ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
对近年来自密实混凝土结构抗火研究进展作了总结，包括自密实混凝土高温材性试验和足尺自密实混凝土构件的抗火性能试验研究。从自密实混凝土高温下和高温后的力学性能、热工性能和应力-应变关系等方面入手，总结和分析了已有研究所取得的成果和尚存的一些问题。分析表明：高温下自密实混凝土质量和抗压强度损失严重，通过添加不同添加剂可使其得到改善。由于其密度高，在高温下自密实混凝土比普通混凝土更易发生高温爆裂，加入纤维可以有效抑制爆裂但会降低抗压强度。高温爆裂的抑制和抗压强度降低的平衡研究，自密实混凝土结构高温后损伤鉴定和修复加固，以及自密实混凝土加固结构的防火保护措施研究等是今后一段时间自密实混凝土结构抗火研究领域值得关注的课题。
通过6个受火后高强钢筋混凝土连续T形梁试件采用钢板加固的对比试验，研究了粘贴钢板加固与螺栓锚接钢板加固后试件的力学性能和破坏形态。结果表明：受火后高强钢筋混凝土连续T形梁粘贴钢板加固后，承载力提高39.1%~58.2%，极限位移降低17.8%~53.2%；采用螺栓锚接钢板加固后，承载力提高36.7%，极限位移仅下降4.4%。采用螺栓锚接钢板加固后，初始弯曲刚度与未受火对比试件相当；粘贴钢板加固后，初始弯曲刚度较未受火对比试件明显增大。距跨中越近梁底钢板拉应变越大，越靠近跨中应变变化梯度越大。受火后梁底粘贴一层钢板或螺栓锚接一层钢板加固后，位移延性系数提高53.4%~62.0%、能量延性系数提高62.6%~72.6%；受火后梁底和梁顶中支座附近各粘贴一层钢板加固后，其位移延性系数降低8.2%、能量延性系数降低7.2%。采用折算面积法计算钢板加固受火后高强钢筋混凝土连续T形梁的承载力误差为-0.2%~13.2%，符合工程精度要求。
选取适当的混凝土和钢筋的热工参数及其高温后的力学性能，采用有限元分析软件ANSYS对标准升温条件下RC梁的截面温度场分布进行瞬态热分析，利用高度不变、宽度折减的方式得到受火后的等效截面，并在规范给出的短期刚度计算公式的基础上进行了修正。采用刚度解析法推导了高性能复合砂浆钢筋网加固高温作用后RC梁的刚度计算式，计算时考虑了加固时因未完全卸载和重力引起的应力-应变滞后现象，最后结合现场试验来验证所推导计算式的合理性。试验结果表明，高性能复合砂浆钢筋网可以有效提高构件的抗弯刚度。通过挠度理论计算值与试验值的对比可知，理论值均大于现场试验值且相差在10%以内，高性能复合砂浆钢筋网加固高温作用后RC梁短期刚度的计算式在实际工程应用中偏于安全。
对3个钢筋混凝土（RC）约束梁试件和3个钢筋增强超高韧性水泥基复合材料（RECC）约束梁试件进行了升降温全过程耐火性能试验，研究了升降温全过程中梁端约束、受火时间等参数对梁试件高温下变形和内力的影响，比较了RECC约束梁和RC约束梁高温下的温度场分布、变形和内力。研究结果表明：RECC约束梁的截面测点温度低于RC约束梁，在相同的条件下，RECC约束梁的跨中挠度和梁端弯矩均小于RC约束梁；升温时间为60min的RECC约束梁轴向变形峰值比RC约束梁低25%，RECC约束梁轴力比RC约束梁低18%，升温时间为120min的RECC约束梁和RC约束梁轴向变形和轴力峰值比较接近；梁试件的反弯点位置在整个升降温过程中不断变化，在降温到某一时刻反弯点会基本消失。
通过8个组合柱短试件的温度场测试和10个组合柱长试件的耐火性能试验，研究了ISO 834标准升温曲线下型钢-钢管混凝土柱的温度场分布和耐火极限。试验参数包括截面形状、受火方式、轴压比和配骨指标。试验结果表明：配置型钢后钢管混凝土柱截面内升温速率会略有提高，内置型钢对截面温度场分布影响不大，但是钢管混凝土柱的耐火极限会大幅度提高；以四面受火的方形截面试件的耐火极限为参照，三面受火时耐火极限变化不大，两面受火和单面受火时耐火极限大幅度提高，圆形截面试件1/2表面受火时耐火极限亦明显提高；轴压比从0.3增大到0.4时，试件耐火极限显著降低。经过合理的设计，无防火保护的型钢钢管混凝土柱可以达到3 h的一级耐火极限要求。
进行了高温作用后型钢混凝土柱力学性能试验，在试验的基础上建立了高温作用后型钢混凝土柱力学性能的数值模拟方法。通过在ABAQUS平台上开发子程序建立了升降温作用下型钢混凝土柱温度场的计算模型，通过选择合适的材料本构关系以及在ABAQUS平台上开发自定义场变量子程序，在考虑升温、降温以及高温作用后不同阶段材料本构关系的基础上，提出了高温作用后型钢混凝土柱力学性能分析的计算模型，实现了高温作用后型钢混凝土柱力学性能的计算模拟。计算结果与试验结果的对比表明，二者吻合较好，提出的方法合理可行。
由于爆炸过程的不稳定和爆炸测试的不确定性，由已有的预测爆炸荷载的经验公式和图表所得到的爆炸荷载存在较大差异，不便于工程应用。在查阅了各国抗爆规范和大量文献，搜集了大量已有的经验公式和图表的基础上，分析和计算了不同比例距离下的反射超压和假想比例持续时间。运用统计学方法求得各比例距离下具有90%保证率的反射超压和假想比例持续时间，拟合得到了爆炸荷载反射超压及假想比例持续时间与比例距离的关系曲线，可用于确定建筑结构抗爆设计的爆炸荷载取值。拟合公式确定的爆炸荷载参数稍大于人防规范和UFC规范中的规定取值，偏于安全，较为合理。
受控摇摆式钢筋混凝土框架(CR-RCF)采用梁柱铰接节点，后张预应力钢筋提供结构整体恢复力，并采用层间阻尼器耗散地震能量、控制结构整体位移。通过模拟地震振动台对比试验，研究受控摇摆式钢筋混凝土框架的抗震性能。介绍了CR-RCF结构的摇摆机制及摇摆节点的构造形式，设计了受控摇摆式钢筋混凝土框架和常规框架两个振动台试验模型，输入El Centro地震波，得到了不同地震动峰值加速度下结构的动力响应，对比分析了两个模型的振动台试验结果。结果表明：CR-RCF结构较常规框架具有更小的抗侧刚度，故其地震加速度响应更小；CR-RCF结构设置了层间阻尼器耗能装置，地震作用下的结构整体位移得到有效控制；在经历罕遇地震作用后，仅层间阻尼器进入屈服状态，主体框架承重构件保持完好，无任何损伤，表现出优异的“免损伤”特征。
采用高强度螺栓和连接钢框连接上下层预制钢筋混凝土（RC）墙板，形成一字形全装配式剪力墙。为了研究该全装配式剪力墙的基本力学性能及水平接缝的工作机制，以连接钢框的翼板厚度及高强度螺栓的公称直径及预拉力为参数，制作3个试件，进行了单调加载试验，对试件的水平荷载－侧移曲线及其特征点、钢筋应变、连接钢框与内嵌边框之间的相对滑移以及连接钢框的应变分布进行了分析。试验结果表明：采用螺栓连接的全装配式剪力墙具有较好的延性性能；减小高强度的螺栓直径及预拉力会使水平接缝内的相对滑移增大；减小连接钢框的翼板厚度会使连接钢框中的应力增加；连接钢框受压区的正应力远大于受拉区，受拉区与受压区分界点的位置与预制墙板基本一致。在试验的基础上，分析了水平接缝的工作机制。分析表明：摩擦作用、销栓作用是受拉区水平接缝传递荷载的主要方式；受压区水平接缝的工作机制与连接件之间的初始空隙有关，摩擦作用、销栓作用以及顶紧挤压作用是受压区水平接缝传递荷载的主要方式。
通过对1个现浇和7个叠合整体式混凝土剪力墙足尺试件的轴心受压试验，考察了其在轴心荷载作用下的受力性能、破坏模态和承载力，分析高厚比、预制部分截面面积占全截面面积比例（预制率）和预制薄板板肋方向等因素对剪力墙试件轴心受压性能的影响。结果表明，叠合整体式混凝土剪力墙破坏模态分为叠合面开裂破坏和轴心受压破坏两种：叠合面开裂破坏前，有明显的开裂现象，破坏过程平缓，试件承载力较低；轴心受压破坏前，试件表面无明显的裂缝产生，破坏过程突然，承载力较高。墙体高厚比对试件的承载力影响不明显；预制率越高，压缩刚度越大，墙体竖向变形越小；预制薄板板肋对叠合墙受压性能影响较小。针对叠合整体式混凝土剪力墙轴心受压破坏模态，总结中、美两国规范及已有研究中的轴心受压构件承载力计算公式，给出了叠合整体式混凝土剪力墙的轴心受压承载力简化计算式，其计算值与试验值吻合较好。
为研究后浇段设置在次梁端与主梁侧面之间、叠合次梁预制部分纵筋采用套筒挤压搭接连接的叠合次梁-主梁连接节点的受力性能，进行了1个端节点和1个中节点试件在次梁悬臂端竖向荷载作用下的静力试验。研究结果表明：次梁受压、受拉纵筋套筒挤压搭接接头可有效传力，套筒没有出现裂纹，钢筋没有发生滑移；次梁预制混凝土与后浇混凝土结合面未见破坏，次梁的破坏形态为固端一倍梁高范围内类似深梁的斜截面弯曲破坏，可以采用“拉-压杆”模型解释次梁的受力机理、截面应变分布；次梁的实测承载力与《混凝土结构设计规范》正截面受弯承载力预测值的比值平均为1.37，与“拉压杆”模型承载力计算值的比值平均为1.09。
为降低预制装配混凝土结构中的钢筋连接成本，采用低合金无缝钢管，通过冷滚压工艺制作了一种新型变形灌浆套筒。通过对9个钢筋连接接头试件进行单调轴向拉伸试验及有限元分析，研究了套筒的连接性能、工作机理及设计方法。结果表明，钢筋锚固长度取6.9~7.5倍连接钢筋直径时，该变型灌浆套筒连接接头的单向拉伸强度能够满足1.1倍钢筋抗拉强度标准值要求；套筒的内腔结构影响套筒的应变分布及约束机理，内壁环肋处的接触压力造成套筒变形段筒壁应力不均匀分布；文中所采用的有限元模型可有效地模拟套筒与灌浆料以及灌浆料与连接钢筋间的相互作用；探讨了变形灌浆套筒的设计方法，并应用该方法设计了不同直径的HRB400级钢筋连接用套筒，其钢筋连接接头满足规范JGJ 107—2010对Ⅰ级接头的强度和变形性能要求。
对4个采用插筋灌浆连接的装配式混凝土剪力墙连接试件进行静力加载试验，采用已有的界面受剪承载力计算方法进行计算，并与试验结果进行对比。采用有限元分析软件Msc.Marc对插筋灌浆连接拼缝的受剪性能进行非线性有限元分析，在模型验证的基础上，分析了轴压比、插筋数量以及界面粗糙程度对拼缝受剪性能的影响。研究结果表明：试件的初始破坏为拼缝处混凝土与砂浆的界面破坏，拼缝处出现明显的剪切通缝；混凝土与砂浆界面黏结破坏以后，界面剪力主要由拼缝处的插筋承担，试件呈现良好的延性；达到极限荷载以后，随着试验墙体劈裂裂缝的不断增加以及裂缝处混凝土剥落，试件荷载下降。在实际工程设计中，为了尽量避免拼缝破坏发生在预制构件破坏之前，应按照要求增大拼缝插筋配筋率或选取较高强度等级的插筋。
我国现行钢结构设计规范中仅有Q345GJ钢的设计指标。为了补充其他较高强度建筑结构用钢板（主要是Q390GJ钢、Q420GJ钢和Q460GJ钢）的设计指标，对国产建筑结构用钢板的可靠度进行了分析。在对Q390GJ钢、Q420GJ钢和Q460GJ钢的材料性能调研统计的基础上，结合已有的对钢结构几何参数不定性、计算模式不定性的研究，计算得到了建筑结构用钢板抗力不定性的统计参数。利用验算点法，计算得到了建筑结构用钢板在不同荷载组合下的抗力分项系数，并分析了其变化规律。经过比较试算，提出了适用于不同情况下的建筑结构用钢板抗力分项系数和设计强度建议值。最后对上述设计指标进行了可靠度校核。分析结果表明，所提出的建筑结构用钢板设计指标满足GB 50153—2008《工程结构可靠性设计统一标准》的要求，具有一定的可靠性。
为研究跨度较大的预应力钢框架结构的可恢复功能，提出了具有可恢复功能的中间柱设有摩擦阻尼器的预应力钢框架体系，给出了中间柱摩擦阻尼器的典型构造。设计了一个8层原型结构，对底部两层平面框架子结构进行了静力推覆试验，同时采用ABAQUS有限元软件对试验进行了数值模拟。结果表明：中间柱的摩擦阻尼器在提高框架结构刚度的同时，还提高了结构的耗能能力；结构除梁翼缘加强板和柱脚翼缘出现塑性变形以外，其他主体结构始终保持弹性工作状态；第1、2层框架的层间剪力位移滞回模型分别呈梭形和弓形。卸载后的检测结果显示，钢绞线的预应力损失很小，为结构提供了良好的自动复位和恢复结构功能的能力。
提出了一种新型空间半刚性C型节点。为使该节点具有较好的转动能力及耗能能力，基于“强节点、弱构件”的抗震基本原则，提出了“强连接、弱板件”的空间半刚性节点。首先根据规范及理论分析初步确定节点各组件的合理尺寸；然后运用ABAQUS有限元软件建立非线性有限元模型，对节点各组件的尺寸进行优化，确定合理的组件尺寸。通过有限元分析和试验对该节点的性能进行研究。结果表明：该空间半刚性C型节点在弯矩荷载作用下表现出了较好的受弯承载能力和延性；节点刚度及承载力均随锥头侧连接板厚度、前端板厚度的增加而增大。节点锥头部分的材料本构模型选取对有限元分析结果的影响显著，采用三折线模型模拟所得结果更为精确。
以国内外近年来的各类型屈曲约束支撑（BRB）的试验数据为基础，提出了与BRB承载力超强相关的应变硬化系数和拉压不平衡系数上限值的计算公式。设计并完成了7组Q235钢芯材BRB轴心受力试验，分析了超强系数与峰值应变和累积塑性应变之间的关系，研究了加载速率对超强系数的影响。结果表明：虽然离散性较大，但Q235钢芯材BRB的应变硬化系数和拉压不平衡系数均表现出随峰值应变的增大而增大的趋势。在设计中可采用建议的超强系数包络值以更加合理地考虑BRB的超强特性。BRB是位移相关型消能器，但试验中BRB试件在应变速率约为01/s的动力加载作用下的拉压不平衡系数明显大于相同峰值应变下静力加载试验结果，说明加载速率对BRB受压性能影响明显，对该现象有待深入研究。
收集了近年来的两批矩形钢管混凝土柱的试验资料，其中，柱两端所作用压力的偏心距有多种不同的组合，挠曲变形有单曲率及双曲率。根据其数据，进行了挠曲二阶效应的分析研究。矩形钢管混凝土柱在偏心压力作用下会出现塑性变形并开裂，在二阶效应分析中须考虑其对柱截面弯曲刚度的影响。将柱视为等效弹性体，对于承载力极限状态设计阶段，利用理论公式并采用调整后的柱截面弯曲刚度，提出了计算方法，计算结果与试验数据吻合良好。将此方法应用于矩形钢管混凝土柱的设计，考虑二阶效应影响，求得弯矩增大系数。
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