ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
运用一种新的湍流脉动流场产生方法模拟了三种风场的湍流边界条件，采用一种新的大涡模拟的亚格子模型，基于Linux系统下软件平台Fluent 6.3的并行计算技术，对深圳平安国际金融大厦进行了全尺寸、高雷诺数（高达10×108量级）的数值风洞模拟。计算了三种风场下建筑表面平均、脉动风压及风荷载时程数据。利用惯性风荷载（IWL）法得到三种风场下深圳平安金融大厦的基底等效静风荷载以及结构顶部峰值加速度响应。分析了不同的湍流来流对结构风压系数、风荷载及加速度响应的影响。分析结果表明：三种来流风场条件下，深圳平安金融大厦周围风场相差较大，来流的湍流强度越高，建筑物前方的脉动风速越高；顺风向等效风荷载主要受平均风速控制，横风向等效风荷载主要受脉动风控制；湍流强度越大，横风向等效风荷载越大；中国规范建议的湍流流场下，深圳平安金融大厦10年重现期顺风向、横风向峰值加速度响应满足居住者舒适度要求。
在边界层风洞试验中应用气弹模型技术对深圳京基金融中心（KFT）进行风振控制试验，通过在KFT顶层设计安装悬臂式调谐质量阻尼器(TMD)对结构横风向风振响应进行控制，研究了不同TMD参数对控制效果的影响，并将试验结果和基于刚性模型的高频压力积分(HFPI)计算结果进行比较。结果表明：使用TMD能有效抑制KFT的风致振动响应，当TMD频率接近结构1阶自振频率时，减振效果最佳，且由于结构阻尼的存在，最佳TMD频率略小于结构自振频率；TMD阻尼比为3.86%和1.67%时，结构顶层加速度响应分别减小20%和15%，而TMD阻尼比不大于0.07%时则可能对结构风致振动响应的控制不起作用。
基于台风“海鸥”、“凤凰”、“蔷薇”和“莫拉克”的近地面风场和台风“凡亚比”、“鲇鱼”和“狮子山”的超高空风场实测资料，进行了近地面和超高空台风风场不同平均时距(3 s、1 min、10 min和60 min)台风湍流特性的对比分析，研究了边界层台风风场的湍流特性及其与平均时距的关系。研究表明：台风风场的平均风速、风向角随平均时距的增加逐渐趋于平稳；1 min和3 s平均时距风参数能较好地反映平均风速、风向角、湍流度和阵风因子尤其是风速较大时的脉动性和变化规律；近地面与超高空台风风场的不同时距平均风速的离散性和平均最大风速之间的比例相差较大；随着平均风速的增大，近地面与超高空台风风场不同时距湍流度和阵风因子的变化规律与离散性相差较大；日本风荷载规范(AIJRLB-2004)公式基本适用于我国沿海超高空台风风场顺风向湍流度的估计；当平均时距小于10min时，随着平均时距的减小，近地面和超高空台风风场的顺风向湍流度均比横风向减小得快；超高空台风风场的3 s时距顺风向湍流度均值略小于横风向，近地面台风风场的3 s时距顺风向湍流度均值大幅小于横风向。
基于刚性模型表面测压风洞试验建立高层建筑三维风荷载模型，进而运用振型加速度法求解风振响应动力方程，得到了包含拟静力项和惯性力项的弹性力响应解，并推导了对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向风致随机内力响应。在此基础上提出了基于内力响应等效的可考虑高阶振型贡献的对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向等效静力风荷载计算方法。结合某一对称截面高层建筑工程实例，对采用上述方法计算得到的结构三维等效静力风荷载进行分析并与我国规范方法顺风向等效静力风荷载计算结果进行比较。结果表明，高层建筑结构抗风设计应该考虑三维等效静力风荷载，且二阶振型对高层建筑等效静力风荷载的贡献不可忽视。
介绍了作者近年来关于基于能量抗震设计方法的研究工作。首先，说明了基于能量抗震设计与传统抗震设计方法的关系，指出合理的结构损伤耗能机制控制是实现基于能量抗震设计前提，并据此提出了基于能量抗震设计的框架。随后，介绍了基于能量抗震设计用能量谱，包括单自由度（SDOF）体系总输入能量E I谱、SDOF体系累积滞回耗能比EH/EI谱以及多自由度（MDOF）体系E I,MDOF谱与SDOF体系E I谱的关系，并基于这些谱关系给出了MDOF体系的总累积滞回耗能EH的确定方法。在此基础上，基于静力弹塑性分析方法给出了结构预期损伤部位累积滞回耗能EH需求的确定方法，据此结合构件的承载力和变形需求，进行构件层次的基于能量抗震设计。最后，针对某钢支撑框架结构，介绍了所建议的基于能量抗震设计方法的应用。
通过线性化等效原理，将消能减震结构中的消能部件等效为框架柱，将非线性分析转化为线性分析，得到消能部件附加给结构的有效阻尼比。对工程实例进行了线性化等效分析和非线性对比分析。研究结果表明：线性化等效分析方法可以准确地得出消能部件附加给结构的有效阻尼比，无论是层间位移角还是层剪力，两种分析方法得出的结果都符合较好，通过“附加有效阻尼比”修正的结构的线性分析与含有消能减震部件的非线性分析得出的结果一致。
以北京市既有农村住宅广泛采用的单层砖木结构房屋为研究对象，通过加固前后2个大比例尺模型的振动台试验，研究抗震加固方法的有效性。试验结果表明：未加固房屋由于前后纵墙抗侧刚度相差大，纵向地震作用下前纵墙侧移大，砖柱损伤严重；山墙平面外变形大，形成贯穿的斜向裂缝；8度小震作用下墙体开裂，中震作用下墙体损伤严重，大震作用下模型结构濒于倒塌。根据试验结果，提出了抗震加固方法，包括加设钢门窗框及钢板圈梁，采用钢筋网砂浆面层加固山墙和砖柱。振动台试验表明，上述加固方法显著提高了此类砖木结构房屋的抗震能力，加固后结构达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。
对一栋缩尺为1∶2的两层单开间预制板砖砌体结构房屋模型进行不同强度地震作用下的双向拟动力试验和非线性地震响应分析，研究该结构在地震作用下的破坏机制、变形、滞回特性及耗能能力等。结果表明：构造柱与圈梁的存在，使得预制板砌体结构具有较好的延性，地震破坏主要集中在底层，即使墙体严重开裂，也不至于整体结构垮塌；双向地震作用下一个方向的承载力与刚度退化会加剧另一个方向承载力与刚度的退化，从而导致砌体结构整体抗震能力的下降；滞回曲线由弓形最后发展到反S形，具有明显的捏缩和滑移效应；建立的砌体结构非线性空间有限元模型，能够反映预制板砌体结构的弹塑性地震响应，计算结果与实测结果基本吻合；两层砌体结构房屋能够满足设计规范的抗震要求。
为了研究砌体填充墙沿框架层不连续布置对框架结构抗震性能的影响，进行了3榀两层单跨砌体填充墙框架结构模型、1榀单层单跨砌体填充墙框架结构模型、1榀两层单跨框架结构模型和1榀单层单跨框架结构模型的对比试验，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抗震性能指标。结果表明：无论是单层单跨还是两层单跨的砌体填充墙框架结构，其水平峰值荷载和初始刚度比相应的纯框架结构均有较大幅度的提高，且其刚度退化程度比相应纯框架结构要缓慢；砌体填充墙的存在提高了框架结构的抗侧刚度和水平峰值荷载，使框架结构的变形由剪切型逐渐转变为弯剪型；砌体填充墙参与了结构的滞回耗能，填充墙框架的位移延性和累积耗能能力明显优于框架；砌体填充墙沿框架层不连续布置会引起框架结构层间侧移刚度和层间受剪承载力发生突变，影响框架结构的破坏形态，但由于砌体填充墙参与了框架结构的滞回耗能，故其仍具有较好的抗震性能。
广州珠江新城东塔为高530 m的复杂超高层建筑，设计采用了劲性钢筋混凝土核心筒+外围巨型框架+钢伸臂桁架的结构抗侧力体系。运用ABAQUS与BEPTA程序，考虑结构几何非线性，采用显式积分的方法，对该结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，以检验结构在罕遇地震作用下的抗震性能。研究结果表明：通过在顶部收进较大的核心筒剪力墙内埋设钢板加强，错洞墙剪力墙内埋设钢骨桁架加强，与剪力墙连接的环桁架在剪力墙内贯通后，在罕遇地震作用下结构的层间位移角满足规范要求；首层剪力墙和巨型柱均具有较高的受拉承载力；各主承重构件均未出现明显损坏，结构抗震性能较好。
为了研究钢板-砖砌体组合框架的抗震性能，制作了2榀缩尺比例为1∶2的单层单跨组合框架，考虑竖向压应力水平分别为0.1和0.2，进行低周往复荷载试验。根据试验结果，分析其破坏特征，研究其滞回曲线、骨架曲线、承载力、承载力退化、刚度退化、延性和耗能能力等受力性能。结果表明：钢板-砖砌体组合框架的破坏特征主要表现为梁端与柱脚处钢板的局部屈曲、焊缝撕裂与砖砌体压碎；竖向压应力水平在0.2以下时，其对钢板-砖砌体组合框架的刚度退化、承载力尚未构成显著影响，但已经对承载力退化、延性与耗能能力产生较明显的影响；钢板-砖砌体组合框架屈服后延性好，滞回曲线饱满，具有较好的抗震耗能能力。
为研究砌体结构外套预制钢筋混凝土墙板加固技术的加固效果，并探讨在其顶部隔震加层的可行性，进行了3个相似比为1/4模型的振动台对比试验， 模型分别是加固砌体结构模型、加固后加层非隔震结构模型和加固后加层隔震结构模型。试验测试了模型结构的动力特性及其在不同地震作用下的动力响应，为了分析结构震损后的动力响应，在试验模型经历罕遇地震作用下的损伤后又继续进行不同水准地震输入试验。试验结果表明：加层非隔震结构的上部钢框架鞭稍效应非常明显；加层隔震结构有效延长了结构自振周期，增大了结构阻尼比。加层隔震结构既有效降低了下部砌体结构的地震响应又降低了上部钢框架的地震响应，其加固效果和抗震性能优越。同时，震损后加层隔震结构的隔震效果明显降低，下部砌体的加速度反应可能大于加固结构和加层非隔震结构，建议在设计时充分考虑这种不利影响。
通过12根FRP-圆钢管混凝土试件和1根圆钢管混凝土对比试件的抗剪试验，研究环向包裹FRP布时圆钢管混凝土柱的受剪性能，分析了剪跨比、轴压比、含钢率、混凝土强度、FRP布层数等对FRP-圆钢管混凝土柱受剪性能的影响。研究结果表明，从开始加载至FRP布断裂，FRP布和钢管保持协同工作，FRP-圆钢管混凝土柱具有良好的变形能力。剪跨比和含钢率显著影响FRP-圆钢管混凝土柱的受剪承载力，FRP-圆钢管混凝土柱受剪承载力随剪跨比的增大而减小，随含钢率的增大而增大。增加FRP布层数、提高混凝土强度和增大轴压比均可小幅度提高FRP-圆钢管混凝土柱的受剪承载力。在试验研究的基础上，提出了FRP-圆钢管混凝土柱受剪承载力计算式，得出的计算结果与试验结果吻合较好。
为了研究预应力碳纤维条带加固高轴压比混凝土圆柱的抗震性能，进行了7个钢筋混凝土圆柱试件的低周反复荷载试验，其中1个为设计轴压比0.82的未加固对比柱试件，另外6个为不同高轴压比下的预应力碳纤维条带加固柱试件，主要考虑了环向预应力和轴压比两种参数对加固柱抗震性能的影响。研究结果表明：采用预应力碳纤维条带加固高轴压比混凝土圆柱后，其承载力、延性性能、耗能能力均有大幅度提升；预应力纤维条带提供的环向主动约束力能够有效抑制斜向剪切裂缝的开展，加固后高轴压比圆柱呈现出弯曲破坏特征；采用试验数据回归分析方法，得到了预应力碳纤维条带加固混凝土圆柱极限荷载点位移 Δm计算式，计算结果与试验结果吻合较好。
进行了5个采用预应力钢板箍加固的RC柱试件和1个未加固RC柱对比试件的单调加载试验，重点研究预应力钢板箍加固RC柱的轴压性能和加固构件轴压承载力计算方法。试验主要参数包括钢板箍预应力水平和钢板箍配箍特征值。试验结果表明：采用预应力钢板箍加固RC柱可显著改善其轴压性能，不仅可有效提高柱的轴压承载力，还能使加固柱具有较好的变形能力。在试验研究基础上探讨了预应力钢板箍加固RC轴压柱受力机理，分析了各主要参数对加固柱轴压承载力的影响。分析结果表明：预应力钢板箍强度发挥系数与钢板箍预应力水平和钢板箍配箍特征值等因素有关。采用叠加方法，提出加固柱轴压承载力计算式，计算结果和试验结果总体吻合良好。
砌体结构的材料强度较低且砖墙是由砖块与砂浆两种材料复合而成，将植筋技术应用于砌体结构尚未有深入研究。基于锥体破坏、剪切破坏与黏结破坏这三种破坏模式，推导了与植筋深度、墙体强度相关的植筋拉拔承载力的半经验简化计算式；利用8处不同类型的既有砌体结构，针对不同植筋直径、植筋深度进行现场拉拔试验；采用有限元数值分析，对砖墙的植筋拉拔性能进行分析，结合现场拉拔试验的结果，验证了半经验简化计算式的合理性。通过以上理论分析、现场试验，对植筋技术在砌体结构中的应用提出以下建议：在砌体结构中采用植筋，砖墙砂浆的抗压强度应大于M2.0；植筋的直径建议采用6 mm、8 mm或10 mm即可；植筋深度介于100 mm与150 mm之间。
对一种新型防屈曲支撑进行性能试验研究。该种防屈曲支撑（以下称一字形全钢防屈曲支撑）的内核为一字形钢板，外约束单元为双腹板工字形钢，中间用薄橡胶作为无黏结材料。通过对8个一字形全钢防屈曲支撑试件进行轴向循环往复加载试验，研究了防屈曲支撑的耗能性能以及不同芯材特性、支撑长度对其耗能性能的影响。结果表明：一字形全钢防屈曲支撑的构造合理，所有试件的滞回曲线稳定饱满；芯材特性和支撑长度对于该种防屈曲支撑的耗能性能均有较大影响；以SLY225为芯材的防屈曲支撑，其耗能性能、低周疲劳性能与塑性变形能力均明显优于以SN490B为芯材的防屈曲支撑；SLY225能提供45%以上的附加有效阻尼比；增加支撑长度，防屈曲支撑的塑性变形能力与低周疲劳性能均有所下降。
格鲁斑胶合竹是一种天然竹纤维增强复合材料，为研究其受拉、受压、受弯及受剪等基本力学性能，综合参考《木材物理力学性能试验方法》、《木材无疵小试样的试验方法》等，进行了格鲁斑胶合竹材力学性能试验，得到了格鲁斑胶合竹抗压强度、弹性模量、抗弯强度、抗剪强度值，通过分析获得了较高拟合优度的抗拉强度和弹性模量与荷载-主纤维角度变化关系的指数拟合曲线。试验结果同时指出冷压胶合面对格鲁斑胶合竹材抗压强度有较强的削弱作用。最后，在对胶合竹结构设计方法讨论的基础上，给出了以中国木材容许应力设计方法为基础的格鲁斑胶合竹的容许设计应力建议值，并与其他几种胶合木材料进行了对比，表明格鲁斑胶合竹材能够满足建筑结构对材料主要力学性能的要求。
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