ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
在高层建筑抗风设计中，正确地评估邻近建筑对风荷载的影响具有重要的理论和实用价值。从干扰机理、基底荷载干扰以及风压干扰3个方面总结与评述了国内外风致干扰效应的研究进展，列举了各国风荷载规范对干扰效应的条文规定；结合作者所在研究团队近十多年来进行的群体高层建筑的研究成果，对GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的风致干扰条文进行了补充说明，重点介绍了群体建筑气动干扰的量化方法，并强调了干扰效应的适用条件为折算风速不大于7；根据前期研究存在的问题和实际工程需求，建议进一步开展对群体建筑干扰机理、结构顶部峰值加速度、扭转干扰响应以及不同方向荷载相关性等方面的系统性研究。
在均匀流场中进行了封闭式单向张拉膜结构气弹模型风洞试验，考察了膜预张力和来流风速对结构振幅、振动模态和总阻尼比的影响，以及膜面位移与膜上方流场的频谱相关性，分析了封闭式膜结构的气弹失稳机理，给出了气弹失稳无量纲临界风速。研究结果表明：低风速下(无量纲风速小于1.2时),流场中的旋涡主频远低于结构基频，结构以受迫振动为主；随着风速增大，流场中出现与结构2阶反对称模态频率接近的旋涡，导致结构发生以2阶模态大幅振动为特征的涡激共振，且在无量纲风速不小于1.2 的风速范围内出现振动锁定现象，结构总阻尼比迅速衰减接近0。由此可认为，封闭式膜结构的气弹失稳由涡激共振引起，结构振幅的突然增大、主导振动模态的突然改变以及总阻尼比的突然减小为其主要特征；气弹失稳无量纲临界风速约为1.2。
采用Hermite矩模型可将非高斯时程表示为高斯时程的非线性函数，建立了非高斯时程和高斯时程之间的一一对应关系，也建立了非高斯峰值因子和高斯峰值因子之间的一一对应关系，为非高斯峰值因子、极值的计算奠定了理论基础。介绍了软化时程、硬化时程和偏斜时程的Hermite矩模型变换理论，明确了高阶矩模型的单调变换范围；在此基础上，研究了软化时程非高斯峰值因子简化计算式的理论误差。结果表明由简化计算式得到的非高斯峰值因子略大，其误差均小于20%。利用非高斯峰值因子的简化计算式，计算了平屋盖表面典型测压点的非高斯峰值因子和风压极值。分析结果表明：绝大多数测压时程样本属于软化时程，极少数样本属于硬化时程或偏斜时程；利用非高斯峰值因子的简化计算式，需要考虑测压时程的随机特性，取多个时程样本峰值因子的平均值作为非高斯峰值因子的代表值。
对两类典型的大跨度屋盖结构形式（球面屋盖和柱面屋盖）分别进行了超过1 000次的重复采样风洞试验，基于所获得的大量极值风压样本，运用广义极值理论和极大似然估计方法系统分析了极值风压的概率分布特征。研究表明：广义极值分布是描述极值风压概率分布的理想模型，多数区域极值风压符合极值Ⅲ型分布，少数尾流区测点极值风压符合极值Ⅰ型和Ⅱ型分布，且极值Ⅱ型分布区域对应的极值风压离散性更强。利用概率分析方法对传统的极值风压估算方法，即峰值因子法的保证率进行了检验，结果表明：峰值因子法无法给出具有一致保证率的极值风压分布，且低估了极值Ⅱ型分布区的最不利负压，误差率在20%~30%之间；应用概率分析方法可以获得具有确定保证率的极值风压，进而从概率意义上对局部极值风压的取值进行合理评估。
国内已有部分超高层建筑结构采用钢骨混凝土连梁联肢剪力墙，但现行规范尚未对其钢骨含钢率等控制参数给予明确规定。为此，对不同含钢率的钢骨混凝土连梁联肢剪力墙进行了低周反复荷载试验研究、ABAQUS有限元模拟以及变参数分析。分析结果表明：钢骨混凝土连梁联肢剪力墙试件的破坏模式、水平承载力、变形能力和耗能能力明显优于钢筋混凝土连梁联肢剪力墙；由ABAQUS参数分析结果可知，钢骨含钢率应控制在4%~8%之间，且宜增加连梁钢骨腹板的面积。
提出一种通过加大连梁两侧或单侧宽度的方式，用以解决连梁受剪承载力不足的问题。基于连梁抗弯刚度等效的原则，可以有效避免连梁刚度增大，地震作用随之增大的现象。对宽连梁剪力墙结构在多遇地震作用下的层间位移角、动力特性、侧向刚度、连梁内力等进行分析，验证了宽连梁对改善连梁剪压比的作用。对普通连梁与宽连梁构件进行了弹塑性有限元分析，将其滞回性能、骨架曲线等进行比较，证明了宽连梁的变形能力和延性明显优于普通连梁。最后，通过对剪力墙结构的弹塑性时程分析，对宽连梁在高层结构中的抗震性能进行研究。分析结果表明：通过增加连梁宽度的方式能够有效提高连梁的受剪承载能力；与相同抗弯刚度的普通连梁相比，宽连梁的跨高比增大，其转动能力、延性与耗能能力明显增强；罕遇地震作用下宽连梁剪力墙结构在最大层间位移角、塑性铰分布、连梁剪力、受剪承载力等方面均显著优于普通连梁剪力墙结构。
高强钢筋、高强混凝土剪力墙结构中使用双连梁可以有效改善结构受力性能，解决设计中经常遇到的诸如连梁超筋、截面受剪承载力不足等问题。基于此，设计并制作了2个3层1/4缩尺的高强钢筋高强混凝土双肢剪力墙试件，其中一个试件的连梁采用单连梁形式，另一个试件的连梁采用双连梁形式。在相同的试验条件下，对比研究二者在低周反复荷载作用下的承载力、滞回特性、延性、耗能能力，分析双连梁结构形式在高强钢筋高强混凝土双肢剪力墙中的性能及作用。试验结果表明：具有相同配筋率的分缝双连梁双肢剪力墙结构与小跨高比单连梁双肢剪力墙结构相比，承载力降低了20%～30%，延性增加了约30%，耗能能力增加了约20%，在弹性阶段刚度降低约30%。从最终的破坏形态来看，单连梁剪力墙试件连梁出现了明显的剪切斜裂缝，箍筋全部屈服，最终发生剪切破坏；双连梁剪力墙试件只在连梁端部出现了弯曲裂缝未出现斜裂缝，箍筋自始至终未屈服，最终发生弯曲破坏。双连梁剪力墙结构能有效降低连梁内力，提高其延性。
为研究冻融循环对砌体结构抗震性能的影响，评估在役砌体结构的抗震能力，对再生混凝土砖墙体进行了冻融循环后低周反复加载试验和有限元模拟分析，对比分析了墙体的破坏过程与特征、承载力与刚度退化、延性、耗能。结果表明：经冻融循环作用后的再生混凝土砖墙体的破坏模式与未经冻融作用墙体略有不同，主要表现为初裂缝出现较早，且发展更为迅速，裂缝多集中于砖块与砂浆的胶结面处，主斜裂缝发展伴有更多的微裂缝出现，破坏程度相对严重；而未经冻融作用墙片裂缝大多沿砖块延伸;随着冻融循环次数的增加，墙体的受剪承载力、刚度、变形与耗能均有所降低;当达到120次冻融循环时，墙体的承载力下降30%左右，初始刚度降低约40%，累计耗能降低约70%，斜向拉伸变形下降80%。
介绍了钢管柱-H形梁连接内加劲铸钢模块节点的概念设计方法，对该节点进行了循环往复加载试验研究，考虑了不同轴压比对节点抗震性能的影响。试验结果表明：提出的铸钢模块节点具有良好的延性、较好的耗能能力、较高的承载力，可充分发挥节点域的剪切塑性耗能；铸钢模块节点的延性和耗能能力随着轴压比的增大略有降低。现行美国钢结构规范中的节点受剪承载力公式经修正后可适用于铸钢模块节点，且偏于安全；通过控制梁与节点域的相对强弱，可实现对节点屈服顺序的控制。
为研究仿古建筑钢结构双梁柱边节点的破坏特征和抗震性能，进行了4个比例为1/2的边节点低周反复荷载试验，观察了节点的受力过程及破坏形态，分析了该类节点的荷载-位移滞回曲线、承载能力、变形性能、刚度退化和耗能能力等力学特性。结果表明：仿古建筑钢结构双梁-柱边节点试件在加载过程中形成了上、中、下核心区；节点变形主要发生在下核心区，而中核心区和上核心区的变形很小，始终处于弹性阶段；梁截面形式不同时节点破坏形态有所不同，箱形截面梁节点下核心区出现”X”形的严重扭曲破坏或上部箱形截面柱和内环板连接的焊缝断裂；工形截面梁节点则是阑额上翼缘与节点核心区连接的焊缝断裂；节点的位移延性系数介于1.98～3.61之间，等效黏滞阻尼系数介于 0.227～ 0.387；随着柱轴压比由0.3增大到0.6，节点承载力有所降低。
对10个X形圆管斜插板节点试件在插板轴压力作用下的承载性能进行单调加载试验研究。以插板厚度和插板平面与圆管轴线平面之间夹角为变化参数进行节点轴压性能试验，研究了X形圆管斜插板节点在插板轴压力作用下的破坏模式，分析了荷载-端板位移曲线，节点区域应变强度分布，以及插板相对厚度（插板与圆管厚度比值）、插板平面与管轴线之间夹角对节点轴向承载力和延性的影响。试验结果表明：当插板相对厚度较小时（取值为0.89），夹角基本不影响圆管斜插板节点的承载力；插板相对厚度较大时（取值为1.33），随着夹角增大圆管斜插板节点的轴压承载力呈逐渐增大的趋势；随着插板相对厚度的增大，轴压承载力增大；薄插板（插板厚度为4 mm）节点试件的大多数测点保持弹性；而厚插板（插板厚度为6 mm）节点试件的大多数测点进入塑性状态；插板相对比较薄的情况下，IIW规范的计算值偏于不安全；插板相对较厚时，IIW规范计算结果偏于安全。
为了研究X形方圆交汇钢管节点（主管为方形截面钢管、支管为圆形截面钢管）的焊缝轴拉承载力，对5个非刚性连接和3个刚性连接试件进行静力加载试验。采用硅橡胶印模技术对焊缝几何特性进行精细化测量，考察焊缝全周的应变分布、破坏模式和承载力。试验结果表明：刚性连接试件在轴拉荷载作用下的焊缝全周应变分布均匀，而非刚性连接试件的焊缝全周应变分布则呈现明显的不均匀性；非刚性连接的焊缝承载力相对于刚性连接的焊缝承载力有较大程度的降低，主要原因是焊缝应力的不均匀分布以及热影响区材料的脆性破坏无法与非刚性连接主管管壁的塑性变形协调，从而先于熔敷金属发生断裂。采用有限元分析方法对焊缝的受力性能进行分析，得到不同节点参数下的焊缝有效长度，通过试验和有限元参数分析，提出了基于焊缝有效长度，且满足规范可靠度要求的非刚性连接焊缝轴拉承载力计算式。
针对凯威特六型胶合木网壳节点，设计并制作了12个足尺节点试件。进行了在胶合木构件轴压力为0、100、200 kN和300 kN共4种工况下节点的受弯承载性能试验，对节点抗弯刚度和受力性能进行分析，研究节点的弯矩-转角关系、节点域破坏模式及其与构件轴压力的关系。结果表明：节点域破坏模式可分为胶合木构件受压破坏、受拉破坏和界限破坏。节点域胶合木构件受拉破坏的节点受弯承载力随木构件轴压力的增大而增加。随着胶合木构件轴压力的增加，节点的初始抗弯刚度增大。发生节点域胶合木构件受压破坏的节点，其刚度较木构件受拉破坏的节点有较大提高。试验测得了节点的荷载-位移曲线和弯矩转角曲线，并拟合得到了弯矩-转角关系方程，结果表明适度的木构件轴压力有助于提高节点连接的延性。
为研究燕尾榫节点的抗震性能，考虑竖向荷载、普柏枋、雀替及尺寸效应的影响，对7个按宋《营造法式》制作的燕尾榫节点模型进行了水平低周反复荷载试验，对比分析节点的破坏形态、滞回特性、转动弯矩、转动刚度和耗能等抗震性能及其随各影响因素的变化规律。结果表明：燕尾榫节点破坏主要表现为榫头部分拔出，榫头与卯口间产生明显挤压变形，枋、柱整体完好；未施加竖向荷载的节点出现榫头沿柱纵向滑移现象；带普柏枋节点榫头拔出量较小，在普柏枋与馒头榫连接边缘发生局部剪切变形；带雀替节点在转角较大时，通过暗销连接的枋与雀替逐渐分离。节点弯矩转角滞回曲线以反“Z”形为主，有明显的“捏缩”效应；竖向荷载越大，滞回曲线越饱满；带普柏枋燕尾榫节点的滞回曲线更平滑，对称性较好；带雀替燕尾榫节点的滞回曲线左右明显不对称。燕尾榫节点的正向转动弯矩随竖向荷载的增大而逐渐降低，而反向转动弯矩逐渐提高；普柏枋显著提高了节点的正反向转动弯矩，而雀替仅提高节点的正向转动弯矩。带普柏枋节点的转动刚度较大，而耗能能力较弱；雀替在与枋脱离前可以有效提高节点的耗能能力。不同尺寸燕尾榫节点的转动弯矩与转动刚度不满足模型相似关系，拟合的尺寸影响关系可为实际工程提供理论参考。
考虑剪跨比、截面高宽比两个因素，设计14个侧压竹材集成材简支梁试件，对其力学性能进行试验研究，采用非接触式激光位移传感器和Vic-3D测试系统进行位移测量。结果表明：侧压竹材集成材梁经历弹性阶段、弹塑性阶段后，突然发生脆性断裂破坏；侧压竹材集成材简支梁试件的抗压弹性模量与抗拉弹性模量相等；试件截面平均应变符合平截面假定；试件中竹材的抗压强度没有得到充分发挥；随着剪跨比的增大，试件的承载力下降较快，而梁截面宽度对承载力的影响较小。
基于固体各向同性材料惩罚密度插值模型，建立近似支撑框架模型，以最大刚度为优化目标，以优化体积比及工程限值为约束条件，对支撑框架结构进行了优化。工程限值约束包括最大、最小尺寸约束，对称性约束以及顶点位移约束等。研究结果表明：当支撑框架中斜撑的斜交角度为39°~59°时，框架具有较好的抗侧刚度；当优化体积比为0.3时，优化后结构顶点位移较原设计域增加19%。引入工程限值约束条件能使拓扑优化后的结果有效应用于实际工程，优化后结构具有框架形态，无不易建造的细微结构，减少了低效材料分布，从而降低造价。
基于向量式有限元基本理论，推导了四节点四面体实体单元的基本理论计算式，通过参考平面的逆向运动来获得单元节点纯位移，进而通过变形坐标系获得单元节点内力。将双线性弹塑性材料本构模型引入向量式有限元实体单元，以实现考虑塑性硬化效应时实体结构的材料非线性行为分析。针对实体结构的碰撞接触行为，通过实体外表面质点和三角形网格面的单向碰撞检测来处理碰撞检测问题，采用基于中央差分的罚接触力响应方法来处理碰撞响应问题。弹塑性材料和碰撞接触均作为单独的计算分析模块引入向量式有限元实体单元。算例分析表明，所编制的向量式有限元实体单元程序可以有效实现线性和非线性材料情况下实体结构的静动力、大变形、大转动以及碰撞接触行为分析，验证了所提理论计算式和编制程序计算结果的可信度。
分析了基于相对动弹模量下降40%的抗冻融性能表征方法不能适应于新老混凝土的物理机制。通过采用超声波速来量测动弹模量，借助试验分析冻融过程中新老混凝土不同方向超声波速的变化规律，提出了能反映黏结面冻融损伤的指标和新老混凝土抗冻融性能表征方法。结果表明：动弹模量的不合理量测和定义是导致其在新老混凝土抗冻融性能表征方面不能适用的原因；平行于黏结面方向的超声波速损失近似线性规律，而垂直于黏结面方向的超声波速损失则呈现显著的三阶段特征；两个方向上超声波速损失率的差值，其曲线上的拐点表示了黏结面的抗冻融极限，通过与新老混凝土黏结面的劈拉强度试验结果对比，表明该方法能够准确地描述新老混凝土抗冻融性能。
对1个乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）气枕足尺模型进行形态测试、加载测试及自振测试，研究了气枕的静力性能和动力特性。建立了ETFE气枕有限元模型，进行了形态、荷载及模态分析，验证了有限元分析方法的有效性。结果表明：气枕内压对外荷载较为敏感，荷载作用下内压变化幅度随初始内压增加而非线性减小；作用于气枕中部或单侧的荷载较对称荷载会引起更大的变形和内压变化；相同荷载作用下，气枕变形随初始内压增加而非线性减小；在试验内压范围内，测试气枕的基本自振频率位于6～10Hz之间，前两阶自振频率间隔较大，2～5阶自振频率分布更为密集，气枕各阶频率均随初始内压升高而非线性增加；在低阶模态中，气枕上、下层膜面呈对称振动；ETFE气枕为低阻尼结构，各阶模态阻尼比随初始内压增加而减小；形态、荷载及模态分析的有限元结果均与试验结果吻合良好，验证了共同作用有限元模型在ETFE气枕静、动力分析中的准确性和适用性。
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