ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
结构抗震性能向功能可恢复、损伤元可更换提升是工程抗震设计的一个重要发展趋势。指出地震作用后结构功能的可恢复性主要依赖于结构变形的可恢复性，提出变形可恢复的结构体系可以由主结构和损伤元构成，应从预期地震作用下使结构损伤集中于特定构件（损伤元）的要求出发，重新认识分散耗能的机理、作用和抗震设计方法。回顾了近年来国内外对功能可恢复、损伤元可更换结构的研究和应用现状，阐述了可更换损伤元结构体系的本质特征，包括体系的损伤机制、残余位移、恢复力机制、变形相容条件和设计原则，归纳了损伤元的耗能机制、变形模式、构造形式。指出需进一步研发新型损伤元，构建损伤可控制、变形可恢复的结构体系，完善设计方法。
位于北京丰台的丽泽SOHO为超高层双塔复杂连体结构，中庭内立面结构盘旋上升，立柱均为弧形，造型复杂。丽泽SOHO每个单塔采用筒体单侧弧形框架结构体系，2个单塔由4道椭圆形腰桁架及连桥连接组成整体。主结构高度为191.5m，为反对称复杂双塔筒体框架结构，弧形钢连桥跨度为9～38m。介绍了通过设置立面斜撑、斜柱以及连桥将双塔“箍”成整体的具体方案，并对不同方案进行了对比分析。通过在2个单塔之间设置4道由腰桁架和连桥形成的腰带将2个单塔“箍”在一起，形成一个整体性强、抗震性能良好的结构体系。此外，对2个单塔之间的连接方式和效率分析结果、结构的具体性能指标以及超限审查进行了简要介绍。该项目方案的形成过程及结构体系可为类似复杂工程设计提供参考。
深圳湾总部大楼为一栋高度为400 m的复杂超高层建筑，采用密柱框架核心筒结构体系。密柱外框架由56根钢柱组成，梁柱连接采用完全偏心节点，外框架的刚度相对较弱。塔楼高区由于建筑体型收进，核心筒采用2层斜墙过渡收进。设计采用箱型钢梁和箱型钢柱组成密柱外框架，在核心筒剪力墙内埋设型钢加强，密柱外框架与核心筒剪力墙的抗震性能要求均提高至中震弹性。运用ABAQUS和BEPTA程序，将梁、柱和剪力墙的材料非线性在应力应变层次上予以精确模拟，同时考虑结构的几何非线性，进行结构在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，研究结构在罕遇地震作用下的抗震性能。结果表明：密柱外框架具有较高的抗震承载力，可以起到第二道抗震防线的作用；结构的层间位移角满足规范的限值要求；密柱外框架与核心筒剪力墙的主承重构件均未出现明显损坏，结构具有较好的抗震性能。
为了控制超高层框架-核心筒结构的侧向刚度和扭转刚度，以临界屈曲因子为参数，讨论了弯曲、扭转双重二阶效应对刚度的影响。推导了结构的临界屈曲因子与自振周期的关系，指出扭转临界屈曲因子是合理反映超高层框架-核心筒结构扭转刚度的力学参数，推荐采用扭转临界屈曲因子替代周期比评估结构的扭转刚度。选取两个超高层框架-核心筒结构工程案例及其参数测试模型，通过几何与材料非线性分析，分析了超高层框架-核心筒结构屈服后，临界屈曲因子、刚度折减、地震作用之间的相互关系。结果表明，偏小的扭转临界屈曲因子和扭转与弯曲临界屈曲因子比会引起更多的刚度折减，扭转临界屈曲因子有可能成为结构刚度设计的主导参数。根据刚度折减-地震水准关系曲线和刚度折减-临界屈曲因子关系曲线，给出了弯曲和扭转临界屈曲因子容许下限的建议值分别为7.5和2.5。
运用相似关系理论对某超高层框架-核心筒结构与地基基础进行了模拟地震振动台试验，以研究结构-地基基础动力相互作用对结构地震反应的影响以及柔性地基的减震效果。在试验基础上，对结构的振型和上部结构各层的最大位移进行了计算和分析，得到了结构的振动特性和动力响应。同时，还与相同加载条件的刚性地基结构模型的模拟地震振动台试验结果进行了对比。结果表明：柔性地基与上部结构相互作用改变了上部结构的振动特性和动力响应；结构的地震反应不仅与输入加速度峰值大小有关，还与输入的地震波的频谱特性有很大关系；柔性地基参与工作在地震作用强度较小时表现为对地震的放大作用，当地震作用强度达到一定大小时才会对上部结构有减震效果，而且地震作用越强，效果越好。研究结果可为超高层建筑结构设计及其与地基基础的动力相互作用的研究提供参考。
开洞剪力墙的双肢变形特性是进行抗震设计所要考虑的重要因素之一。在正交理论的变形分解基础上，实现对开洞剪力墙振型的精细识别，得到了振型相对变形分解图；进而，通过引入双肢系数，给出了开洞剪力墙振型双肢特性的量化判据；由于振型是结构完备的变形基，该方法可为剪力墙的刚度设计提供技术支持。对8层和16层钢筋混凝土开洞剪力墙试验模型的分析表明，在整体小开洞剪力墙和联肢剪力墙中间存在一种中间状态，该状态的剪力墙在横向静力作用下表现出整体变形特性，在水平地震作用下则可能表现为双肢变形特性，对此，在抗震设计中应引起足够的重视。
为了研究高烈度区多层剪力墙结构采用比现行规范规定偏低构造配筋的抗震性能和工程应用可能性，针对4个不同平面布置形式的多层剪力墙结构，分别按我国规范设防烈度8度区（0.20g、0.30g）和9度区进行抗震设计，并在规范规定的基础上减少墙身构造钢筋量，形成低配筋多层剪力墙结构。采用Perform-3D程序对12个低配筋多层剪力墙结构模型进行了非线性动力反应分析。结果表明，在罕遇地震作用下，各结构模型的地震反应较小，进入非线性的程度不深，结构的损伤偏小，且更多损伤集中在连梁梁端，而不是在剪力墙墙身。将墙身分布钢筋配筋率与文中低配筋剪力墙相近或比其更低的低配筋剪力墙试件的试验结果与非线性动力分析结果对比后发现，低配筋剪力墙试件的极限位移角远大于非线性动力反应分析中获得的具有84%保证率的结构最大层间位移角需求值，且试件在达到这一层间位移需求值时的损伤非常小。因此，高烈度设防区（8度和9度区）低配筋多层剪力墙结构的抗震性能良好，经合理设计后可在高烈度区应用。
为研究拉链柱支撑钢框架结构的抗震性能并对设计方法进行验证，完成了一个3层单跨1∶4缩尺比例的拉链柱支撑钢框架结构模型在24个地震作用工况下的模拟地震作用振动台试验。通过试验，得到了结构的动力特性、层间位移响应、加速度响应以及各结构构件的受力状态等。结果表明，8度多遇及设防烈度地震作用工况下，结构基本未进入塑性，试验模型振动时以第1阶模态振动为主。超9度罕遇地震作用工况下，底层支撑失稳明显，顶层支撑未见失稳。底层受拉支撑的最大轴拉力接近屈服轴力，受压支撑的屈曲后承载力约为支撑稳定承载力的30%，表明由支撑失稳产生的竖向不平衡力按受拉支撑的最小屈服承载力和受压支撑的最大屈曲承载力的30%计算是可行的。拉链柱主要通过受拉传递因支撑失稳产生的竖向不平衡力。因变形协调关系，被支撑梁可以承受一定的竖向不平衡力，在拉链柱未屈服的前提下，一般下层被支撑梁承受的竖向不平衡力要高于上层的。总体上，各构件的受力状态及传力路径与设计初衷基本一致，结构体系在模拟地震作用振动台试验中表现出了良好的抗震性能。
采用ANSYS有限元分析软件，对单榀单层纯钢框架、斜支撑钢框架和30层装配式斜支撑钢框架整体结构进行分析，结果表明，梁柱螺栓连接节点刚度对纯框架的构件内力、构件承载力、侧向位移、楼层刚度、自振特性、构件损伤率、极限荷载、结构破坏模式等影响较大，应按照节点实际连接刚度计算；对斜支撑框架的受力性能影响较小，可以按照节点刚性连接进行计算；对30层整体结构的影响与无斜支撑梁柱螺栓连接节点占总节点的比率有关，当比率小于4.2%且梁柱节点转动刚度达到3×104kN•m•rad-1以上时，可以按照节点刚性连接假定进行结构整体设计分析，无需修正。当不满足上述要求时，提出了先将梁柱螺栓连接节点简化为刚性连接计算，再对结构位移、周期、构件承载力等进行修正的简化分析方法。文中研究结果可为该结构体系的设计提供参考。
提出了一种新型的适合于H形梁与工形柱弱轴箱形节点域连接节点的构造形式，该连接属于后Northridge连接方式。试验中共设计梁端标准、梁端加盖板、梁端截面削弱和梁端加腋4种不同的处理方式的足尺边框架节点试件。通过单调加载试验，得到各个试件的破坏模式、塑性铰出现位置及节点域组成板件的应力分布情况。试验现象和试验数据分析结果表明，各试件破坏时，塑性铰均出现在远离连接位置的梁截面上，节点域和工字形柱基本处于弹性工作状态，节点域组成板件的应力均较小，其转角延性系数都大于4，塑性转角都大于0.030rad，说明H形梁-工形柱弱轴箱形节点域连接节点具有较高的延性和塑性转动能力，完全能够实现“强柱弱梁”、“强节点弱构件”及“强节点域”的抗震设计目标。
为研究仿古建筑中矩形与圆形截面钢管柱连接的破坏形态和抗震性能，设计制作了4个缩尺比例为1∶1.5的矩形与圆形截面钢管柱连接模型，通过施加一定轴压比的竖向荷载和低周往复水平荷载，对柱连接模型进行加载破坏试验。观察了试件的受力过程及破坏形态，得到了柱端水平荷载-位移滞回曲线和骨架曲线。分析了长细比、轴压比对试件的破坏模式、滞回性能、刚度、承载力、延性和耗能能力的影响。结果表明：矩形与圆形截面钢管柱连接的破坏形态主要是矩形截面钢管柱翼缘根部周围焊缝开裂；滞回曲线饱满，刚度退化慢，承载力高，破坏时试件的位移延性系数介于4.17～4.97之间，等效黏滞阻尼系数介于0.445～0.537之间，具有很好的耗能能力及抗震性能。在试验研究的基础上，利用ABAQUS软件对该类连接构件进行了非线性分析，研究了轴压比、材料屈服强度、矩形钢管板件宽厚比等参数对其力学性能的影响，结果表明：提高轴压比和材料屈服强度，可提高连接构件的水平承载力，但延性降低；随着矩形钢管板件宽厚比的提高，连接构件的延性提高，但承载力有所降低。
根据索穹顶结构的柔性结构特点和力学特性，探索以质量最小、刚度最大和支座反力最小为目标函数，以预应力整体可行性准则、荷载态应力控制和位移限值为约束条件的多目标优化模型。结合自适应技术、预选择机制和共享函数小生境技术对传统遗传算法进行改进，利用加权系数法将多目标优化问题转换为单目标Pareto最优解问题。利用向量式有限元对不同预应力水平的结构进行静力分析。最后通过两个不同类型索穹顶算例，采用自编程序的计算结果证明所提出的方法是有效的，为索穹顶结构预应力优化分析提供了新的计算方法。
高层建筑主体结构设计风荷载受来流风速的方向性影响较为明显，传统风荷载估算方法偏于保守。为此，提出一种考虑风向的风荷载全阶概率分析方法，基于可靠度理论将单风向的风荷载概率分布表达成风荷载效应系数极值和来流风速极值的概率分布函数。为了计入结构动力敏感性的影响，基于风洞试验获得的结构气动力数据，通过对结构动力响应分析，将风荷载效应系数极值的概率分布参数表达成来流风速的函数，进而结合各个风向的风荷载概率分布数据，给出了动力敏感性结构具有一定保证率的风荷载。最后，将所提方法的计算结果与蒙特卡洛模拟方法和传统方法的计算结果进行了详细对比。结果表明，本文方法计算结果与蒙特卡洛方法模拟结果吻合较好，传统的最不利荷载法和风向折减方法计算结果过于保守。
为了获取考虑风速风向耦合效应的实测风场非平稳特征，在获取三维脉动风速时程的过程中，采用EMD方法建立了三维脉动非平稳风速模型，并推导出了脉动风速时程表达式，进一步发展了风速时变标准差、时变湍流强度的概念。以高层建筑实测台风数据作为算例，并与平稳风速模型进行对比分析，验证了非平稳风速模型的准确性和优越性：不需要选取基本时距；时变的物理量能反映微观特征，更能反映风速的非平稳性。通过平稳度指数检验了数据分析过程的平稳性特征，结果表明：风速在频域内的平稳性指数随着频率的增大而逐渐增大；不考虑风向时，风速的平稳性指数大小是与风速的变化速率相关的；非平稳风速模型所计算的脉动风速平稳性较平稳性模型方法所分析结果有所改善。
进行了3根预应力轴心受拉钢构件高温试验研究。试验结果表明，高温下预应力轴心受拉构件中内置拉索和钢管所承受荷载比例随温度的变化而不断变化。升温初期拉索张力随温度升高不断增大，预应力轴心受拉钢构件轴向位移平稳发展，在达到峰值后，拉索张力随升温时间的延长而不断降低。在临界状态下，轴向位移增长很快， 预应力受拉构件中拉索均被拉断，外部钢管发生不同程度的颈缩现象。在试验结果的基础上，建立了预应力轴心受拉钢构件的有限元分析模型，得到了高温作用下预应力轴心拉杆中拉索张力和预应力钢杆轴向位移的时程全曲线。参数分析的结果表明：在其他条件相同时，预应力轴心受拉钢构件失效时的临界温度随着荷载比的增加而降低；当预应力比小于08时，预应力比对预应力轴心受拉钢构件失效时的临界温度的影响较小，当预应力比等于08时，预应力轴心受拉钢构件失效时的临界温度显著的提高；在其他条件相同时，预应力轴心受拉钢构件失效的临界温度随约束刚度比的增大而增大。最后对高温下预应力轴心受拉钢构件进行了理论分析，推导出预应力轴心受拉钢构件高温下差分计算方法，并以此为基础编写程序。通过计算结果与试验结果的对比，证明了差分计算方法的正确性。
为研究预应力轴压撑杆钢柱的高温性能，进行了2根预应力撑杆钢柱高温试验。试验结果表明：拉索无防火措施时，其相对张力在初始升温阶段就迅速下降，直至完全松弛；预应力撑杆钢柱的轴向变形先由于热膨胀效应轴向伸长，而后在压力作用下轴向压缩；临界状态时，撑杆柱出现对称和反对称两种失稳形态。采用验证后的ANSYS有限元分析模型，考虑材料非线性、几何非线性和初始缺陷等，分析了荷载比、相对轴向刚度比和预应力比等3个关键参数对预应力撑杆柱高温性能的影响，得到了一系列拉索相对张力、侧向变形和轴向变形分别与时间的关系曲线。分析表明：预应力撑杆柱中拉索张力很快在高温下逐渐松弛，达到张力松弛所需时间主要受预应力比影响；预应力撑杆钢柱的侧向变形在升温初期缓慢增长，在失效前增长迅速；随着荷载比增大，预应力撑杆柱侧向变形和轴向变形越来越明显，且达到峰值所需时间不断缩短；预应力比对撑杆钢柱失效临界温度影响较小，但对预应力撑杆柱的破坏形态有较大影响。
为研究带拉杆约束矩形截面钢管混凝土短柱的抗震性能，以轴压比、约束拉杆间距和截面长宽比为主要参数，进行了4个无拉杆约束和11个带拉杆约束矩形钢管混凝土短柱试件的低周往复加载试验。研究了其破坏过程、滞回性能、承载能力、变形能力、刚度退化及耗能能力等，并基于数值分析给出了带约束拉杆矩形截面钢管混凝土短柱压弯承载力计算式。结果表明：钢管板件宽厚比为50和67、剪跨比为3的矩形截面钢管混凝土短柱的滞回曲线饱满，没有明显的捏缩；设置约束拉杆提高了试件的承载能力、变形能力及耗能能力；带约束拉杆试件的极限位移角在1/19~1/50之间，位移延性系数在3.28~6.25之间；破坏时的等效黏滞阻尼系数在0.3以上；增加轴压比降低了试件的延性；减小约束拉杆间距可明显改善柱的抗震性能；保持截面宽度不变，增加截面长宽比，可提高试件承载力，但延性降低。提出的带约束拉杆矩形截面钢管混凝土短柱的压弯承载简化计算式的计算结果与试验结果吻合较好。
为研究钢与混凝土的界面滑移效应对钢混凝土组合梁基本动力性能的影响程度和规律，进行了5根跨度3.8m的简支钢混凝土组合梁的静载和振动模态试验，其中4根采用抗剪栓钉，剪力连接度分别为0.6、0.7、1.0和1.4，另1根采用能提供刚性抗剪连接的开孔钢板连接件。试验结果表明：在静载作用下，随剪力连接度的提高，组合梁的界面滑移减小，抗弯刚度显著增加。竖弯模态试验中，剪力连接度小于等于1.0的3根梁，其前4阶竖向弯曲模态频率与采用开孔钢板抗剪连接件的试验梁相比均有减小，最小减幅为9.8%，最大减幅达26%；剪力连接度为1.4的梁较开孔钢板连接件的试验梁，基频减小了6.1%，第2~4阶自振频率减小幅度均在10%以上，与连接度为0.6的梁相比，其基频增大了13.2%；试验梁的模态阻尼比随着剪力连接度的增大而减小。扭转模态试验中，各阶扭转模态频率差异程度在7%以内，变化规律不明显。由此可见，钢与混凝土板的界面滑移效应对组合梁竖向弯曲自振频率的影响不容忽视，在设计计算中须予以考虑。试验结果可为工程动力分析提供参考。
为研究型钢高强混凝土界面黏结性能，对9个型钢高强混凝土试件进行推出试验，分别考虑混凝土强度、配箍率、保护层厚度和型钢锚固长度对型钢高强混凝土界面黏结性能的影响。观察试件的加载过程和裂缝发展形态，分析了试件破坏形态，得到试件加载端荷载-滑移曲线。通过分析沿型钢锚固方向应变和界面黏结应力的分布规律，运用灰色关联理论建立了黏结应力计算式，并推导出荷载-滑移曲线关系表达式。讨论了影响界面滑移损伤变量的关系。结果表明：各试件加载端荷载-滑移曲线走势基本相同；灰色关联理论能够较好地反映黏结应力与各影响因素之间的关系，其中保护层厚度与黏结应力相关性最好；推导的黏结应力算式的计算精度能达到98%；提出的黏结应力-滑移的本构关系数学表达式拟合度较好；界面损伤发展程度与各影响因素关系紧密。
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