ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
提出了一种由高强钢主框架与耗能跨用普通碳素钢耗能梁组成的复合高强钢框架结构，以实现地震作用下损伤分步发展、震后残余变形可控的目标。结合试验和分析研究了其抗震性能。对所提结构的设计概念和非线性特征进行了阐释，并基于结构设计概念设计并完成了大比例的空间钢框架往复加载试验。此外，还设计了不同参数配置的算例结构，进行了静力推覆分析和非线性动力分析，并提出了结构设计原则。研究结果表明，配置耗能梁的复合高强钢框架结构具有屈服时序可控、耗能模式演化、滞回特征转变以及小残余位移等优良特征，而数值分析结果也进一步验证了结构的优良抗震性能。该结构形式可为高强钢构件在抗震结构中的应用提供参考。
为研究半刚性框架-密肋框格防屈曲低屈服点钢板墙结构的抗震性能，对一榀1/3缩尺的结构试件进行拟静力试验，对其滞回性能、承载力、延性、刚度、耗能和节点转动性能等进行分析。结果表明：试件最终呈面内弯剪破坏，结构屈服、破坏顺序为内填钢板面内受剪屈服、区格屈曲直至撕裂，边缘构件进入屈服并最终在框架梁端与柱脚形成塑性铰，结构的破坏机理符合“强框架、弱墙板”、“强柱弱梁”的设计理念；内填钢板与外框架形成了有效的两道抗震设防防线，抗震性能优良；试件具有稳定的承载力与优异的塑性变形能力；结构整体刚度好，初始侧向刚度大；密肋框格的设置改善了内填钢板的受力性能，实现了防屈曲的目标，试件滞回曲线饱满呈梭形，具有良好的耗能能力；位移加载后期节点角钢虽然进入塑性工作状态，但在内填钢板“衬板”作用的加强下，未发生明显损坏，且试件的整体承载力保持稳定。
为研究由单根C形和U形冷弯薄壁型钢拼合而成的箱形截面梁的受弯性能，对5组共计15个试件进行了静载试验。考察了梁跨高比、翼缘宽厚比、截面高宽比，以及连接螺钉间距对双肢拼合箱形截面梁破坏模式和受弯承载力的影响，并采用ANSYS有限元软件对双肢拼合箱形截面梁进行数值模拟与影响因素分析。结果表明：试件的破坏模式为跨中受压翼缘和腹板发生局部屈曲，屈曲半波长均为连接螺钉的间距。改变翼缘宽厚比和截面高宽比对双肢拼合箱形截面梁的受弯承载力影响较大，而改变连接螺钉间距（150~600 mm范围内）和梁跨高比对其受弯承载力影响较小。在有限元参数分析的基础上，提出了用于计算双肢拼合冷弯薄壁型钢箱形截面梁受弯承载力的抗弯模量折减法和计算式，并由试验数据验证了该简化计算方法的适用性。
通过对不同体系超大跨度空间结构研究成果的回顾，探讨了其发展趋势。对比分析了800 m跨度、相同荷载作用下具有相同几何参数的双层网壳、局部三层网壳、肋环型巨型网格和凯威特型巨型网格结构体系的多项静力性能指标。结果表明：在相同跨度和荷载作用下凯威特型巨型网格结构体系受力性能最优。针对此结构体系的空间复杂性，利用CAD三维成型分析获得其拓扑关系，明确了跨度、矢高、桁架高度等7个几何形体控制参数。基于结构几何成型的程序化实现方法，利用APDL参数化语言首次得到其自动生成程序，并编程完成了结构分析计算。最后对凯威特型巨型网格结构体系展开了包括环（径）向分割份数、矢跨比、桁架高跨比在内的7个参数共计153个模型、1000余算例的大规模参数分析。总结了结构力学性能随上述参数的变化规律，归纳了各参数的合理取值范围，为该巨型结构的理论研究与工程设计提供参考。
为研究单层网壳结构的失效机理，以3个单层球壳缩尺模型为例，通过对节点构形度进行分析研究提出，节点构形度的对数标准差ST(lg(q))可作为衡量单层球壳结构整体刚度均匀性的判定参数。通过与试验结果对比可知，节点构形度的对数标准差ST(lg(q))与结构的倒塌破坏特征及极限状态时输入的峰值加速度密切相关。对跨度为40 m，矢跨比分别为1/3、1/5、1/7的4种杆件截面的凯威特K6型单层球壳结构进行了参数分析（包括节点构形度分析、静力稳定分析和地震作用下的动力时程分析）。研究结果表明，K6型单层球壳结构在杆件质量相近的条件下，节点构形度的对数标准差ST(lg(q))越小，结构的稳定承载力和极限状态时输入的峰值加速度越高，且地震作用下结构的延性越好，强度破坏特征越明显。通过统计分析建立了适用于跨度为40m的K6型单层球壳结构刚度均匀性判定准则，即当节点构形度的对数标准差ST(lg(q))不大于0.4时，结构整体刚度均匀，相应的结构稳定承载能力和极限状态时输入的APG相对较高，且地震作用下的延性较大。
完成了2个内嵌钢板混凝土墙试件和3个外包钢板混凝土墙试件在恒定轴压力和往复剪切作用下的拟静力试验，用以研究钢板混凝土剪力墙的抗剪性能。墙试件采用工字形截面，剪跨比为1.2，腹板墙截面含钢率约6%。试验结果表明：试件腹板墙发生剪切破坏；当设计轴压比由0.3提高至0.6时，试件的受剪承载力略有提高，极限位移角减小约20%；在轴压比相同和腹板墙含钢率相近的情况下，外包钢板混凝土墙的变形能力比内嵌钢板混凝土墙大约20%；采用竖向加劲肋-缀条拉结代替栓钉-对拉螺栓连接，外包钢板混凝土墙的受剪承载力差异不大，但变形能力显著增大。对国内外46个钢板混凝土墙试验数据的分析表明，按中国规程 JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》计算得到的受剪承载力平均为试验值的78%，计算公式偏于安全；而美国规范AISC 341-10和欧洲规范Eurocode 8的计算公式仅考虑钢板的抗剪贡献，计算值仅为试验值的51%，严重低估了钢板混凝土墙的受剪承载力。对大量剪力墙试验数据的分析表明，钢板混凝土墙的剪切变形能力显著优于钢筋混凝土墙和钢骨混凝土墙。
为研究在预期损伤部位采用纤维增强混凝土（FRC）和柱梁端受弯承载力比对框架结构破坏机制的影响，设计了5个带有翼缘板的不同柱梁端受弯承载力比值的梁柱组合体，其中4个试件的预期损伤部位采用FRC材料增强，1个试件全部采用普通混凝土。通过对试件进行拟静力试验，分析其破坏机理、变形和耗能性能以及承载力等。研究结果表明，与普通钢筋混凝土梁柱组合体相比，预期损伤部位采用FRC梁柱组合体的峰值荷载提高了13%，极限层间侧移角增大了17%，总耗能提高了40%，抗损伤能力明显提高；考虑梁两侧各6倍板厚翼缘宽度内钢筋对梁端弯矩的影响，当柱梁端受弯承载力比为12时，可基本实现强柱弱梁破坏机制，当比值为14时，可完全实现强柱弱梁破坏机制。
通过对6根采用CFRP布与钢板复合加固的钢筋混凝土梁和2根未加固梁进行静载和等幅疲劳试验，研究了粘贴CFRP布和钢板加固对钢筋混凝土梁受弯疲劳性能的影响和作用。试验中对比了加固与未加固试件的破坏形态、跨中挠度、应变发展等情况，分析了在不同的疲劳荷载上、下限作用下复合加固梁的挠度和疲劳寿命等。结果表明: 复合加固后试件的疲劳变形有所减小，复合加固梁的跨中挠度、残余挠度和各材料应变均随疲劳循环次数的增加呈现三阶段发展规律，且均随着疲劳循环次数及疲劳荷载幅值的增大而增大；循环荷载引起材料的累积损伤，使复合加固梁在200万次循环荷载后的静载受弯承载力和延性均有下降。与未加固梁相比，复合加固梁显著降低了钢筋的应力和应力幅，破坏始于钢板断裂，此后梁仍可继续承受1~2万次循环荷载才发生钢筋断裂，破坏时表现出双重保护机制且疲劳寿命得到延长。疲劳荷载幅值越低，钢板的应力幅越小，梁的疲劳寿命越长。
通过切除钢梁下翼缘部分面积来模拟钢梁的局部腐蚀损伤，再粘贴碳纤维（CFRP）布于钢梁受拉翼缘进行加固修复，以此开展CFRP布加固腐蚀钢梁受弯性能的研究。共进行了6根CFRP布加固腐蚀钢梁试件的静载试验，根据钢梁受腐程度取翼缘宽度切除的比例分别为0%，50%和100%，切口宽度3mm，然后在钢梁下翼缘粘贴CFRP布或预应力CFRP布。试验结果表明，在加固钢梁的受拉翼缘屈服后，粘贴CFRP布能有效提高构件的承载力，预应力CFRP布加固能有效提高钢梁的屈服荷载和极限荷载。粘贴CFRP布、预应力CFRP布加固未腐蚀钢梁的极限荷载比原钢梁极限荷载分别提高12.9%、16.1%；CFRP布、预应力CFRP布加固腐蚀钢梁比原钢梁极限荷载分别提高6.5%、16.1%。在试验基础上，建立了预应力CFRP布加固腐蚀钢梁的承载力计算式，理论计算结果与试验结果吻合良好。
为获得不同干扰工况下受扰建筑表面时变风荷载，进行了刚性模型的同步测压试验。对不同折算风速下的扭转响应进行了计算，分析受扰建筑在不同相对位置、不同截面宽度、不同高度的施扰建筑干扰下的基底峰值扭矩响应干扰因子包络值分布规律，并进一步研究了尾流涡激共振机理及其发生条件。结果表明，未发生涡激共振时，峰值扭矩干扰因子包络值最大达到1.9；随着施扰建筑与受扰建筑截面宽度比增大，并列布置时的峡管放大效应越来越显著，峰值扭矩响应最大增加42%。施扰建筑与受扰建筑截面的宽度比为0.4时，施扰建筑旋涡脱落的尾流导致扭转向涡激共振发生，当折算风速达到4.37时，峰值扭转干扰因子包络值达到最大值2.98。随着施扰建筑与受扰建筑的高度比的增加，峰值扭矩干扰因子包络值呈增大趋势。在群体高层建筑抗风设计中，需重点关注施扰建筑高度大于等于受扰建筑高度时的放大干扰效应；对于施扰建筑与受扰建筑截面宽度比较小（0.3~0.5）情况，应避免受扰建筑的折算风速落在3.33~5.56范围内而发生扭转向涡激共振效应。
通过双向受迫振动风洞试验对高347m的长沙世茂广场模型的气动弹性效应进行研究，模拟结构平面两个轴向的一阶振动，同步测量了振动模型上的表面风压和模型顶部位移。在对振动模型横风向和顺风向的气动弹性力分析基础上，识别了该模型气动阻尼比和气动刚度比，计算并分析了气动弹性效应对结构风致响应和等效风荷载的影响。分析结果表明，在100年重现期风速作用下，该模型气动阻尼比为正值，气动刚度为负，气动刚度相对于结构刚度较小，对结构自振频率影响不大。考虑气动弹性参数后，顶部最大位移响应可减小5%，最高居住层最大加速度响应可减小10%，由等效风荷载计算得到的基底总剪力和基底总弯矩减小1.1%左右。分析表明，双向受迫振动风洞试验是一种有效且有实用前景的超高建筑气动弹性参数识别方法。
将颗粒调谐质量阻尼技术引入高层建筑风振控制领域，提出一种颗粒调谐质量阻尼系统，并以进行风振控制问题研究的Benchmark模型（基准模型）为原型，在1∶200的缩尺比下进行了附加颗粒调谐质量阻尼系统的气动弹性模型风洞试验。通过颗粒调谐质量阻尼系统（包括颗粒材料质量密度、阻尼器与模型质量比、腔体与颗粒质量比及颗粒直径）、风洞风速及风攻角等参数的变化分别考查了其对高层建筑风致振动响应的减振规律。结果表明：颗粒调谐质量阻尼系统对高层建筑风致振动响应有良好的减振控制效果，控制合理的颗粒质量密度和增加颗粒数量均可以提高其减振效果。
在已有研究成果的基础上，针对基于非线性动力分析的结构抗震性能评估中实际地震动记录的选取和调整进行了研究。为了使地震动输入能够满足工程场点未来可能遭遇的地震危险性水平需求，借助蒙特卡洛模拟方法，考虑地震动谱形的影响，通过生成随机模拟谱来匹配目标谱多元对数正态分布特征，并采用反应谱形参数优化了地震动记录的选取和调整方法。与通常采用的确定性地震动选取方法相比，所提出的方法能够有效匹配目标谱均值、标准差和谱相关性，较好地反映地震危险性水平本身的不确定特征，且具有较高的选取效率和匹配精度。鉴于目标谱不确定性对结构易损性分析结果的重要影响，研究成果能够为设定地震环境下结构抗震性能评估提供合理可靠的方法依据。
针对目前缺乏剪力墙考虑动力效应的计算模型，根据已有9片剪力墙试件拟静力和快速动力加载试验结果，提出了考虑动力效应的剪力墙恢复力模型，并编写了相应的MATLAB程序，用于对上述9个试件以及另外6个试件的拟静力和快速加载的试验结果进行模拟。计算结果显示，在地震应变率影响范围内，考虑动力效应的恢复力模型能够更为准确地描述剪力墙在快速加载下的动态性能。在此基础上，运用所提出的恢复力模型，对比分析了一单跨6层钢筋混凝土剪力墙结构在考虑应变率效应与不考虑应变率效应两种情况下的地震时程反应。结果表明，考虑应变率效应时，结构在地震作用下延性稍有降低，可能提前发生脆性破坏。因此，在进行结构弹塑性地震反应分析时应适当考虑应变率效应的影响。
结合概率密度演化理论与基于混凝土损伤本构关系的结构非线性分析方法，将结构随机反应分析从基于传统的从构件到结构的两层次简化模型，提升到从材料随机本构模型到结构的耦合精细化分析水平，实现了考虑结构参数随机性的多层混凝土框架结构非线性随机地震反应概率密度演化分析。进而，考虑混凝土与钢筋材料参数和结构阻尼参数的随机性，考察了结构主要反应量的随机演化特征。结果表明：与线性结构随机反应相比，由于混凝土随机损伤的影响，柱轴力与层间剪力的变异性差异显著，且层间剪力和层间位移的概率密度演化曲面不规则程度明显增加。
为了研究钢管截面形状、宽厚比和内填混凝土对钢管支撑屈曲模式、滞回性能和断裂延性的影响，对4个空心和4个内填混凝土无缝钢管支撑试件进行了低周往复静力试验。试验结果表明，由于冷挤压工艺改变了方钢管角部的材料性能，其断裂延性不如圆钢管，建议优先选用圆钢管支撑。截面宽厚比（径厚比）越小，支撑的局部稳定性越好，根据试验结果给出了无缝钢管支撑的宽厚比(径厚比)限值，并与已有的试验结果进行了对比验证。填充混凝土后，支撑的初始受压刚度与整体屈曲荷载提高，但整体屈曲后的受压承载力和刚度几乎没有变化；内填混凝土会加剧支撑跨中的应变集中现象并降低支撑的断裂延性；由于方钢管对内填混凝土的约束作用比圆钢管弱，其断裂延性下降更为显著。当钢管的宽厚比较小时，建议采用空心钢管支撑。
全钢型分离式防屈曲支撑，在两端铰接时，两个内核构件独立伸出外围约束构件后端部通过肋板连接，形成较强的端部接头，由于这种端部构造以及内核之间有一定距离，内核与外围约束构件之间相关作用较复杂。鉴于传统的约束比限值计算公式不再适用，对其约束比取值进行了研究。考虑支撑整体几何初始缺陷的影响，依据其失稳机理将其侧向变形分解为正弦型变形和余弦型变形，分别计算两种变形下的跨中侧向变形，按计算所得比例组合得到实际的跨中侧向变形，所得的轴向荷载与跨中侧向变形曲线与有限元分析结果吻合较好。利用外围约束构件截面最大受弯承载力不小于考虑二阶效应跨中弯矩的控制条件，并在常见设计参数范围内进行有限元分析与拟合，得到实用的约束比限值计算式。有限元分析结果表明，该方法可用于预测分离式防屈曲支撑在静力单调轴压作用下的受力性能。
目前我国混凝土构件的结构性能检验方法主要源于1976年颁布的国家标准TJ 321—1976《建筑安装工程质量检验评定标准：钢筋混凝土预制构件工程》。依据建筑工业化的基本思想及其发展情况，利用结构可靠度理论和统计学方法，详细介绍了我国各时期的结构性能检验方法，并对其进行了评价。指出在近四十年的时间里，混凝土结构的设计方法已发生根本变化，国内外不断推进的建筑工业化对结构性能检验也提出了更高的要求，但结构性能检验的基本方法并未发生变化，其在基本判定方法、判定标准和适用范围上滞后于设计方法的发展和建筑工业化的需要，需建立以结构可靠度理论和统计学为基础的混凝土构件的结构性能检验的概率方法。为此，介绍和分析了国外的相关研究，指出其尚不能为建立混凝土构件的结构性能检验概率方法提供完备、合理的基础；并按现行设计方法的可靠度控制方式，提出建立混凝土构件的结构性能检验概率方法的基本途径。
拟动力试验是一种重要的结构抗震联机试验方法，近年来出现了网络化、有限元化和实时化的趋势，形成了混合试验方法。鉴于混合试验分支多样，涉及数值分析、加载设备与控制等多个学科，为了方便试验的实施与技术的发展，迫切需要使用混合试验平台。为此开发了建筑结构混合试验平台HyTest，能够实现全结构拟动力试验、传统子结构拟动力试验、本地及分布式的基于静力子结构的混合试验和基于动力子结构的P2P混合试验。试验平台采用MTS二次开发编程库VB-COM连接试验控制系统，还可以调用有限元软件OpenSEES和ABAQUS进行数值子结构的分析。为了开展分布式的混合试验，该平台采用Socket通讯机制实现子结构间的数据传输，并采用带中转服务器的通讯模式，解决不同局域网之间的数据传输问题。利用该平台完成了6自由度单层单跨钢框架混合试验，验证了该试验平台的有效性。
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