ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
将正常使用极限状态和承载能力极限状态有效宽度公式与传统纤维模型相结合，通过修正楼板钢筋和混凝土材料的单轴本构关系，实现了一种改进的考虑楼板空间组合效应的纤维模型，利用该模型可以在组合框架体系非线性分析中采用高效的全杆系单元合理地考虑复杂楼板空间组合效应的影响。基于考虑楼板空间组合效应的纤维模型，开发了一套较为完整的组合结构非线性有限元分析程序COMPONA-MARC (Version 1.0)。最后，将开发程序应用于多个组合框架抗震试验的模拟，结果表明了本文模型可较为准确地模拟组合框架弹塑性全过程的楼板空间组合效应。
基于性能的设计方法很难将结构整体与局部关键构件的性能用一种结构分析软件全面把握，联合使用目前成熟的动力弹塑性分析软件PERFORM-3D和ABAQUS，可以利用各自特点对结构的抗震性能进行全面评价。以某超限高层结构为例，首先建立该结构在大震作用下所需达到的抗震性能目标，在PERFORM-3D软件中对整体结构在不同水准下的性能目标直接进行定义，使用ABAQUS软件对关键构件的钢骨、钢筋等局部应力状态进行分析。通过对结构构件性能水准的整体判定和关键构件的局部分析，全面评价了该超限高层结构的抗震性能，从而确定其是否达到预期的抗震性能目标。结果表明，两种软件的联合应用既可以反映结构的整体抗震承载力及抗侧刚度，又能够很好地把握结构关键构件的局部应力状态，可以更为全面且可靠地反映结构的抗震性能。
将自复位墙简化成刚体，研究了往复荷载作用下自复位墙的滞回性能。通过理论推导，得出往复荷载作用下自复位墙的水平力转角滞回曲线，给出了各特征点水平力和转角及等效黏滞阻尼系数的表达式，推导了自复位墙保证自复位性能应满足的条件，并提出了自复位墙简化滞回模型。在此基础上，通过参数分析进一步研究了预应力筋及阻尼器设计参数对自复位墙滞回性能的影响。结果表明：自复位墙的转动临界荷载与墙体自重及预应力筋的初始力有关；墙体完全卸载时是否有残余变形与墙体自重、预应力筋初始力及阻尼器屈服力有关；阻尼器屈服力对自复位墙滞回性能影响最大，预应力筋初始力及弹性刚度影响相对较小，阻尼器弹性刚度及布置位置影响最小。
应用自主开发的基于无线传感网络的结构温度与应力实测系统，对国家体育场钢结构各部位的温度与应力进行长期实测。以全年实测数据为依据，分析结构温度分布规律，并根据结构温度场的非均匀性，将温度作用分为均匀温度场作用与非均匀温度场作用，分别详细研究均匀温度场作用与非均匀温度场作用对结构应力变化的影响。研究结果表明：结构不同部位之间存在明显的温差，且构件的温度与周围的气温并不一致；均匀温度场作用下结构产生显著的应力变化，且构件应力与温度的线性相关性较好；在结构的某些部位，非均匀温度场作用所引起的应力变化超过均匀温度场作用所引起的应力变化。
西安东航维修基地新机库钢屋盖采用正交斜放焊接球空间网架体系。对该钢屋盖结构的同步提升过程进行施工力学模拟。通过不同步提升分析，提出了“单、隔点组合不同步分析法”，并给出减轻提升不同步性的措施。研究表明：提升过程中将稳定计算中强度设计值乘以折减系数0.95是合理的；结构在同步提升状态下受力和变形均满足规范要求，整个提升过程安全可靠；某个提升点施加位移差只会影响该点附近构件的内力，并对相邻较短构件和较近间距的相邻提升点提升力产生较大影响；对相邻提升点同时施加位移差的情况不需要单独考虑，但隔点同时施加位移差的情况不能忽略；“单、隔点组合不同步分析法”包络了所有不同步提升中的不利情况，计算过程简便，可以在大跨度钢屋盖结构的提升不同步性计算中广泛应用；结构在脱离支撑时先提升提升力较小的吊点，在就位时先落提升力较大的吊点，可以减轻提升不同步性。
大连市体育馆的屋盖结构为大跨度巨型网格弦支穹顶结构。为保证该屋盖结构在施工及使用期间的安全，引入了结构健康监测系统对屋盖结构进行监测。详细介绍了大连市体育馆索撑体系和网壳杆件的应力以及整体结构动态性能的永久监测方案，同时，对体育馆健康监测系统的硬件和功能进行了详细说明。本项目结构健康监测系统实现了多物理量的连续同步采集、自动储存数据、自动生成报表、自动报警和多方式显示等功能。借助该健康监测系统，获得了大量有关体育馆结构状态的数据。通过对这些数据进行分析，可以对体育馆的安全性能进行评价，判断结构是否存在损伤以及损伤发生的位置和损伤程度，为体育馆屋盖的安全服役提供了可靠的保障。
针对不良拓扑布置导致的结构鲁棒性不佳问题，以系统传递函数的H2范数为基础，建立结构鲁棒性定量评价指标和鲁棒构型求解方法。以单元相对密度为设计变量，采用变密度模型描述材料的刚度，将结构的鲁棒设计转化为连续体拓扑优化，并对大爆炸算法进行二级搜索的改进，进而求解连续体拓扑优化模型。以四点支承的弦支双曲扁网壳结构为例，分析不同荷载作用下的鲁棒构型，探索不同参数的大爆炸算法优化效果，通过静力试验和冲击试验，对优化后模型和未优化模型进行对比分析。结果表明，二级搜索的大爆炸算法可以有效地应用于弦支结构的鲁棒设计中，改进的大爆炸算法加快了收敛速度，依据鲁棒构型进行杆件布置，可显著提高结构的力学性能和抗干扰能力。
利用压缩弹簧代替充气形成无需充气设备的ETFE薄膜结构，采用数值分析与模型试验方法对双弹簧支撑ETFE枕式膜结构的可行性及结构性能进行研究。数值分析结果表明：膜面形状由膜面初始应力和弹簧弹力之比决定；弹簧刚度对膜面应力影响较小，增大弹簧刚度可减小膜面位移但使荷载作用下弹簧弹力的变化增大；膜面矢跨比对膜面应力影响不大，但减小矢跨比使膜面变形增大。模型试验结果表明：膜面成形可通过调整弹簧弹力完成，方法简便可靠，膜面成形精度较高；加载试验中弹簧支撑系统工作可靠，可以较好地追随并张紧膜面；支撑点处膜面应力集中不明显，试验结果与数值分析结果吻合较好。
在均匀流场中进行开敞式单向张拉膜结构气弹模型风洞试验，研究膜结构的流固耦合机理。研究表明：膜的气弹失稳主要由涡激共振引起，膜结构在风荷载作用下变形到平衡位置并围绕该平衡位置进行振动，特定风速下，流体流经平衡位置会产生旋涡。低风速下，膜以一阶模态为主振动，流场中没有任何旋涡；超过一定风速后，振动中出现了某高阶模态的响应，流场中也出现了与该阶模态主频接近的旋涡；随着风速的增大，旋涡的主频与该阶模态频率的差别越来越小进而变化到相等，后又变化到差别越来越大，导致该阶模态的共振响应越来越弱直至消失；随着风速的继续增大，旋涡的频率会与膜的其他阶模态基频接近，导致结构发生其他阶模态的涡激共振。这种涡激共振是一种周期性振荡式失稳，结构的无量纲第一临界风速约为0.84，第二临界风速约为2.27。
将向心关节轴承引入弦支穹顶结构的索杆体系，作为撑杆上节点的刚性转动核心，形成了向心关节轴承撑杆上节点。对该节点进行轴向加载试验，得到其承载力以及全过程应力发展情况。试验结果表明，即使在节点耳板屈服后，刚性转动核心转动性能仍然良好，能够保证该节点在轴压作用下仍然具有较好的转动能力。采用ANSYS软件对该节点试验进行了考虑接触的非线性有限元分析，得到各部件应力状态，补充节点试验数据。试验和数值分析结果表明，该类型节点力学性能良好。最后根据分析结果提出了铰节点刚性转动核心的概念，并给出了该类型撑杆上节点承载力及转动能力的建议设计计算式。
为考察长江航道科研试验新基地6#模型实验大厅张弦桁架铸钢支承节点的受力性能，对该铸钢节点进行了足尺试验研究和有限元分析。采用专门设计的加载反力架，试验测得了铸钢节点应力分布状况。采用ABAQUS软件进行线性有限元分析，得到了节点模型在1.3倍设计荷载下的应力和变形。考虑材料塑性发展，进行非线性有限元分析，得到节点极限荷载和失效破坏形式。试验与有限元分析结果表明：1.3倍设计荷载下，该节点处于线弹性受力状态；超过极限荷载之后，节点应力极值位置会发生变化，节点失效将从拉索锚固端局部塑性发展开始。
应用细观损伤力学模型预测分析单调荷载作用下梁柱焊接节点的裂纹萌生与扩展。分别依据节点部位的母材、热影响区和焊缝金属缺口试样的单轴拉伸试验，标定材料细观损伤力学模型的参数；通过有限元分析模拟，预测焊接节点的开裂位置以及断裂破坏的过程，与已有试验结果以及基于微孔扩展模型和应力修正临界应变模型的有限元分析结果相比，建议的细观损伤力学模型的有限元分析结果具有更好的预测精度；针对不同焊接孔几何形状对节点断裂性能的影响进行有限元分析，结果表明，孔的几何形状对节点的断裂破坏模式的影响显著，长圆孔比圆孔具有更好的节点延性，开裂延缓，但是两种孔形的节点承载力差别很小。
通过7个1∶2比例外伸式端板连接蜂窝钢梁-混凝土柱组合节点的低周反复加载试验，研究不同螺栓数目、直径及排列方式的外伸式端板连接蜂窝钢梁-混凝土柱组合节点在各受力阶段的抗震性能和合理的节点构造形式。基于试验数据，分析了节点在反复荷载作用下的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性和耗能性能等。试验结果表明：试件的破坏形态和变形与螺栓数目、直径及排列方式有关，外伸端板螺栓连接中螺栓数目多、直径大的节点连接形式的承载力高，抗震性能较好；8个端板螺栓4行2列的排列形式为最合理的抗震节点形式；外伸端板螺栓数量为8个时的延性和耗能性能都能满足抗震的要求。
对卷边尺寸不同的两类腹板中间设置加劲卷边槽形截面，共18个冷弯薄壁型钢固支轴压试件进行畸变屈曲与局部屈曲相关作用的静力试验研究。得到试件的屈曲模式、相关屈曲行为、破坏模式以及极限荷载。试验结果表明：畸变屈曲与局部屈曲的耦合相关对试件的变形和极限荷载有不利作用；畸变屈曲与局部屈曲的耦合相关作用存有较大的屈曲后承载力；畸变屈曲与局部屈曲的耦合相关顺序，即畸变屈曲局部屈曲耦合相关、局部屈曲畸变屈曲耦合相关，对试件的变形、非线性平衡路径、破坏模式以及极限荷载的影响有所不同。采用ABAQUS有限元软件对试件进行模拟分析，计算结果与试验结果吻合良好。
为了研究初应力对钢管混凝土格构柱受力性能的影响，进行了有初应力的钢管混凝土格构柱的轴压试验研究，对初应力的施加方式、荷载位移全过程曲线、柱肢套箍效应等进行分析。研究结果表明：初应力的存在会使钢管混凝土格构柱弹塑性阶段提前出现，试件的组合刚度下降、局部屈曲明显；同时，初应力影响组合材料的泊松比发展历程，使得套箍作用出现推迟，从而影响套箍作用的充分发挥，并最终降低试件的承载力。初应力对缀管受力性能的影响不大，缀管的受力处于弹性工作阶段。
为给我国《不锈钢结构技术规范》中轴心受压柱弯曲屈曲稳定部分的编制提供依据，对国外已有的同类构件的设计方法和试验研究数据进行搜集和对比。结果表明：目前的欧洲不锈钢结构设计规范和美国冷成型不锈钢结构设计规范中计算该类构件的公式均存在一定不足。依据搜集到的199个方管、矩形管、圆管、椭圆管、焊接H形钢和冷弯C型钢截面柱的试验数据，根据冷弯效应及残余应力对轴心受压构件稳定性能的影响，将构件依据截面形式分为A、B、C三类，其中方管、矩形管和冷弯C型钢为A类，圆管和椭圆管为B类，焊接H形钢为C类，三类轴心受压稳定曲线均采用Perry公式形式表达。与试验数据对比表明：采用三类曲线能较好地估算构件的稳定承载力且离散性较小。对提出的计算式进行可靠度分析，结果表明其可靠度指标β满足我国GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》的要求。
提出配置扩大十字型钢和45°布置十字型钢两种截面形式的新型型钢混凝土柱，通过4个新型与1个普通型钢混凝土柱的低周反复荷载试验，研究新型截面型钢混凝土柱在较高轴压比下的破坏特征、滞回和骨架特性，并分析配钢形式和轴压比对柱抗震性能的影响。试验结果表明：新型截面型钢混凝土柱在压、弯、剪共同作用下均发生了弯曲破坏，在加载后期，即使纵筋外鼓屈服以及型钢翼缘局部屈曲，柱的竖向承载力仍较为稳定；新型截面型钢混凝土柱试件滞回曲线饱满，无捏缩现象，等效黏滞阻尼系数均达到0.45以上，并且截面配钢率相差不大的情况下，其变形和耗能能力明显大于普通型钢混凝土柱；新型截面型钢混凝土柱在高轴力下的承载能力和变形性能良好，其轴压比限值可比规范规定有所提高。
基于柔度法的纤维模型能更高效地计算钢筋混凝土柱的材料强非线性受力特征，但不考虑纵筋屈曲、疲劳损伤的钢筋本构模型仍将明显降低其受力后期的数值模拟精度。以8根钢筋混凝土柱抗震性能试验结果为基础，在OpenSees平台上采用可以考虑纵筋屈曲、疲劳损伤的钢筋本构模型以及柔度法纤维模型，对柱的滞回性能进行分析。分析结果表明，与小轴压比柱相比，纵筋屈曲对高轴压比柱峰值荷载之后的水平承载力退化影响更明显；对纵筋长径比小于3.0的柱，纵筋屈曲对非线性分析结果的影响可基本忽略；纵筋长径比为5.00~8.75且柱轴压比较小时，纵筋屈曲对分析结果有一定影响，但考虑疲劳损伤的计算结果能更好模拟柱软化段的水平承载力退化特征；柱轴压比较大且纵筋长径比为6.25~7.00时，考虑纵筋屈曲、疲劳损伤均会明显减小承载力退化的计算误差。同时考虑纵筋屈曲及疲劳损伤的分析结果能更好地反映柱的承载力退化特征。
采用钢筋网片约束局压区核心混凝土可改善其延性，提高局压承载力。以局压面积比Ab/Al、约束面积比Acor/ Al以及钢筋网片体积配筋率ρv为主要参数，进行钢筋网片约束预留孔道活性粉末混凝土轴心局压试验，研究局压破坏形态、裂缝发展模式、局压楔形体特征、局部荷载与局压变形关系以及局压承载力。试验结果表明：当Acor/Al不小于1时，局压区网片钢筋能达到屈服，钢筋网片对核心活性粉末混凝土的约束作用显著；试件的初裂荷载较小，开裂后至破坏前表面裂缝发展缓慢，破坏时承压面附近混凝土局部剥落，但试件相对完整；局压破坏可划分为压密、楔形体形成、楔形体滑移、破坏4个阶段。分析Acor/Al、Ab/Al、 ρv对局压承载力提高系数的影响，结合未配筋局压试验结果，提出钢筋网片约束活性粉末混凝土局压承载力实用计算式，计算值与实测值吻合较好。
为提高混凝土结构的服役性能，对混凝土保护层的锈胀开裂过程进行研究。对荷载作用下锈蚀18个月的内掺氯盐钢筋混凝土梁的截面锈胀裂缝分析发现：环向裂缝宽度沿径向呈指数函数变化；锈胀裂缝的开裂模式、锈蚀产物与钢筋混凝土受力状态、骨料及裂缝的相对位置均密切相关；保护层破坏以层状破坏为主。通过研究提出，在对锈蚀钢筋混凝土梁进行承载力分析时，建议剪压区不考虑受压混凝土保护层的作用，对剪拉区和弯拉区钢筋与混凝土之间的黏结性能要进行折减。
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