ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
为研究冷弯效应对壁厚6.0 mm以上的冷弯厚壁型钢屈服强度的影响，对4种不同截面、不同厚度的冷弯厚壁型钢进行了截面不同部位的材性试验研究，同时对现有国内冷弯厚壁型钢的材性试验和短柱试验数据进行了汇总。在简要回顾国内外冷弯厚壁型钢考虑冷弯效应的屈服强度计算公式及其理论依据的基础上，将各国规范计算值与试验值进行了对比。结果表明：冷弯效应对冷弯厚壁型钢的屈服强度影响较大，其影响程度与板件的宽厚比关系明显；我国规范、北美、澳洲/新西兰规范公式，以及朱爱珠基于我国规范提出的修正公式计算结果偏于保守，而欧洲规范的计算结果略偏大；我国GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中计算方法理论依据充分，且在计算结果偏于安全的同时变异系数较小，更适合于工程应用。
在材性试验的基础上对冷弯厚壁型钢进行了轴压承载力试验及有限元分析。试验中发现：对于长细比较大、板件宽厚比较小的试件，破坏模式为整体失稳；对于长细比较小、板件宽厚比较大的方管柱，其破坏过程首先是柱中部产生很小的弯曲变形，随着荷载增大，整体弯曲变形也逐渐增大，并引起方管板件的局部屈曲。采用ANSYS软件进行有限元分析，其结果与试验结果接近，表明将残余应力引入有限元模型对冷弯厚壁型钢构件进行分析具有较高的精度。在此基础上，利用收集到的26组不同牌号、不同截面冷弯厚壁型钢的试验数据建立有限元模型，并引入已有的残余应力模型进行了大量的有限元分析，得到了多组冷弯厚壁型钢轴心受力构件的承载力。对冷弯厚壁型钢构件进行了设计可靠度分析，提出了Q235、Q345冷弯厚壁型钢的抗力分项系数和强度设计值的建议值，可为相关技术标准的修编提供依据。
对36个屈服强度为550 MPa的高强冷弯薄壁槽钢受弯试件进行静力试验研究，考虑了加劲形式和卷边形式对试件受弯性能的影响，其中加劲形式分为无加劲、翼缘中间V形加劲和翼缘及腹板中间V形加劲3种，卷边形式分为直卷边、斜卷边和复杂卷边3种。试验结果表明：加劲形式和卷边形式是影响试件受弯承载力和屈曲模式的重要因素；与无加劲形式相比，采用板件中间V形加劲有效减小了板件宽厚比，试件受弯承载力提高了30%~70%；同种加劲形式下，短（直、斜）卷边试件受弯承载力提高幅度最大，复杂卷边试件提高幅度次之，长（直、斜）卷边试件提高幅度最小；试验过程中试件发生了局部屈曲、畸变屈曲与局部和畸变相关屈曲。对试验进行了有限元模拟，模拟结果与试验结果吻合较好。
屈曲约束构件可分为延迟屈曲构件和不屈曲构件，延迟屈曲构件在内核屈服前失稳破坏，当满足承载力设计要求时有更好的经济性。目前已有研究多针对不屈曲构件。针对缀板连接的内核分离式屈曲约束构件，利用平衡法研究了单个分肢的计算长度系数；推导了绕两个主轴的整体弹性屈曲荷载，利用有限元方法研究其弹性空间失稳特性；基于大量有限元弹塑性数值算例，拟合得到正则化长细比稳定系数设计曲线。研究结果表明：分肢计算长度系数仅与缀板和分肢线刚度比有关，通过比较绕两个主轴方向的长细比可判断构件空间弹性失稳的形式；采用拟合设计曲线可较好预测延迟屈曲构件弹塑性承载力，且比有限元结果偏于安全，区分不屈曲构件和延迟屈曲构件的临界正则化长细比可取为0.75；最后给出了保证分肢弹塑性失稳不先于整体破坏的设计建议。建立的涵盖不屈曲构件和延迟屈曲构件的缀板连接的内核分离式屈曲约束构件承载力设计方法可为设计提供参考。
对奥氏体型S30408和双相型S22253两种牌号的15个不锈钢焊接工字形截面短柱开展轴压局部稳定试验研究，考察截面组成板件的局部稳定性能和截面承载力，得出了试件截面的应力-应变关系曲线。研究结果表明：厚实截面的试件承载力高于其截面屈服荷载，试件截面应力-应变关系曲线表现出典型的非线性特性和应变硬化特征；而宽肢薄壁截面的组成板件发生过早的局部屈曲，使得试件承载力不能达到截面的屈服荷载，需要对截面强度进行折减。基于得出的试验结果和现有的其他试验数据，对现有设计方法，包括欧洲规范EN 1993-1-4和美国规范SEI/ASCE 8-02中的有效宽度法以及直接强度法计算得出的截面承载力进行评估，表明根据欧洲规范EN 1993-1-4和直接强度法计算得到的截面承载力偏于保守，而美国规范SEI/ASCE 8-02对宽厚比较大的截面承载力计算偏于不安全，而且计算离散性较大。
为研究铝合金工形截面轴压构件的局部稳定性能，对15根工程中常用大截面铝合金6061-T6和6063-T5轴压短柱试件进行试验研究，并对12组48个材性试样进行拉伸试验。研究了材料的力学性能、试件的局部几何初始缺陷、变形性能、局部屈曲荷载、轴压承载力等，并将试验结果与各国规范中设计方法计算结果进行对比。试验结果表明：铝合金6061-T6强度与普通钢材相当，但延性较差；铝合金挤压型材的局部几何初始缺陷很小，远小于规范中给定数值；板件宽厚比越大，局部屈曲发生越早，破坏时材料的强度越得不到充分发挥，但是局部屈曲后材料强度仍有较大的提高；翼缘和腹板之间存在相互作用；中国规范、欧洲规范、美国规范和澳大利亚/新西兰规范均低估了试件的轴压承载力，其中美国规范计算结果与试验结果最接近。因此，对于板件宽厚比大的试件，应充分利用其屈曲后强度，各国规范得到的承载力计算结果均较保守。
针对远大S30工程的高层装配式斜支撑钢框架结构体系，分别采用振型分解反应谱法和线性时程分析法对整体结构进行有限元分析，得到了结构在多遇地震作用下的内力和位移响应。进行了结构整体的弹性设计，总结了该结构体系的设计方法。按规范对柱与柱座法兰连接的承载力进行了计算，并通过有限元分析和试验研究进行了节点强度和刚度的分析与验证。对梁柱节点进行了试验，研究其刚度变化规律，提出了采用弹簧单元在整体结构中建立节点简化分析模型的方法。研究结果表明：该体系中轻型钢楼梯对整体刚度的影响可以忽略，计算时可不建模分析；结构抗震性能满足现行规范要求，结构侧向变形曲线介于框架结构和剪力墙结构变形曲线之间；斜支撑降低了节点区的应力，增大了结构体系刚度，起到了减小柱计算长度、增强梁柱节点和柱与柱座连接的作用；柱与柱座法兰连接设计既满足设计强度要求，又实现了柱的刚性连接，保证了柱承载力和刚度的连续性。
以常州体育馆屋盖120m×80m椭圆形索承单层网壳为背景，研究了椭圆形索承单层网壳结构布置的变化规律，发现采用较大的网格可减小整体结构的用钢量；更密的索杆布置，可显著提高结构的稳定性能；上部区域撑杆高度的增加，能提高结构的刚度与稳定性；下部区域撑杆高度的增加，能减小支座反力及杆件内力。同时探讨了影响椭圆形索承单层网壳受力性能及稳定性能的多个关键因素，通过对椭圆长短轴比值的研究，建议不宜采用长短轴比值过大的平面；通过对索预应力值的研究，提出应以长、短轴支座水平反力均较小作为确定索预应力值的原则；通过对屈曲部位的分析，提出可以通过调整杆件截面，将屈曲部位控制在预定区域，从而用较少的材料取得较大的稳定承载力。
肋环人字型索穹顶是一种突破传统Fuller思想的新型索穹顶结构。以一跨度90m的肋环人字型索穹顶为研究对象，采用向量式有限元方法，模拟脊索松弛和每一类杆件分别破断失效后结构的内力和变位时程响应，通过定义动内力系数、内力变异系数和观察结构主要节点位移来划分各类杆件的安全等级，判断部分杆件失效后结构是否倒塌和是否具有承载能力。计算结果表明，单根杆件的破断均不会引起结构的整体失效，但结构动力响应显著，部分杆件的最大动内力会超过屈服极限。根据计算结果分析可知，环索和脊索的安全等级高于斜索和撑杆，外圈杆件的安全等级高于内圈杆件。
对膜结构施工中由裁剪片拼接张拉形成的膜面进行应力松弛分析，考察膜面应力随时间逐渐减小的变化规律。考虑膜材材料和几何双重非线性，采用广义Maxwell黏弹性模型建立积分型本构方程，推导增量本构方程，编制非线性有限元程序实现成形曲面的应力松弛数值分析过程。对聚氯乙烯 (PVC)膜材进行了不同初始应力水平下的单轴应力松弛试验和不同应力比下的双轴应力松弛试验，用5单元的广义Maxwell黏弹性模型对试验数据拟合，确定了膜材本构方程的黏弹性参数。进行十字形膜片的加载及应力松弛试验，对其试验过程进行数值分析，结果表明试验结果与数值分析结果基本一致，验证了成形曲面黏弹性数值分析方法的可行性。对PVC膜材马鞍形曲面算例进行黏弹性分析，结果表明，马鞍形曲面在张拉完成4 d后，膜面平均应力降低了44%。
对重载张弦梁结构中混凝土板的组合作用、结构承载力、撑杆抗滑、水平地震作用传递方式以及结构平面外摆动等问题进行研究。通过有限元分析、理论推导和对相关工程实践的总结得出：混凝土板的组合作用可以减小重载张弦梁结构上弦构件的内力、增大结构承载力、提高结构的弯曲刚度；建议在撑杆底端分段设置抗滑索，避免撑杆底端向跨中滑移；利用连续混凝土板的受剪作用可将重载张弦梁所产生的水平地震作用传递给剪力墙等抗侧力构件；重载张弦梁结构没有发生整体或局部面外摆动的可能。据此提出结构中各主要构件的内力计算式，可用以初步确定重载张弦梁各主要构件的截面规格。
通过对缩尺比例为1∶4的3层再生混凝土框架结构模型双向输入模拟振动台试验结果的分析，研究了该结构频率、阻尼以及层间位移角的变化情况。结果表明：该再生混凝土框架结构具有良好的抗震性能。综合考虑再生混凝土框架结构X、Y向不同频率、阻尼比、刚度、结构振型以及不同的结构形式与自振频率的测试方法，提出了相应的再生混凝土框架整体结构损伤模型；基于该损伤模型对该再生混凝土框架结构破坏等级的分析，结合现行相关规范要求，建立了再生混凝土框架结构破坏等级划分；拟合了再生混凝土框架结构损伤指标的计算式。研究结果表明：提出的损伤模型与试验现象基本吻合，能够用于再生混凝土框架结构震后损伤与定量评估分析。
对15个混凝土剪力墙试件进行低周反复荷载试验，研究环筋扣合锚接连接预制剪力墙的抗震性能，考察不同连接形式、不同钢筋配置、不同轴压比等参数影响下剪力墙试件的承载力、滞回特性及破坏机理。试件按纵筋直径和混凝土强度等级的不同分为3组，每组包括2个现浇试件（1个为钢筋贯通连接，1个为纵筋搭接连接）和3个采用环筋扣合锚接连接现浇带的预制试件（其中1个为箍筋加密试件）。试验结果表明：预制剪力墙试件与现浇试件的破坏模式一致，均为压弯破坏；箍筋加密预制剪力墙试件的极限位移角在1/82~1/50之间，其承载力、耗能、延性等性能与全预制试件基本相同,环筋扣合锚接连接剪力墙试件具有良好的抗震性能，可以用于装配式剪力墙结构的建造。
对混凝土空心楼板横向受剪时隔离体平衡和受剪破坏机理分析可知，肋宽和翼缘厚度是影响其受剪承载力的主要因素。进行了A、B两类18个现浇混凝土空心楼板试件的受剪试验，A类试件保持板厚和空心管直径不变，肋宽分别为50、75、100 mm，研究肋宽对受剪承载力影响；B类试件保持板厚不变和较大肋宽，上、下翼缘厚度分别为40、60、80mm，研究翼缘厚度对受剪承载力影响。试验研究表明，在肋宽较小时，剪切破坏发生在肋上，裂缝先在孔内壁主拉应力较大处出现，随之近似水平开展并与相邻圆孔贯通，受剪承载力随肋宽的增大而增大；当肋宽较大时，空心板剪切破坏发生在上、下翼缘处，裂缝先在孔内壁靠近上、下翼缘位置出现，逐渐延伸到板的表面，受剪承载力与上、下翼缘厚度存在明显正比关系，承载力随翼缘加厚而线性增大。综合试验和理论分析结果给出了混凝土空心楼板横孔方向受剪承载力计算的双控计算式。
对15个试件进行常温和高温下推出试验，研究钢筋桁架楼承板中栓钉的抗剪性能，得到混凝土楼板和栓钉不同位置处的温度分布以及栓钉受剪承载力随温度的退化规律。试验结果表明,钢筋桁架楼承板中栓钉在常温和高温下的破坏均为栓钉剪断破坏，栓钉根部混凝土局部压碎，但是与平板混凝土板中栓钉的破坏位置不同，所研究的栓钉剪断破坏的位置在钢梁上翼缘处，而不是在栓钉根部焊缝处，这也在很大程度上导致了钢筋桁架楼承板中栓钉受剪承载力比平板混凝土板中栓钉低。钢筋桁架楼承板中栓钉的受剪承载力和刚度均随温度的升高而降低。通过对试验数据的分析，提出了钢筋桁架楼承板中栓钉高温下受剪承载力和荷载-滑移曲线的计算方法。
对5个高温后型钢混凝土柱试件和3个常温下对比柱试件进行低周反复加载试验，研究高温后型钢混凝土柱的承载力和抗震性能。由试验获得了高温后型钢混凝土柱的破坏形态和滞回曲线，分析了剪跨比、轴压比、受火时间对高温后型钢混凝土柱滞回特性、延性、耗能能力、承载力及刚度退化的影响。结果表明：高温后剪跨比为1.5的型钢混凝土柱的破坏形态与常温下基本相同，剪跨比为2.5的型钢混凝土柱的破坏形态则发生明显变化，常温下发生弯曲型破坏的柱在高温后往往发生黏结破坏。与常温下的型钢混凝土柱相比，高温后型钢混凝土柱的滞回曲线更加饱满、骨架曲线的上升段和下降段更为平缓、位移延性系数略有增大、耗能能力更强。高温后型钢混凝土柱的延性、耗能能力与剪跨比、轴压比密切相关。位移延性系数随剪跨比的增大而增大，随轴压比的增大而减小；剪跨比越大，破坏时的等效阻尼比越大。经历高温作用后，型钢混凝土柱的刚度和承载力退化显著，初始刚度退化程度随剪跨比的增大而减小，屈服后刚度和受剪承载力退化程度随剪跨比的增大而加大。提出了火灾高温后型钢混凝土柱受剪承载力计算式，计算结果与试验结果符合较好。
根据改进的能量平衡关系，推导了具有较大屈服后刚度系数的损伤控制单自由度体系的能量系数。采用非线性时程分析研究了地震作用下屈服后刚度系数及屈服时序对能量系数的影响。将能量平衡关系推广至多自由度体系，基于能量系数提出了用于判定损伤控制结构的评估方法，并将其用于损伤控制钢框架的评估。结合对损伤控制钢框架的评估分析说明了建议方法的应用，并通过非线性时程分析进行了校验。结果表明，能量系数对结构的屈服时序敏感，建议方法有良好的精度，可用于损伤控制结构的评估和优化设计。
为了分析膜、索等结构中柔性张拉构件在张力作用下对柱和拱的补强作用，基于静力平衡方程，在折线索上作用有集中荷载的情况下，提出虚拟弹簧刚度系数的概念并推导其计算式。在此基础上，分别得出一组和二组折线索柱模型的屈曲控制方程，并采用非线性有限元分析进行对比。分析结果表明：有限元分析结果与理论分析结果吻合。补强效果中，折线索弹性刚度的贡献可以忽略，索张力起主要作用；随着折线索上荷载的增大，柱的屈曲荷载存在着先增后减的规律；折线索会起到类似铰接约束的作用，使得柱的屈曲模态发生迁移；与一组索补强效果相比，两组索补强下柱的屈曲荷载的最大值变化较小。最后，对曲线索柱模型和曲线索拱模型分别进行研究，分析结果表明，曲线索上集中荷载存在一个最优值，使得柱和拱的屈曲荷载取得最大值。
采用自制加载装置，通过棱柱体试件单轴受压试验研究现浇磷石膏的本构关系，并测定材料弹性模量和泊松比。制作了9组不同材料配合比试件共38个，采集到33个试件的有效数据。试验结果表明：当试件应变接近峰值应变时，现浇磷石膏具有迅速破坏的脆性性质，破坏状态主要为劈裂破坏；残余应力与峰值应力之比约为0.5～0.8，极限应变与峰值应变之比约为1.1～1.6；缓凝剂对峰值应力影响较大，当其掺入量在0.3%左右时，峰值应力可取8.6MPa，极限应变可取2.54×10-3，而当其掺入量远大于0.3%时，峰值应力可取2.8MPa，极限应变可取2.01×10-3；残余应力可取峰值应力的0.7倍，极限应变可取峰值应变的1.45倍；提出了材料的三段式本构方程，可反映受压试验所表现的全部特征；现浇磷石膏强度较高时，弹性模量也较高，当缓凝剂掺入量在0.3%左右时，弹性模量可取5300MPa，缓凝剂掺入量远大于0.3%时，弹性模量可取2 000 MPa；材料泊松比可取0.19。
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