ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
大跨度空间结构的空间体量大、覆盖范围广，因而在遭遇非预期荷载作用并因局部失效诱致整体结构发生连续性倒塌时，会造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。国内外针对框架结构连续性倒塌事故的研究已比较成熟，形成了统一的设计指导思想和相应的设计规范，但针对大跨度空间结构连续倒塌的研究尚处于起步阶段。结合已有成果，对大跨度空间结构连续性倒塌研究所用的数值、试验和理论方法作出评述。数值模拟方面，分析了描述不连续位移场和冲击碰撞等关键问题，并展望了多尺度数值计算方法在倒塌模拟上的应用；试验研究方面，借鉴已有试验，指出了大跨度空间结构倒塌试验中的破断触发和位移量测等关键技术；理论分析方面，总结了各类结构的抗倒塌机制、鲁棒性评价方法和简化评估方法。
将结构连续倒塌的全概率方法应用于地震作用下的结构整体连续倒塌极限状态可靠度分析，采用构件可靠度方法对结构进行地震作用下最可能失效构件的识别，基于改进点估计法的随机Pushdown方法和随机竖向增量动力分析(竖向IDA)方法，进行完好和损伤结构的概率抗竖向连续倒塌能力分析及参数灵敏度分析。采用整体可靠度方法，分析了损伤结构的竖向连续倒塌条件失效概率。基于系统可靠度理论和全概率方法，分析了RC框架结构发生侧向增量倒塌以及构件地震损伤引起的结构竖向连续倒塌的联合失效概率。分析结果表明，按照我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构具有良好的抗连续倒塌能力。
地震作用下钢筋混凝土框架结构通常呈现弱柱型破坏模式而倒塌。针对其破坏特征，将钢筋混凝土框架结构离散为“板-柱”和“梁-柱-节点”体系，结合块体间碰撞作用的冲量模型，基于离散单元法建立考虑构件间碰撞作用的钢筋混凝土框架结构空间倒塌反应计算机仿真系统，并通过2个框架结构模型的倒塌试验对其进行了验证。利用计算机仿真系统模拟分析了现浇楼板对钢筋混凝土框架结构倒塌模式的影响。结果表明：考虑块体间碰撞作用的框架结构倒塌仿真系统可以真实再现地震作用下框架结构的倒塌过程和废墟堆积情况；考虑楼板影响时，强柱型框架结构可能会出现弱柱型倒塌，局部倒塌型框架结构则可能不倒或呈弱柱型倒塌；框架结构抗震设计或评定中应充分考虑现浇楼板对框架抗震性能的影响。
钢筋混凝土框架结构在使用期内遭遇爆炸、撞击等突发事件时，可能引起结构承重柱失效，从而导致结构倒塌。当失效柱为内柱时，失效柱上方与其相连的两跨梁将形成双跨梁，双跨梁的承载能力决定剩余结构的抗倒塌能力。为分析双跨梁的受力特征和破坏机理，进行了3根1/4缩尺钢筋混凝土双跨梁的静力加载试验。结果表明：梁端存在轴向约束时，梁产生压拱效应，其竖向承载力得到提高；基于试验结果，根据双跨梁关键截面满足的内力平衡方程、考虑压拱效应时满足的变形协调方程，推导出梁的竖向荷载与中柱竖向位移之间的关系式；通过不断增大竖向位移，得到最大竖向荷载(对应的梁轴向力为压力)即为双跨梁考虑压拱效应的竖向承载力。理论分析结果和试验结果比较表明，所提计算方法有较高精度。
通过一榀四跨单层钢-混凝土组合框架试验研究，分析中柱失效后结构体系的抗倒塌性能。试验结果表明：中柱失效后，组合框架的连续倒塌过程分为6个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段、压拱阶段、塑性阶段、过渡阶段及悬链线阶段，结构主要通过塑性铰机制和悬链线机制进行内力重分配；组合梁可以保证悬链线作用的形成，其特有的压拱效应可在一定程度上提高结构关键柱失效初期的承载能力；根据现行规范设计的组合框架在关键柱失效后仍具有较高的承载力，具有一定的抗倒塌能力。同时采用ABAQUS建立了试验试件的有限元分析模型，有限元分析结果和试验结果进行对比，验证了有限元分析结果的正确性。针对组合框架中的压拱效应进行分析，并结合试验现象提出一种新的“桁架弹簧”压拱模型，推导了竖向位移-荷载相关计算式及竖向位移-水平位移相关计算式，计算式计算结果与试验结果吻合良好。
为改善砖混结构教学楼的抗震性能，通过对其纵向窗间墙局部配筋并在墙体两端采用竖向钢筋进行锚固配筋，按照1/2的缩尺比例设计了2个砖混子结构模型。采用拟静力试验分别对普通窗间墙和配筋窗间墙的子结构模型的破坏模式、承载能力、变形能力、刚度退化、延性、耗能性能以及窗间墙的破坏模式和纵墙的破坏机制等进行了分析。结果表明：普通窗间墙模型表现为层间破坏机制，窗间墙发生剪切破坏，纵墙发生“强梁弱柱”式破坏；窗间墙局部配筋并进行锚固的模型发生整体型破坏，窗间墙弯曲破坏，纵墙的破坏机制具有“强柱弱梁”特征，层间变形均匀，模型的破坏形态、耗能能力和延性等均得到改善。
针对我国尚未制订建筑结构抗爆防护设防标准，制约建筑结构抗爆设计工程应用的现状，研究了适合我国国情的建筑结构抗爆防护分类设防标准。对已发生典型爆炸袭击事件的规模进行了统计分析，确定了建筑结构的抗爆设防烈度；总结爆炸作用下建筑结构破坏特点，确定了建筑结构抗爆防护目标；基于抗爆设防烈度和抗爆防护目标，提出了建筑结构的抗爆防护等级。将建筑结构进行类别划分，确定了不同类别建筑结构的抗爆重要性等级；考虑主要影响因素，确定了建筑结构的爆炸易损性等级；采用风险分析的方法提出了建筑结构的爆炸风险等级。依据抗爆防护等级和爆炸风险等级，建立了建筑结构的抗爆设防标准。基于建筑结构抗爆重要性等级，提出了建筑结构的抗爆设防类别，进而建立了建筑结构的抗爆分类设防标准。
采用落锤冲击试验机进行了4个T形管节点的抗冲击性能试验研究。通过试验获得了冲击能量E、主管长径比（α=L/D）和主管直径D等参数对管节点破坏模态和变形模式的影响规律，分析了管节点在冲击力作用下整体和局部变形特性，以及冲击力、位移、应变时程曲线与冲击力变形关系曲线。试验结果表明：主管长径比一定时，冲击能量的大小影响支管受撞T形管节点的破坏模态；破坏模态主要为主管上表面局部屈曲和主管上表面局部屈曲伴随主管整体弯曲变形两种形式；主管上表面局部屈曲产生的塑性变形区域受冲击力的影响不大，但其屈曲凹陷深度随着冲击能量的增大而增大；局部屈曲耗散了大部分冲击能量。基于能量的塑性铰线理论，提出了等效冲击承载力简化评估方法。
为研究夹层玻璃在爆炸作用下的动力响应特征，对四边简支夹层玻璃面板进行了爆炸作用试验研究。试验按3个爆炸等级进行，研究了夹层玻璃面板在不同爆炸当量下的动力响应特征和破坏形态。试验表明：爆炸作用后冲击波的超压迅速升至峰值，并在数十毫秒内逐渐衰减，夹层玻璃的位移和应力随爆炸等级的增加而增大；在爆炸作用下，玻璃面板开始碎裂时裂纹在中心处呈环状，并由中心向四周均匀扩散，整个裂纹呈放射状展开，随着爆炸等级的增加，最终呈撕裂状破坏，钢化玻璃破碎为颗粒附着在PVB胶层上，没有发生飞溅。同时运用LS-DYNA有限元分析软件对试验模型进行了数值分析，分析所得玻璃面板的中心点最大位移与试验结果差别为38.7%，最大应力与试验结果的差别为20%，所得破坏模式与试验结果相吻合，表明数值模拟方法可靠。
通过对单层球壳结构模型的振动台试验，分析了结构在地震作用下的破坏模式。为使模型呈现不同的倒塌模式，设计了3个缩尺比为1/10的试验模型：模型1与模型3以期发生承载力破坏倒塌模式；模型2设置6个薄弱区，以期发生动力失稳。采用多次加载方案，水平向输入地震波，逐级提高峰值加速度，完成振动台试验。采用基线调整法对原始试验数据进行校正；采用有限元软件ANSYS中的大质量法对试验模型进行考虑双非线性的多点输入时程分析，获得结构动力响应；采用自编程序对模型结构进行有限元塑性分析。结果表明：试验模型的倒塌模式与试验预期结果吻合良好，验证了振动台试验的完备性；有限元分析结果与实测结果吻合较好，验证了数值计算方法的正确性。
通过对4片高轴压比、中高剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙的拟静力试验，研究该类组合剪力墙在低周往复水平荷载作用下的受力性能和破坏模式，分析其延性、刚度、承载力、耗能等性能指标，以及剪跨比、轴压比、距厚比（栓钉间距与钢板厚度之比）等因素对其抗震性能的影响。试验结果表明：中高剪跨比试件的破坏模式为压弯破坏；墙体钢板随距厚比的增加更易发生局部屈曲；试件轴压比越大，压屈越明显、屈曲范围越接近试件底部、屈曲发展越迅速；试件刚度和极限荷载受轴压比、距厚比的影响较小，但变形能力随轴压比的增大而降低；试件剪跨比越大、轴压比越小，滞回性能越稳定；试件耗能随变形增大而迅速增长，抗震性能良好。
基于双钢板-混凝土组合剪力墙构件材料的单轴本构关系，研发了分析组合剪力墙压弯性能的弹塑性数值模型，对构件的弯矩-曲率曲线以及压弯相关关系曲线进行分析，并对压弯承载力进行计算，该模型计算结果与有限元分析结果、试验结果吻合良好。基于该模型对组合剪力墙中部墙体承担弯矩比例进行统计，结果表明，组合剪力墙中部墙体在受弯过程中承担比例较大，设计中不可忽略。对组合剪力墙压弯承载力进行数值计算和参数分析，研究了极限状态下影响压弯承载力关键因素，并基于关键参数提出计算该类组合剪力墙极限状态压弯承载力的简化计算公式，将该简化公式计算结果与数值结果进行对比，并与文献中组合剪力墙试验进行对比验证，计算精度较高，该公式可用于双钢板-组合剪力墙压弯承载力设计。
通过对2个波纹腹板H型钢梁柱铰接节点的静力试验，分析了波纹腹板H型钢梁柱铰接节点的静力承载能力，研究了波纹腹板H型钢梁柱铰接节点各截面的内力分布，并将试验结果与传统H型钢梁柱铰接节点设计公式的计算结果进行了对比，验证了传统H型钢梁柱铰接节点设计公式的可靠性。采用有限元分析软件ABAQUS对节点进行了有限元分析，将有限元分析得到的荷载-位移曲线与试验结果进行对比，验证了有限元分析的合理性。采用ABAQUS对节点进行了参数分析，研究了端板厚度、梁连接板、柱连接板厚度与波纹断点对节点承载力的影响。研究结果表明：现有的H型钢梁柱铰接节点实用设计公式在设计波纹腹板H型钢梁柱铰接节点时安全可靠；常用的端板和连接板构造方式适用于波纹腹板H型钢梁柱铰接节点；腹板与端板焊接处波纹的断点不影响波纹腹板H型钢梁柱铰接节点的力学性能。
通过12组不同参数的开孔波折板连接件试件进行单调加载受剪试验，研究了不同构造参数的连接件试件的破坏形态、荷载-滑移特性、构造参数对受剪承载力的影响，以及贯穿钢筋的应变、开孔波折板的von Mises应力随荷载的变化规律。研究结果表明：开孔波折板连接件的荷载-滑移曲线基本可分为无滑移阶段、弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段；波高和混凝土强度对连接件的承载能力、抗剪刚度、滑移特性等影响显著；开孔波折板焊接边的von Mises应力大于自由边，折板段的von Mises应力大于平板段，开孔周边板的von Mises应力随荷载增加而增加；结构参数相同的试件，贯穿钢筋直径越小，其承担的剪力越大，连接件波高越大，贯穿钢筋承担剪力越小；与开孔板连接件相比，无贯穿钢筋的开孔波折板连接件的受剪承载力提高了300%，设置贯穿钢筋的开孔波折板连接件的受剪承载力提高了约200%。
金属波纹板作为筒仓仓壁多采用螺栓搭接的连接方式。为了解这种连接方式的受力特性，将螺栓数目和波纹板板厚作为变化参数，设计了多组试验试件；通过试件的静力拉伸试验，研究了波纹板螺栓连接受剪破坏现象和力学性能；建立了包含多种接触面的三维有限元分析模型，通过对比试验和有限元分析结果，验证了有限元分析模型的有效性并以此有限元分析模型进行参数分析，研究了板厚和波高对波纹板螺栓连接受力性能的影响。结果表明：波纹板连接件的承载力较相应平板连接件下降较为明显，螺母与板件接触面上的贴合程度是二者差异的主要因素；波纹板的板厚对连接性能影响较大，而波高影响较小，但当波高减小到0 mm时即平钢板螺栓连接，受剪承载力和极限位移均发生较大变化。
采用ANSYS非线性有限元分析方法，分析了压型钢板与钢梁连接螺钉间距、钢材屈服强度、混凝土强度、C型钢梁板厚、钢筋混凝土翼板厚度、压型钢板型号、钢梁间距、楼盖宽度、钢梁跨高比及腹板高厚比等因素对冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖受弯承载力和延性的影响。研究表明：压型钢板与钢梁连接螺钉间距、钢材强度、钢梁板厚、压型钢板型号、钢梁间距、楼盖宽度、钢梁跨高比和腹板高厚比等因素对组合楼盖受弯承载力影响较显著，而混凝土强度则影响较小；钢筋混凝土翼板厚度在50~100 mm范围内时，组合楼盖受弯承载力随混凝土翼板厚度增加呈线性增长，当翼板厚度大于100 mm后，其受弯承载力将不再提高；混凝土强度、钢梁间距及楼盖宽度不影响组合楼盖的延性。组合楼盖可简化为T形截面组合梁模型计算。
为研究高强箍筋约束高强混凝土的受压力学性能，进行了高强箍筋约束高强混凝土棱柱体试件的轴心受压试验，分析了配箍率、箍筋屈服强度和箍筋形式对约束高强混凝土应力-应变曲线的影响。结果表明：高强箍筋在约束混凝达到其峰值应力时并未屈服，根据其受力机理提出了有效侧向应力和相应的高强箍筋应力的计算方法；高强箍筋可在约束混凝土应力-应变曲线下降段提供更有效的侧向约束，曲线下降较为平缓。在试验研究和理论分析的基础上，提出了约束高强混凝土的强度和变形的计算式，建议了高强箍筋约束高强混凝土的应力-应变全曲线方程，理论曲线与实测曲线吻合较好。
选取粉煤灰混凝土龄期为7d、14d、28d、60d、90d、180d和360d，对钢筋与施工期粉煤灰混凝土的黏结性能进行了拉拔试验，分析了黏结性能随龄期的变化规律。结合已有的试验结果进行统计分析，提出了粉煤灰混凝土早期黏结强度的计算式，建立了粉煤灰混凝土早期的黏结滑移本构关系。研究结果表明：随着混凝土龄期的增长，自由端开始滑移时的荷载也随之增大，加载端、自由端滑移均减小，加载端钢筋应变增大，钢筋应变沿黏结长度的分布曲线变陡，黏结应力峰值增大；与已有研究结果相比，黏结强度计算式误差为10%~25%，黏结滑移本构关系计算式在滑移1.0 mm以内接近，而滑移超过1.0 mm则误差较大。
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