ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
结合武汉中心超高层结构设计，对伸臂桁架-核心筒剪力墙节点进行拟静力试验。节点按构造分为钢板外包式和钢板内嵌式两种，通过对两类试件进行低周往复试验，对节点的承载力、刚度、延性和耗能能力进行分析，结果表明，试验采用的两种不同构造形式的伸臂桁架-核心筒剪力墙节点均具有良好的承载能力、延性和耗能能力，抗震性能优越。同时，对两种节点构造从施工工艺、破坏模式及混凝土裂缝开展情况等方面进行对比，结果表明，外包钢板构造优于内嵌钢板构造，其施工更为便捷，稳定承载力更高，混凝土剪力墙裂缝较少。本文研究成果为武汉中心超高层建筑结构加强层设计提供重要依据，可为伸臂桁架-核心筒剪力墙节点在超高层建筑结构中的应用提供参考。
基于超高层建筑通常采用的巨柱框架-伸臂桁架-核心筒结构体系中伸臂桁架与核心筒剪力墙连接节点的重要性，针对伸臂桁架斜腹杆在节点处直接与墙两侧外包钢板相连的外包钢板节点形式提出全杆系简化模型和设计方法。利用有限元分析软件MSC.MARC(2010)建立该节点的数值模型，并分析确定模型的边界范围。提出考虑混凝土开裂的全杆系简化模型，并通过数值模型进行验证。分析剪力墙开洞对节点受力性能的影响并给出节点的设计方法。研究结果表明：外包钢板节点在承受拉力作用时较为不利，是该类节点的控制工况；数值模型能够较准确地模拟外包钢板的应力发展规律；全杆系简化模型简便易行且具有较高精度，在荷载水平较大时能够较准确地估计整个节点的刚度及内力分配，在荷载水平较低时可给出偏于安全的结果；连梁分担轴力比例主要由洞口高度决定，近似呈线性关系。本文研究可为该类伸臂桁架-核心筒剪力墙节点在工程中的应用提供参考。
分别采用可以为墙体提供不同上下边界约束条件的加载框架，对2个单层单跨屈曲约束开竖缝钢板剪力墙试件进行拟静力试验，研究不同墙体布置情况下由于梁转动导致的对墙体破坏模式、初始刚度、耗能能力和累积塑性变形能力等的影响。试验结果表明：梁转动不但会加速墙体发生屈曲破坏，而且还会削弱其初始刚度、耗能能力以及累积塑性变形能力，其中，梁转动对初始刚度的削弱程度与梁转动影响系数成正比，且若要保证发挥至少85%的初始刚度，则必须限制梁转动，使得梁转动影响系数（定义梁转动影响系数为墙体屈服时刻梁转角和屈服层间位移角的比值）不超过0.18。此外，两侧约束部件对钢板面外约束不足也会限制其耗能能力的发挥。
利用有限元软件ABAQUS，研究梁转动对屈曲约束开缝钢板剪力墙受力性能的影响，并以钢板与两侧约束部件的间隙Δc为参数，针对开缝墙面外约束条件进行分析。结果表明：在其它条件不变的情况下，开缝墙初始刚度以及耗能能力均与梁转动刚度成正比，与梁转动影响系数λ（λ为开缝墙屈服时刻梁转角与屈服层间位移角的比值）成反比，当λ<0.18时，初始刚度可达到理想条件下的85%，而当λ>2.00时，能量耗散系数至少下降25%；开缝墙滞回曲线饱满程度以及屈服荷载均与面外约束缺陷因子η成反比，η为Δc与两侧约束部件（钢筋混凝土板）所需最小厚度tc,min的比值，当η<0.22时，开缝墙能够先于屈曲达到屈服，滞回曲线饱满，屈服荷载没有降低，而当η≥1.30时，开缝墙则较早发生面外屈曲，导致滞回曲线捏拢严重，屈服荷载下降25%。根据上述分析结果，由试验结果算得λ及η（分别取λ=0.40，η=0.30和λ=1.00，η=0.23），得到的有限元曲线与试验曲线吻合较好。
借鉴方钢管混凝土柱-钢梁外肋环板节点形式，将非梁柱连接面的柱两侧外肋环板改为竖贴于柱侧的竖向肋板并伸出与梁翼缘焊接，同时设置锚固腹板，形成复式钢管混凝土柱与H形钢梁连接节点。通过7个梁柱组合体试件的低周反复荷载试验，分析各试件的破坏过程及特征，并对试件的滞回性能、承载力、延性、耗能能力和承载力及刚度退化等抗震性能进行研究。研究结果表明：节点的破坏形态基本相同，梁端先屈曲，形成塑性铰；锚固腹板可有效提高节点的承载力和变形能力；竖向肋板外伸长度可提高试件的初始刚度，使梁端塑性铰外移，有效保护节点核心区；试件的滞回曲线呈明显的梭形，具有良好的承载力、延性及耗能能力；试件在整个加载过程中刚度退化现象明显，承载力退化很小，可应用于抗震设防地区。
剪力作用下钢筋混凝土发生软化，严重影响剪力墙的受剪能力，为考虑复杂受力条件下钢筋混凝土剪力墙的力学行为，在软化膜模型和滞回软化膜模型的基础上，结合一阶剪切变形理论建立了能够进行三维受力分析的“软化壳模型”，并在有限元分析平台OpenSEES中编制模型程序。与已有试验结果对比表明：在纯剪、纯扭作用下的程序分析结果与试验数据吻合良好，验证了模型的合理性。此外，通过对2011年新西兰地震时发生破坏的一片钢筋混凝土剪力墙进行分析，结果显示，该模型能够预测钢筋混凝土剪力墙在弯矩剪力共同作用下刚度和承载力退化的现象。
结构遭受地震作用时，其内部损伤的累积会导致该结构频响函数曲线的变化，这可为评估结构损伤程度提供依据。利用ABAQUS有限元软件，对1榀2层单跨平面再生混凝土框架拟动力试验进行有限元分析，计算结果与试验值吻合良好。通过对再生混凝土框架频响函数曲线的分析可知，结构1阶和2阶自振频率分别在2.5Hz和6.0Hz附近变化，随着地震峰值加速度的不断增大，结构自振频率不断降低，反映损伤累积导致结构刚度的不断退化。基于结构的频响函数，提出可用于评判框架结构在地震作用下损伤程度的指标。分析结果表明：该损伤评估方法能有效评判再生混凝土框架在不同强度地震作用下的损伤程度。
GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》并未给出多层石膏墙体钢网格式框架结构的结构影响系数，因此其抗震设计荷载取值还不明确。基于此，依据GB 50011—2010规范设计了6个典型的多层钢网格式框架结构模型，通过推覆分析得出结构的能力谱曲线，基于改进能力谱法得出罕遇地震和抗震设防烈度地震作用下的需求谱曲线。将结构的能力谱曲线和延性需求谱曲线族置于统一坐标系中，确定结构的目标位移以及性能关键点坐标。进一步考虑层数及标准层布置对结构延性和超强系数的影响，评估结构的抗震性能并给出结构影响系数取值。研究表明：多层钢网格式框架结构在抗震设防烈度地震和罕遇地震作用下的变形均满足抗震规范要求；其结构影响系数取3.0，位移放大系数取4.0；该结构可采用现行抗震规范进行设计,但设计结果偏于保守。
以受剪钢筋配筋率、界面特性、加载方式及加载偏心为试验参数，对12个钢筋混凝土推剪试件进行试验研究。分析试件的破坏形态、滞回特性、承载力与刚度退化特性，研究各试验参数对界面受剪承载力的影响。结果表明：循环反复加载试件发生典型的剪切破坏；在文中试验参数下，影响界面受剪承载力的主要因素依次为界面特性、受剪钢筋配筋率、加载方式及加载偏心；循环反复荷载将引起界面受剪承载力降低，对整浇界面受剪承载力降低影响较小，而对新旧混凝土界面受剪承载力降低影响较大。根据试验结果并结合相关试验数据，对钢筋混凝土界面受剪承载力计算方法提出建议。通过与试验值及已有公式计算结果比较可知，建议计算式的计算结果与试验结果吻合较好。
基于北京延庆县某一近地风剖面观测点，观测获得了近地面冬季季风剖面实测数据，研究了近地风剖面的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、相干函数、湍流积分尺度和功率谱密度等风场特性参数，并与现行欧洲、美国、日本等相关国家规范进行了对比分析。研究结果表明：实测风速沿高度的变化规律除3.5m高度外，12.5m高度范围内实测结果与各国规范值基本符合；随着高度的增加，湍流度和阵风因子呈逐渐减小的趋势；实测湍流度结果与欧洲、美国、日本等相关规范湍流度取值较为接近，而与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》差异较大；10m高度范围内顺风向、横风向湍流积分尺度随着高度增加而增大，随着平均风速增大而增大，实测湍流积分尺度结果与国外规范值存在一定差异；随着测点间距增大，竖向相关性的衰减系数明显增大，且实测衰减系数结果与Davenport建议的衰减系数有明显差异；10m高度范围内各高度处的实测功率谱密度曲线基本一致，与已有经验谱有一定差异，但与Devenport谱接近。
以大尺度平屋盖为研究对象，针对其风压分布变化梯度较大的问题和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》关于大尺度平屋盖风压分区规定的不完善，围绕大尺度平屋盖风压分区问题，在得到各种风向下风压测点最不利极值风压的基础上，利用最短距离聚类法对风压测点分区，得到不同分区类数下的分区方案，用基于质量系数的聚类有效性评价法确定最佳聚类数及最佳分区方案，并采用面积权重法给出大尺度平屋盖分区风压系数。研究结果表明：大尺度平屋盖聚类最优风压分区类数为3；大尺度平屋盖角部大致在10%屋盖跨度范围内，属于风敏感部位，设计、施工时需特别注意；整个屋面平均风压系数会导致大尺度平屋盖中部偏于保守设计，角部低估了风荷载；在进行大尺度平屋盖抗风设计时，应先确定极值风压分区，并针对不同部位分别进行设计和施工。通过与规范平屋盖分区方式、常用分区方式确定的分区风压系数对比显示，聚类最优风压分区较其他方式确定的分压风压系数结果更为合理。
以宽高比为1∶6的方形截面高层建筑为研究对象，采用弱耦合分区交错算法，流体域采用大涡模拟方法，进行了紊流边界层风场内三维高层建筑结构多自由度模型的气弹数值模拟，计算中考虑了来流紊流，以及结构的顺、横风向响应。将结构静止时大涡模拟结果与刚性模型测压风洞试验进行比较，验证了该方法在准确预测结构风荷载方面的可行性。通过与气弹模型风洞试验结果的比较表明，本文数值分析方法可用于求解风与结构的相互作用，且具有较高的精度。进行了高折减风速下的气弹数值模拟，研究了结构顶部顺、横风向位移响应随折减风速的变化规律。结果表明：结构风振气弹响应主要为来流紊流引起的顺风向抖振和旋涡脱落引起的横风向涡激振动；折减风速较小时，结构顺、横风向位移振幅相当，且位移响应均相对较小；随着折减风速的增加，结构位移响应增大，横风向涡激振动逐渐占据主导地位，并经历了从“拍”到“涡激共振”的转化。
采用风洞试验和数值模拟相结合，对上海陆家嘴区域高度简化的建筑群风环境进行研究，重点对数值模拟方法的可靠性进行验证，同时还对风场类型对建筑群风环境的影响进行初步分析。结果表明：由于使用修正的壁面函数，来流边界条件得到较好的模拟，进一步提高了数值模拟方法的可靠性；地面附近D类风场的风速比大于B类风场的风速比。沿来流方向，建筑物迎风面的两侧以及两建筑物之间出现高风速比区域，而在建筑物上游和下游出现低风速比区域，这分别是由于分离流、沟道效应、驻点效应和遮挡作用引起的。
为研究龙卷风作用下双坡屋面的风压分布，根据龙卷风的风场特点，设计了用于建筑风工程的多变量可调节龙卷风塔，并进行双坡屋面刚性模型的风塔测压试验。龙卷风塔可调节塔体高度、导流板的方向角、导流板的高度，可以模拟类似龙卷风的涡旋风场。对龙卷风塔的气动测试表明：风场的风速分布、风压分布及总气压降和兰金涡流模型理论结果吻合良好，龙卷风塔的设计是可行的，可用于龙卷风荷载的相关研究。采用刚性模型的风塔测压试验，研究双坡屋面的风压分布，为了使研究成果具有代表性，针对3种典型的屋面坡角（15°，30°和60°）制作刚性屋面模型。试验结果表明：建筑物位于龙卷风中心（r=0.0Rm，r为建筑物距风场中心距离，Rm为最大旋转风速半径）时，屋面风荷载为吸力，且呈中心对称分布；建筑物位于r=1.0Rm时，屋面的吸力更大，且迎风面和背风面呈现出明显的区别；建筑物位于r=3.0Rm时，屋面的吸力均远小于前两种工况。
树状结构是一种具有形态统一特征的新型空间结构形式，特别适用于展览馆、航站楼等大型公共建筑中。以黑龙江省新博物馆自然展区树状结构为例，详细介绍该结构的形态创建过程，通过对单柱方案和六柱方案的比较分析，获得了具有良好建筑效果且受力合理的空间结构形式；对该树状结构进行非线性全过程分析，考察结构的失稳模式，指出对于这种复杂空间刚架体系，整体稳定性分析应同时考虑几何非线性和材料非线性；探讨构件计算长度系数的确定方法，指出树状结构的杆件计算长度系数无法参照规范规定，而应通过对整体模型中的杆件失稳模态分析确定；最后，采用基于整体模型的屈曲分析方法给出各级分枝的计算长度系数取值建议。
Bennett单元及Bricard单元等典型闭合环形机构具有可动自由度，可在无应变状态下产生连续、较为显著的几何构型变换，已广泛应用于可展结构工程中。基于此，建立了由闭合环形的刚性折杆组成，可进行旋转、镜像等对称操作，且在运动过程中始终保持一定对称性的过约束机构。任一折杆的两端通过扭转副单元分别连接至其它2根折杆，且扭转副单元的可转动方向与杆轴线重合。在刚性折杆单元平衡矩阵的基础上，建立结构的整体力平衡矩阵，从矩阵的左零空间、零空间分别求得结构的机构位移模态及自应力模态。引入群论方法预测机构位移模态的对称性，并对结构的可动性进行分析。为了验证该类对称体系的可动性，采用基于牛顿迭代技术的非线性预测修正算法，对结构进行完整路径的运动模拟。针对2个不同对称性的六杆过约束机构算例进行对称分析及运动模拟，结果表明：算例所述的2个对称过约束体系均为单自由度可动结构，可作为可展结构推广应用。
对25个胶合木植筋（带肋钢筋）试件进行对拉试验，研究植筋长细比(λ=la/d)及胶层厚度对胶合木植筋的连接承载力及界面黏结性能的影响，并对试件的破坏形态和破坏机理进行分析。为获得胶层界面黏结应力的分布，设计钢筋内贴片试件进行试验。结果表明，试件的破坏形态主要有钢筋拔出、木材环向剪切、木材劈裂、钢筋屈服；植筋连接的拉拔承载力随锚固长度及胶层厚度的增加而增大，当植筋长细比λ达到12.5时，试件发生钢筋屈服破坏，属延性破坏模式；锚固长度与胶层厚度对植筋木材的黏结性能影响显著，不同锚固长度和胶层厚度的试件，其胶层界面黏结应力分布符合Volkersen(1938)理论，总体上沿锚固长度方向呈两端附近大而中部小趋势；在胶层厚度2~6mm范围内，随着胶层厚度的增加，钢筋-胶层界面与木材-胶层界面平均黏结应力呈不同的变化规律，前者随胶层厚度的增加而增大，而后者随胶层厚度的增加而减小，且胶层厚度的适当增加有利于加载端部的黏结应力峰值的降低。
为了推广胶合竹材在轻型木结构等建筑结构中的运用，根据美国ASTM E2126-09墙体试验标准，进行了8片采用10 mm厚国产竹胶合板作为覆面板，分别采用51 mm长的圆射钉和51 mm长的钢排钉制作的2种轻型木结构框架剪力墙的单调加载及滞回加载试验，研究该类竹胶合板轻型木框架剪力墙的加工方法和抗震性能。试验结果表明，在采用两种相同长度但不同延性的国产射钉的情况下，该类型剪力墙单位长度承载力为5.2 kN/m和6.2 kN/m，在水平位移100 mm以前能够保持85%峰值荷载而稳定承载。墙体具有良好的承载力及延性，其力学性能可以满足目前国内外规范针对轻型木结构墙体提出的抗侧力设计要求。
结合现场调查，对应县木塔进行结构体系分析、精细化建模、动力特性和水平受力性能分析。分析表明，应县木塔为“层叠平台式梁柱结构”体系。使用梁-短柱单元组模拟斗栱，刚度等效单元模拟梁柱及柱脚节点，建立了木塔的理想和现状精细化模型进行分析。结果表明，土磬墙对第1明层有嵌固作用，故木塔第1层侧移呈弯曲型而其它各层主要呈剪切型；明层铺作、暗层柱架、暗层铺作和明层柱架的抗侧移刚度依次减少，现状模型抗侧移刚度比理想模型平均低33%；多遇地震作用下，木塔部分明层柱架侧移角超过了弹性层间位移角限值；基于木塔柱脚连接特点，提出使用“重力抗倾覆力矩与倾覆力矩之比”作为木塔倾覆评判准则，多遇地震作用下木塔无倾覆危险，但在罕遇地震作用下则可能倾覆。
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