ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
相比于钢结构，铝合金结构由于其自重轻、耐腐蚀和易加工等优点，在结构工程中备受关注，其应用也日益增多。从铝合金作为建筑结构用材与钢材的特性对比出发，列举了国内外大量具有代表性的铝合金空间网格结构，综述了国内外对于铝合金单、双层网壳和网架等铝合金空间网格结构及节点体系的研究现状，并指出目前试验研究、理论研究和设计应用的主要不足之处；通过进一步探讨，提出铝合金空间网格结构的研究与应用中需解决的若干关键技术问题，这些问题集中在节点刚度和杆件初始缺陷对铝合金单层网壳结构整体稳定性的影响、新型节点形式的研究以及铝合金空间网格结构的抗震、抗火性能研究等方面。
超高层框架-核心筒结构体系中，伸臂桁架连接着外围巨柱框架与内部核心筒，需传递巨大内力，其连接构造、传力机制等非常复杂。以上海中心大厦工程为背景，选取钢骨混凝土巨柱-伸臂桁架-环带桁架连接区域和伸臂桁架-核心筒连接区域进行了单调静力加载试验，并进行了有限元分析和简化模型计算分析。结果表明：伸臂桁架能够有效连接相邻构件并可靠传力，其破坏模式表现为伸臂桁架斜腹杆的受压屈曲以及上、下弦杆的弯曲变形，具有较好的延性；伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的节点板虽然部分区域进入塑性，但塑性变形不明显，表明连接区域的承载力远高于杆件的承载力；有限元分析及简化模型分析结果与试验结果吻合良好；简化模型反映了伸臂桁架的非线性受力机理，可对其失效荷载进行准确预测，并可根据结构性能设计要求进行伸臂桁架分析和构件截面选择。
在上海中心大厦伸臂钢桁架与柱和核心筒连接单调静力试验的基础上，进行了该连接的抗震性能试验。试验设计了3种不同的反复加载路径，以考察普通循序渐增加载方式和不同损伤累积后再以普通循序渐增加载方式下试件滞回特性和耗能能力的差别。结果表明：在几种不同路径反复荷载作用下，试件最终破坏均发生在伸臂桁架斜腹杆和下弦杆端部，伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的节点板塑性应力水平较低，滞回曲线形状饱满，延性较好，满足结构抗震设计要求；伸臂桁架在不同加载路径下的累积塑性耗能引起的塑性损伤对伸臂桁架的滞回性能退化有一定影响，但并不显著；单斜腹杆作为伸臂桁架耗能的主要构件，其累积轴力耗能占伸臂桁架总耗能的70%左右。
介绍了GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》关于楼层最小地震剪力系数规定的编写背景，及其与其他国家规范的相关规定的区别。论述了结构的最小地震剪力系数（剪重比）与设防烈度、场地特征周期、结构周期、振型、阻尼比等参数的关系。列举了位于不同地区（沿海和内地）、不同高度的超高层建筑设计，说明由于地震作用和风荷载不同，计算的楼层地震剪力系数、层间位移及墙、柱等构件轴压比也会不同。结构对地震作用与风荷载的反应不同，设计应区别对待。只要设计合理，大多数结构的最小地震剪力系数可以满足规范要求。对一幢超高层建筑结构进行全面剖析，综合比较，论证了各类参数之间的关系，证明我国规范关于楼层最小地震剪力系数的规定不但是必要的，也是合理可行的。
为了确定钢筋混凝土框架剪力墙结构在强震作用下的合理耗能机制，对多个结构算例进行多条强震记录作用下的弹塑性时程分析。通过分析总累积耗能在各类构件中的分配和各类构件耗能沿结构高度方向的分布模式，研究结构的典型耗能机制类型，讨论耗能机制与结构参数的关系，并对不同的耗能机制进行评价。结果表明，“强墙肢弱连梁”整体型耗能机制使结构具有良好的抗震性能，应作为结构耗能机制设计的目标，“强连梁弱墙肢”耗能机制则应予以避免；连梁与墙肢的相对刚度关系是影响结构耗能机制的关键因素，框架和剪力墙相对数量的改变则不会明显影响结构耗能机制。对具有小跨高比连梁的结构，建议采用连梁水平分缝措施引导结构形成“强墙肢弱连梁”耗能机制，并通过算例分析验证了该措施的有效性。
在总结增量动力分析中地震动强度参数的基本性质、研究现状和存在问题的基础上，针对不可忽略高阶振型影响的高层结构增量动力分析，在结构基本周期对应弹性加速度谱值Sa(T1,ξ)和Cordova提出的双参数地震动强度参数S*基础上，提出幂函数乘积形式的地震动强度参数S12和S123，它们是以结构主要周期点对应的弹性加速度反应谱值为底数、以各周期点的振型参与质量系数比为指数的各振型结果的乘积。以某复杂高层结构为例，对比采用本文提出的地震动强度参数与已有地震动强度参数进行增量动力分析的有效性。研究结果表明，对于高层结构，采用地震动强度参数Sa(T1,ξ)比采用PGA进行增量动力分析更具有效性；采用PGV作为地震动强度参数进行增量动力分析的有效性优于考虑单一谱值的参数Sa(T1,ξ)和考虑前两阶谱值的参数S*和S12，但较考虑前三阶谱值参数的S123差；本文提出地震动强度参数，考虑阶数越多更显其有效性；从工程应用角度出发，建议高层结构采用S123作为地震动强度参数进行增量动力分析。
在震损建筑抗震鉴定加固中，有关地震作用取值如何调整是值得深入研究的问题。以均匀Poisson过程描述地震的概率模型，以极值分布反映地震作用的概率分布，给出了地震烈度、地面峰值加速度与水平地震影响系数最大值之间的换算关系及其危险性曲线公式；阐释了等设防烈度原则、等超越概率原则和等重现期原则的基本原理；列出了震损建筑的几种分类方法及类别。基于震损建筑的后续使用年限，提出采用等重现期原则调整其地震作用取值的办法，并列出了具体的计算步骤。研究表明：相比等设防烈度原则和等超越概率原则，等重现期原则更为合理地反映了震损建筑在后续使用年限内遭遇相当设防烈度地震的风险概率，因此更适用于震损建筑抗震鉴定加固中地震作用取值的调整。
P-Δ效应是引起结构在地震作用下倒塌的主要原因之一。以钢框架结构为研究对象，采用增量动力分析法（IDA）和推覆法（Pushover）分析了结构在考虑P-Δ效应时的地震响应特征。结果显示：考虑P-Δ效应后，结构的整体刚度降低，结构下部较容易出现动力失稳，而上部经历卸载，层间位移较小；由于几何非线性与材料非线性的共同作用，骨架曲线会产生明显的负刚度；对具有负刚度的骨架曲线，用三段折线模型进行简化更为合适。基于完全弹塑性滞回模型，研究了不同骨架曲线参数对结构抗倒塌能力的影响。结果表明：二阶效应系数增大，结构发生倒塌的概率增加，而名义延性系数和屈服后刚度比增大则会使结构的抗倒塌能力增强。
针对现有隔震支座的不足，在普通叠层橡胶隔震支座(RB)的基础上，适当增大橡胶层厚度，结合预应力原理，提出一种新型的预应力厚层橡胶隔震支座(PRB)。在模型试验的基础上，建立其隔震结构非线性分析模型,推导了其水平刚度计算解析公式，编制相应的分析程序，分析和研究其工作原理及力学性能；通过时程反应分析，研究了其隔震性能。研究结果表明：PRB是水平变刚度支座，刚度大小与支座的水平位移等有关；它除具有RB的水平隔震性能外，还具有良好的水平限位等性能，地震强度越大，水平限位性能越好。
提出一种新型形状记忆合金（shape memory alloy，简称SMA）-摩擦复合阻尼器。该阻尼器由超弹性SMA单元和高耗能摩擦单元串联而成，通过控制摩擦单元的摩擦力大于SMA单元的最大输出力，可实现自动调节耗能单元工作状态的功能，即：较小荷载作用下，仅SMA单元工作，消耗能量少，具有自复位功能；较大荷载作用下，SMA单元和摩擦单元依次工作，消耗大量能量，具有一定的变形回复能力。对阻尼器进行拉压循环力学试验，研究了位移幅值、加载频率和扭矩对其输出力-位移曲线以及摩擦力、割线刚度、单位循环耗能量、等效阻尼比、残余位移等力学参数的影响。将基于Graesser本构模型基础上的SMA单元力学模型和摩擦单元的理想刚塑性模型串联，建立了阻尼器的力学模型；数值模拟结果与试验结果吻合较好，证明了该力学模型的正确性。
以上海旗忠网球中心为工程背景，对平面内外均搭接的空间KK形圆管节点（空间KK-Ov形节点）的静力性能进行了静力单调加载的试验研究和有限元非线性分析。详细介绍了节点试验方案，分析了搭接节点的受力性能、破坏模式、荷载-位移曲线及应变变化规律。在此基础上，建立了非线性有限元分析模型，对节点试验进行了数值模拟，计算结果与试验结果吻合良好。试验结果和有限元分析表明：空间KK-Ov形节点在发生承载力破坏时，常伴随有受拉腹杆与弦杆连接焊缝的开裂；四根腹杆交错搭接的构造，使得空间KK-Ov形节点具有明显区别于间隙节点破坏时管壁局部变形的特征，两受压腹杆之间的弦杆管壁在腹杆压力作用凹陷与腹杆局部屈曲是该类节点的主要破坏模式；平面外两腹杆搭接率ζt对节点承载力有一定影响，随平面外两腹杆搭接率的增大（即ζt绝对值变大），节点承载力将会减小。现行规范公式用于计算空间KK-Ov形节点承载力，既未考虑单K平面内搭接的影响，亦未考虑空间参数变化的影响，计算结果较试验结果偏于保守。
在揭示国内外现行规范公式和目前研究对于平面内外均搭接的空间KK形节点（KK-Ov形节点）中存在的诸多不足的基础上，对影响节点承载力的因素进行了分析，确定了空间调整系数μKK的主要影响参数，并采用多元非线性回归分析，提出了μKK的函数关系并进行了校验；进而提出了空间KK-Ov形节点的承载力设计值建议式，并与试验数据和有限元分析数据比较，以及与现有规范公式横向比较评价。结果表明：建立在空间圆管KK形间隙试验节点基础上的现有规范公式不适于计算4根腹杆交错搭接的空间圆管KK-Ov形节点；空间调整系数μKK的主要影响参数为弦杆的径厚比γ和平面外两腹杆搭接率ζt，回归的函数表达式可以较好地反映空间参数变化对节点承载力的影响；提出的建议式为在平面K形节点承载力基础上乘以μKK，公式具有较高精度和可靠性，可以用于空间KK-Ov形圆管节点的承载力设计。
对热成型不锈钢圆管混凝土短柱在轴向压力作用下的承载性能进行试验研究，试验主要参数为混凝土强度（C30和C40）、不锈钢管壁厚t（0.9 mm、1.0 mm和1.2 mm）和试件的高径比λ（3.0、3.5、4.0），试验观测了不锈钢圆管混凝土短柱在轴向压力作用下的破坏现象、试件荷载-轴向变形曲线、荷载-环向应变曲线、荷载-轴向应变曲线等。根据试验的破坏现象，将试件分为5种破坏模式，并分析了不锈钢管壁厚t和试件的高径比λ对试件的承载力、延性、刚度的影响。分析结果表明：试件在屈服后表现出明显的承载力提高；随着钢管壁厚的增加，试件的受压承载力、延性及刚度均有所提高；随着试件高径比增大，试件的延性增大，刚度降低；试件的受压承载力在高径比3.5时最大，4.0时次之，3.0时最小。与普通钢管混凝土相比，不锈钢管混凝土约束放大系数有一定的提高。
通过对18根焊接不锈钢方管混凝土短柱模型试件的轴压试验，观察了各试件的破坏现象，分析了混凝土强度、试件高宽比和钢管板件宽厚比试件轴压承载力的影响，得到了荷载-位移曲线，荷载-应变曲线及柱截面应变强度分布曲线。根据试验现象，试件的破坏模式可以归为两类：一类为钢管在整个柱表面范围内发生局部凸曲，靠柱中焊缝破坏；另一类为局部凸曲未能发展到整个柱表面，在端部或者端部附近焊缝破坏。试验结果表明：混凝土强度越高，试件的轴压承载力越大，但钢管对核心混凝土的约束作用相对减小；焊接不锈钢方管混凝土短柱轴压承载力随试件高宽比的增大而增大，随钢管板件宽厚比的减小而减小；试件截面的角部存在应力集中现象，即截面角部的应力大于截面其余部位的应力；焊接不锈钢方管混凝土短柱具有很好的变形能力，其破坏属于延性破坏，具有良好的安全储备；焊缝强度是影响焊接不锈钢方管混凝土短柱承载力的一个主要因素。
提出了一种基于有限元可靠度反分析求解钢管混凝土拱稳定安全系数的方法，并通过自编程序和通用有限元分析软件ABAQUS相结合将其实现。上述方法将拱的稳定安全系数引入稳定设计的极限状态方程，进而在给定目标可靠指标的前提下基于可靠度反分析求解该系数。对于已有的钢管混凝土拱模型试验，分别基于上述方法求解面内稳定和面外稳定对应的安全系数。计算结果表明，该方法具有较高的效率和较好的适用性；计算得到的拱面内稳定安全系数受加载方式的影响很小；采用弹性理论计算得到的拱面外稳定安全系数约为非线性理论计算结果的2倍；抗力不确定性和荷载不确定性对钢管混凝土拱稳定安全系数的影响均较大，且不考虑抗力和荷载不确定性影响的稳定安全系数偏于不安全。
结构可靠度分析应以直接描述作用随机变化的概率模型和随机过程组合方法为基础，但在目前的作用概率组合中，对由频遇值、准永久值参与组合的可变作用实际采用的是以最大值表达的随机变量组合方法，这将导致不合理的分析结果。依据可变作用的等时段平稳二项矩形波过程概率模型，确定与频遇值、准永久值超越比率对应的时段样本，提出可变作用频遇序位值和准永久序位值的概念，据此建立以作用序位值表达的随机过程组合方法和可靠度分析模型。该方法以随机过程理论为基础，具有明确、合理的工程概念，可准确反映作用组合的基本思想，得到合理的可靠度分析结果，从根本上克服了目前随机变量组合方法的缺陷。
为研究环向预应力纤维布加固混凝土圆形截面短柱的轴心受压性能，制作25个试件并进行轴心受压试验。试验考虑的影响因素包括：试件的混凝土强度等级、截面尺寸、箍筋间距、既有损伤及表面处理情况、纤维布种类、层数和预应力大小。试验得到了各个试件的破坏形态和应力应变关系，进而分析了各影响因素对加固效果的影响。结果表明：与非加固试件相比，环向预应力纤维布加固试件的轴心受压承载力和延性均有明显提高；对纤维布施加预应力能避免纤维布的应力滞后，更好地发挥纤维布的高强性能；当环向预应力与纤维布的抗拉强度的比值在0～0.20范围内，试件的承载力和延性随预应力的增大而增大；当环向预应力达到纤维布抗拉强度的0.25倍时加固效果会降低，因此在工程应用中环向纤维布的预应力宜控制在纤维布抗拉强度的0～0.20倍之间。
为有效张拉和锚固环向纤维布，提出一种新型的锚固系统——自锁式锚具，该锚具由锚头、螺栓、螺母和高强纤维布组成，可以根据需要组合成单层纤维布或双层纤维布的张拉锚固装置。自锁式锚具可分为锚头固定式和锚头活动式两种，试验研究表明：锚头固定式锚具不使用黏结胶，适用于对混凝土墩柱进行快速加固，可以对环向碳纤维条带施加20%左右的预应力；锚头活动式锚具工艺简单，可以对环向碳纤维条带施加超过30%的环向预应力，更适用于实际工程。基于试验结果，给出了锚具尺寸和纤维布长度的计算方法，提出了通过扭力扳手对环向纤维布施加和控制预应力的方法，建立了扭矩与环向纤维布中预应力的换算式，并验证了该式的可靠性；分析了环向纤维布张拉过程中锚具的受力机理，理论分析和试验结果表明自锁式锚具具有良好的可靠性和实用性。
通过木材单板叠加试验和预应力积成材参数化分析试验及相应的有限元分析验证，研究了单板及预应力积成材在跨中集中荷载作用下受力模式、变形形态、承载力以及破坏模式的变化规律，并探讨了预应力的大小，螺杆的布置方式、直径、纵向间距及上下边距对构件承载力的影响规律。结果表明：随着板材积成数量的增加，预应力积成材的破坏模式由弯扭变形导致的强度破坏逐渐转变为由面内弯曲导致的强度破坏，承载力大幅度提升；预应力过大、螺杆直径过大和间距过小导致木材承压破坏或产生贯通裂缝，而预应力过小、螺杆直径过小和螺杆间距过大均不足以限制板材的侧向扭转变形，导致材料强度无法充分发挥；木节等木材初始缺陷严重削弱板材的承载力。最后针对本文研究的板材规格，提出了能够应用于工程实际的预应力施加建议。
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