ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
为研究不同裂缝宽度对钢筋混凝土梁抗火性能的影响，以混凝土裂缝最大宽度wmax为损伤指标，制作7个钢筋混凝土梁试件，加静载使其产生最大宽度为0.05mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.30 mm的裂缝，模拟其正常使用时受力状态，并对其进行火灾试验。试验结果表明：不同试件相同位置测点升温大致相同，但截面历经最高温度相差较大，最大温差达到150℃；裂缝宽度越大，试件最终破坏时历经最高温度越小，挠度增长越快。采用ANSYS有限元软件分析梁截面的温度场分布，结果表明：由于初始损伤的存在，相同截面高度处，不同截面沿跨度方向的温度曲线出现波动，裂缝处尤为明显；同一截面，沿截面高度方向的温度曲线出现平台，且裂缝越宽，平台越长，使得截面高温承载力显著退化。提出了考虑裂缝影响的高温作用下混凝土梁承载力简化计算模型，较未考虑裂缝影响的高温作用下混凝土梁承载力的计算精度提高显著。
对2个足尺钢筋混凝土平板无梁楼盖试件进行了抗火试验，测量了火灾作用下板的平面内（水平）位移和平面外（竖向）位移等，考察了板的约束反力变化，分析了混凝土板沿厚度的温度分布以及钢筋的温度变化。结果表明：单面受火的钢筋混凝土板沿厚度的温度呈非线性分布，温度梯度随时间的增长而快速增大，并且毛细孔水和凝胶水等水分的存在使混凝土在100℃时产生了升温水平段；水分不仅影响了混凝土的升温，还使受火混凝土产生爆裂，含水率太高时板将因混凝土的爆裂而导致破坏；柱上板带和跨中板带的约束反力均产生了显著变化，柱上板带的约束反力由第4 min时的8.2 kN/m下降到试验结束时的2.7kN/m，跨中板带则由第4 min时的4.5 kN/m下降到接近0；平板无梁楼盖的板顶裂缝最终形成对角呈双曲线形，与传统塑性铰线理论的柱附近局部屈服线模式一致。
通过15块预应力混凝土空心板底面受火耐火极限的对比试验，研究了不同持荷水平、板底是否涂抹水泥砂浆粉刷层的底面受火预应力混凝土空心板的耐火极限。结果表明，未受火对比试件和持荷受火试件均发生源于纯弯区受拉裂缝引起的弯曲破坏，持荷受火空心板的跨中挠度显著增大。有粉刷层持荷（8%~72%）pu （pu 为未受火对比试件极限荷载的平均值）的试件耐火极限为35~154 min；持荷小于50% pu 有粉刷层预制空心板的耐火极限均大于43 min。无粉刷层持荷（16%~48%）pu 的试件耐火极限为31~47 min。随着持荷水平增加，底面受火预制空心板耐火极限逐渐降低；板底涂抹粉刷层后，耐火极限明显提高。无粉刷层预制空心板在受火过程中，孔洞内温度和板顶温度均明显高于有粉刷层的预制空心板。持荷水平对孔洞内和板顶温升梯度无明显影响，但板底涂抹粉刷层对预制空心板温度场变化影响明显。
截面温度不均匀钢柱火灾下将发生热弯曲及扭转屈曲破坏，同时对热变形的约束导致钢柱内在升温阶段产生附加压力，在降温阶段出现附加拉力。分别考虑3种约束刚度比和3种截面温度分布形式，进行了9根受约束钢柱的抗火试验，量测了受约束钢柱达到最大轴力时的温度（屈曲温度）、轴力恢复至初始荷载对应的温度（临界温度）及破坏温度，研究其在火灾升温和降温阶段的受力性能、破坏特征。试验结果表明，截面温度不均匀导致钢柱在绕截面对称轴弯曲时同时发生扭转；约束刚度比越大，钢柱的屈曲温度越低，破坏温度与屈曲温度之差越大；截面温差越大，钢柱屈曲温度和破坏温度越高。同时对试验钢柱进行了有限元分析，分析结果与试验结果基本一致，验证了所建立的有限元分析模型的正确性。
对单面、相对两面、三面及四面火灾作用下方钢管混凝土柱截面的典型温度场及其分布规律进行分析，研究方钢管混凝土柱轴向/侧向变形-时间关系曲线，得到不同受火条件对方钢管混凝土柱抗火性能的影响规律。结果表明，相对两面和四面受火的柱截面温度场双轴对称，因而截面材料强度场、温度应变、温度应力也呈双轴对称分布，柱受力机理与常温情况下类似；对于单面和三面受火情况，由于柱截面温度场单轴对称，使得柱受力模式与常温情况不同，受火过程中柱先弯向受火侧，然后弯向背火侧。与温度梯度产生的非均匀的温度变形和材料强度偏心相比，受火面的多少在更大程度上决定了试件的抗火性能，即在绝大多数情况下，四面受火、三面受火、相对两面受火及单面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限依次增大。但在某些特殊情况（如长细比λ<30）下，三面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限可能小于其四面受火情况，此时如按四面受火对方钢管混凝土柱进行抗火设计，将存在安全隐患。
通过对天津梅江会展中心张弦桁架移除关键构件后的残余结构的承载力分析，得到张弦结构的支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆等关键构件的破坏对结构承载力影响最大；为了模拟杆件失效前静力荷载产生的初始变形对结构连续倒塌的影响，采用考虑初始变形的全动力等效荷载瞬时卸载法模拟杆件失效。对支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆失效进行连续倒塌动力分析，研究了纵向联系桁架对张弦结构抗连续倒塌的作用，得到平面张弦桁架通过纵向联系桁架组装成一整体，其整体性随着纵向联系构件抗弯刚度的增大而提高，共同作用效果明显。在此基础上，利用山墙的抗风柱，将边跨张弦桁架改变为多支点支承的普通桁架，设计时该抗风柱不仅承担水平风荷载，还承担竖向荷载，从而提高结构的抗连续倒塌能力。并根据该工程的特点提出集桁架支座、张拉端（锚固端）和桁架下弦管于一体的铸钢节点构造，不仅满足建筑要求，还使得该处节点承载力大大加强，可供相关工程参考。
GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求对于平面投影尺度很大的空间结构，应进行多点输入地震反应分析。在多点输入地震反应分析的主要方法中，时程分析法的应用最为广泛。在确定多点输入地震波时，主要考虑行波效应和局部场地条件效应。多点输入时程分析在有限元分析程序中的实现方法主要有两种，一是对各支座点施加强制边界条件，二是采用大质量法。据此，提出以超载单元和超载比作为多点输入对结构影响的主要评价指标，并根据多个实际工程多点输入分析的经验，给出了多点输入的一般性结论：多点输入将增加结构的扭转输入，因此对于边角构件的影响较大；多点输入降低输入的同步性，因此结构平动反应减小；在一定视波速范围内，多点输入影响随着视波速的减小逐渐增加；多点输入的影响随着楼层的增高而减小等。
基于结构本身构型的易损性理论与结构失效机理相结合，分析了六角星型穹顶结构的易损性及杆件在荷载作用下的应力。结果表明，结构应力较大的杆件与易损性分析的失效杆件有对应关系，通过直接计算应力较大杆件的易损性参数，找到各种失效模式，可判断结构易损性。通过分析在反应谱拟合人工波和El Centro波作用下结构的失效模式，求得导致结构破坏的地震峰值加速度，研究了易损性特征参数与结构失效模式的关系。结果表明，结构连接能力小，易损性指数小时，结构呈现强度破坏，随着易损性指数的增大，结构失效模式由强度破坏转变为动力失稳。
对简支边界条件的压弯矩形钢板进行了考虑几何和材料非线性、残余应力、初始几何缺陷的非线性分析，得到弯矩-边缘纤维压应变曲线和弯矩-曲率曲线，按照两种曲线上延性系数的定义确定不同通用宽厚比下板件的延性系数，拟合了压弯板延性系数计算式。分析表明，按曲率定义延性小于按边缘纤维压应变定义的延性。另外根据面向抗震设计的钢构件截面分类的方法，利用结构延性需求与截面延性需求的关系和得到的截面延性需求的计算式，区分结构影响系数中是否包含超强系数，对各类截面板件的宽厚比进行分界，并拟合了宽厚比分界与结构影响系数的相关计算式。
为充分了解高强度结构钢构件的抗震性能，采用Q460C高强度结构钢焊接制作H形和箱形截面柱试件各4个，进行固定轴压比为0.3的低周反复加载试验。试验测得了Q460C高强度结构钢H形和箱形截面柱的荷载位移滞回曲线和弯矩曲率滞回曲线。试验结果表明：宽厚比接近GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中“一级抗震”限值的试件试验破坏模式为板件局部屈曲，而宽厚比远小于“一级抗震”限值的试件在柱底部可形成具有充分转动能力的塑性铰；宽厚比小于“二级抗震”限值的Q460C焊接 H形截面柱和小于“一级抗震”的Q460C焊接箱形截面柱具有良好的耗能能力和抗震性能。在试验基础上提出了Q460C高强度结构钢焊接H形和箱形截面柱的弯矩曲率滞回模型，为高强钢结构在地震作用下的弹塑性静力分析和时程分析提供参考。
为进一步研究Q460C高强度钢柱的滞回性能，在已有试验研究的基础上，采用通用有限元分析软件ANSYS建立了数值模型，对Q460C高强度钢材焊接箱形和H形截面柱在常轴力和水平往复荷载作用下的滞回性能进行模拟，并研究了残余应力对高强度钢试件滞回性能的影响。将有限元分析结果与已有试验结果进行对比，两者吻合较好。研究结果表明：采用提出的Q460C高强度结构钢滞回模型进行有限元分析，能较为准确的预测Q460C高强度钢材焊接H形和箱形柱的滞回性能；试件内残余应力对Q460C高强度钢材焊接H形和箱形截面柱的滞回性能影响较小。
对不同强度等级结构钢材进行了滞回性能试验研究，设置了等幅升幅、等幅交替和拉伸循环等不同加载路径以研究钢材在地震随机作用下的行为特性。考察了钢板板厚、屈服强度以及加载路径等参数对钢材滞回性能的影响，结果表明，在有限应变条件下，同种牌号不同板厚钢材的滞回性能差异很小，实际屈服强度接近的不同牌号钢材的滞回性能十分接近，不同加载路径下的滞回环有差异但幅度不大，结构钢材具有非完全Masing特性。在此基础上，给出了利用钢材循环加载骨架曲线确定不同应变幅值范围内Ramberg-Osgood方程相关参数的方法，进而建立了滞回环参数随应变幅变化的结构钢材滞回模型，此模型能反映屈服强度以及加载路径等的影响。与Q460钢材滞回试验进行比较，验证了该滞回模型的适用性。
提出一种钢-混凝土组合剪力墙，即钢管高强混凝土剪力墙。通过20个钢管高强混凝土剪力墙试件的轴心受压试验，分析其破坏形态和受力机理，研究管内外混凝土强度、截面钢管混凝土含量、纵筋配筋率、管间混凝土体积配箍率和高厚比等因素对钢管高强混凝土剪力墙轴心受压性能的影响。试验结果表明，弹性工作阶段钢管高强混凝土与外围钢筋混凝土能够协同变形、共同工作；由于钢管对高强混凝土的有效约束，管内可以采用高达C80～C100的高强混凝土，相对于普通混凝土剪力墙具有更高的轴心受压承载力；钢管高强混凝土剪力墙的轴压承载力是钢管间钢筋混凝土与钢管高强混凝土轴压承载力之和，钢管套箍效应的发挥程度与管间混凝土的体积配箍率相关；剪力墙在管外混凝土破坏后，仍能发挥较高且稳定的残余承载力。在试验研究的基础上，利用非线性有限元分析软件ABAQUS，建立剪力墙的力学模型并进行有限元仿真分析，并与试验结果进行对比。依据对试验结果的统计分析，提出了钢管高强混凝土剪力墙轴心受压承载力实用计算式，可供实际工程应用时参考。
为研究不同钢纤维掺量和配箍率对自密实钢筋混凝土梁受剪性能的影响，制作16个钢纤维自密实混凝土梁试件，对其进行了四点弯曲试验。根据试验得到荷载-位移曲线和破坏形态，对试件受剪承载力及纤维混凝土构件在剪切变形过程中能量吸收能力、峰值后继续承受荷载的能力、等效受剪强度进行了分析。结果表明：钢纤维的加入可以明显提高混凝土梁的受剪承载力与等效受剪强度。基于修正压力场理论提出了钢纤维混凝土梁的受剪承载力计算式，采用该式对试件的受剪承载力进行预测，并与Rilem TC 162-TDF以及 CECS 38:2004建议的纤维混凝土受剪承载力公式进行了对比。计算结果表明，该式计算的受剪承载力与试验结果比值的变异性较小，能较准确地预测纤维混凝土梁的受剪承载力，可用于纤维混凝土梁的受剪分析与设计。
采用高宽比为3∶1的棱柱体试件，进行了不同截面尺寸箍筋约束混凝土试件的轴心受压试验。试件分为4组，每组3个相同试件，各组试件截面边长分别为108 mm、200mm、250 mm、370 mm。为保证各组试件具有相同的混凝土约束效率，采用相同的箍筋形式，箍筋直径和间距等参数也与截面尺寸保持相同比例，以研究试件截面尺寸对箍筋约束混凝土试件的轴心抗压强度、峰值应变、延性的影响。结果表明：各组试件的裂缝开展和破坏形态基本一致，荷载-轴向应变曲线的下降段随试件截面尺寸的增大而变陡；各组试件约束混凝土的轴心抗压强度基本相同，尺寸效应不明显；峰值应变随试件截面尺寸的增大而明显降低，截面尺寸为370 mm试件的峰值应变为108 mm试件的49%，表现出明显的尺寸效应。
参照澳洲规范AS/NZS 4600:2005，结合国内实际情况，提出直接基于试验不需经设计公式计算的试件设计指标的确定方法。首先运用概率分析得到表征试验最小值与试验标准值之间关系的修正因子，保证所取标准值具有要求的保证率；进而通过可靠度分析得到一定目标可靠度指标下由所得标准值确定设计值的抗力分项系数。经验证，所推荐抗力分项系数可使基于试验方法确定的设计指标取值在各种荷载组合下的实际可靠指标不小于目标可靠指标。采用已有试验结果进行验证分析，将按规范推荐方法得到的试件承载力设计值与采用所提方法直接由试验结果获得的试件承载力设计值进行比较，结果表明，该法可由样本试件的试验结果合理估计其承载力设计值。最后分析了该方法的使用条件及适用范围，为进一步推广应用提供参考。
通过对2组内置钢板混凝土组合剪力墙和内置钢桁架混凝土组合剪力墙拟静力试验的模拟，确定计算模型的建立方法，并选取2片相同含钢率的内置钢板混凝土组合剪力墙和内置钢桁架混凝土组合剪力墙模型进行侧向低周反复荷载作用下的计算分析，对比了2片剪力墙模型的承载力、刚度及其退化过程、延性、耗能及滞回特性，并选取实际工程为算例，对采用两种组合剪力墙的整体结构从抗侧刚度、破坏模式、层间位移角、位移时程及塑性发展等方面进行了抗震性能的对比。研究结果表明：对于构件层次，随着墙体高宽比的增大，内置钢板混凝土组合剪力墙的承载力、耗能能力及延性逐渐优于内置钢桁架混凝土组合剪力墙；对于结构层次，当墙体高宽比较大时，采用内置钢板混凝土组合剪力墙结构的抗震性能要优于采用内置钢桁架混凝土组合剪力墙的结构。
为研究非对称配钢钢骨混凝土柱的抗震性能，进行了12个T形配钢、12个L形配钢的钢骨混凝土柱试件在低周往复荷载作用下的试验研究，试验参数为剪跨比、轴压比、体积配箍率以及是否配置拉结筋，对受力过程、破坏形态、滞回特性、骨架曲线、延性、耗能能力等进行了分析比较。结果表明，在恒定轴向荷载和水平低周往复荷载共同作用下，非对称配钢钢骨混凝土柱表现出较好的受力性能，破坏形态主要有弯曲破坏、剪切黏结破坏、剪切斜压破坏、剪切复合型破坏4种，各试件表现出较明显的正负滞回环不对称现象。剪跨比对破坏形态有较大影响，剪切复合型破坏主要发生在配有严重不对称的L形配钢的试件中；各试件的延性性能均随轴压比的增大而降低，在L形配钢试件中更为明显；增大配箍率对T形配钢试件的延性和承载力均有明显的提高，并能改善试件屈服后的耗能能力，有效改善混凝土的脆性性质，但对于剪跨比较小的L形配钢试件受力性能的改善并不明显；配置拉结筋能够提高各试件的承载能力，改善加载后期试件的承载力衰减和刚度退化，并明显增强了L形配钢试件的变形能力。
为研究缝高比对钢筋混凝土起裂韧度、失稳韧度等断裂参数的影响，以及钢筋在混凝土裂缝扩张过程中对裂缝的限制作用，设计制作了4组初始缝高比分别为0.2、0.3、0.4、0.5的标准钢筋混凝土三点弯曲梁，对其进行了断裂性能试验研究。根据试验现象分析了裂缝扩展过程，在此基础上建立了断裂韧度计算模型，给出了考虑钢筋限裂作用后的有效裂缝长度计算式。研究结果表明：在引入适应于钢筋混凝土的断裂韧度后，其裂缝扩展过程也可以用双K断裂准则来描述；当试件的初始缝高比大于或等于0.4时，钢筋混凝土三点弯曲梁的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度与初始缝高比无关；声发射参量可以准确地确定试件的起裂荷载值，而且与传统的应变片法相比，声发射信号能更好地反映试件内部真实的起裂状态。
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