纯框架；在填充墙与框架柱间设置一定宽度的竖向缝槽，减少了两者间的相互作用，延缓了填充墙和框架梁、柱的开裂，其水平承载力介于纯框架和整体填充墙框架之间，但其延性和耗能能力得到了较大的改善；在填充墙中设置一定宽度的竖向缝槽形成带竖向缝槽砌体填充墙框架，其水平承载力介于纯框架和整体填充墙框架水平承载力之间，其极限位移角与纯框架的基本相同，具有较好的延性和耗能能力。
为研究强震作用下结构发生局部屈曲造成损伤对钢框架结构抗震性能的影响，采用通用有限元软件ABAQUS，分别建立杆系模型以及三维精细钢框架模型，比较了是否考虑累积损伤抗震指标的差异。应用国内外典型试验结果，验证了三维精细模型对模拟局部屈曲累积损伤现象的准确性及适用性。在此基础上，建立杆系和三维精细壳单元有限元模型，分别进行拟静力加载以及罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，对比了结构变形、滞回耗能、破坏形态等方面的特征。研究结果表明：加载初期，杆系模型和三维精细壳单元模型计算结果基本一致；随着结构损伤累积，两者出现明显的差别，杆系模型会低估结构的变形大小以及塑性发展程度。
对8根混凝土设计强度等级为C40，l0/b=8.8的约束混凝土柱进行了拟静力试验，其中3根为普通约束混凝土柱，5根为区域约束混凝土柱，分别采用1.10、1.25及1.35设计轴压比。区域约束的方式保证了混凝土的延性及强度的充分发挥，高轴压比有效限制了受拉裂缝的开展，提高了剪压区受荷面积及试件初始刚度。在试验轴压比范围内，区域约束试件水平承载力、延性及耗能能力随轴压增大而增大，同时，箍筋的应力也随轴压比增大而增大，且应力分布均匀，区域约束试件也较普通约束试件的刚度退化幅度小。研究结果表明：区域约束混凝土柱在超高轴压比下具有良好的力学性能及抗震性能，且轴压比越高性能越好；对于区域约束混凝土柱，可适当放宽GB 50011—2010《建筑设计抗震规范》对轴压比的限值。
在16个框架结构平移托换节点试验研究基础上，根据托换梁的裂缝开展规律及破坏特点，并结合有限元分析结果，将托换梁的荷载等效为两点集中荷载，建立托换梁的拉-压杆模型。针对托换梁剪跨比较小的情况，在斜压杆的主压应力中考虑拉杆传来的应力分量。依据Kupfer-Gerstle的双向拉压应力关系考虑混凝土的软化效应，推导了托换梁的受剪承载力计算式，并与试验结果进行了对比。结果表明：不考虑拉杆分量的拉压杆模型的计算结果与试验值的相对误差均值为38.9%，考虑拉杆应力分量的拉-压杆模型的计算结果与试验值的相对误差均值为26.9%。
为研究弯剪破坏柱的抗震性能，进行了不同设计参数的24根钢筋混凝土（RC）柱的拟静力试验，分析了剪跨比、轴压比及配箍率（箍筋间距）对柱破坏模式及其抗震性能的影响，给出了确定弯剪破坏柱开裂、屈服和破坏时对应荷载及位移的计算方法，并提出了建立弯剪破坏柱恢复力模型骨架曲线的简化方法。研究结果表明：发生弯剪破坏的柱，其变形在2Δy～4Δy前弯曲作用明显，滞回曲线饱满，但之后由于抗剪能力不足会突然丧失承载力；利用弯剪破坏柱的3个特征点（开裂点、屈服点、剪切破坏点）建立其恢复力模型骨架曲线的方法，简化了RC柱的受力分析，可用于计算地震作用下弯剪破坏RC柱的荷载-变形全曲线。建立的恢复力模型骨架曲线与试验曲线吻合较好。
通过对黏弹性阻尼器缩尺试件进行不同应变幅值、加载频率和环境温度下的基本力学性能试验、老化性能试验以及低周、高周疲劳性能试验，研究试件在不同工况下的剪切存储模量、剪切损失模量和损耗因子等力学参数，及其力学性能的变化规律。其中，力学性能试验的应变幅值100%~420%；低周疲劳试验最大应变达300%。试验结果表明：黏弹性阻尼器力学性能与加载频率相关性较小，与温度相关性相对明显，随应变幅值的增加阻尼器表现出软化特征，但其损耗因子始终保持在比较高的水平；阻尼器在小位移和大位移下都有稳定耗能能力，可用于风振控制和地震响应控制；阻尼器表现出良好的变形能力，在200%大应变下仍保持稳定的力学性能，应变420%时仍未破坏。
热轧角钢有等边和不等边两种类型。由于截面对称性方面的差异，两类角钢在承受轴压力时，性能有明显差别。针对等边角钢在非弹性范围的受压承载力由弱轴弯曲屈曲控制还是强轴弯扭屈曲控制这一问题进行了分析，结果表明：在非弹性范围和弹性范围一样，杆件失效时呈弯曲屈曲，对于宽厚比较大的高强度角钢，需要计及局部屈曲效应。不等边角钢压杆失效时总是呈弯扭屈曲，其临界力计算比较复杂。通过计算分析，得出了把问题转化为按弯曲屈曲分析的等效长细比的方法。此法既适用于弹性范围，也适用于非弹性范围。和现有试验资料对比表明，文中的等边和不等边角钢轴压杆件的计算方法，都可用于设计工作。
基于复杂受力下钢筋混凝土构件的受力相关性，以弯扭相关性作为连接剪扭相关性和压弯相关性的桥梁，推导了钢筋混凝土构件承载力计算的统一计算式，考虑了压弯剪扭四种受力状态的受力相关性。由该计算式推得的单一受力和复合受力状态下的承载力计算式与国内外试验数据符合较好，计算式不仅适用于所有单一受力状态下的承载力计算，还适用于压弯、剪扭、弯扭、弯剪和压剪5个两相关计算，弯剪扭、压弯剪三相关计算以及压弯剪扭四相关计算。按统一计算式得到的配筋量比GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》的配筋量更为合理，且计算结果与试验结果吻合较好。
采用跨度和初始缝高比恒定的非标准混凝土三点弯曲梁试件，以双K断裂理论为基础，根据改进的断裂韧度计算方法，通过试验实测试件的荷载与裂缝张口位移全过程曲线，计算不同初始裂缝长度和不同试件截面高度的非标准混凝土三点弯曲梁试件的有效裂缝长度ac、起裂断裂韧度k ini IC和失稳断裂韧度K un IC。试验结果表明：非标准混凝土三点弯曲梁试件的起裂荷载Fini 、最大荷载Fun以及有效裂缝长度ac均随跨高比的减小而增大；裂缝亚临界扩展量Δac、起裂断裂韧度k ini IC和失稳断裂韧度K un IC均与跨高比无关，在试验设计的试件截面高度下为一个常数。
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