ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
采用新型薄壁轻钢和轻混凝土材料研发了一种与传统结构房屋建造方式不同的、适用于低多层房屋的新型结构体系——轻钢轻混凝土结构体系。该体系以薄壁轻钢、轻混凝土为主要材料，采用轻钢构架预制装配、免拆模板替代传统模板和轻混凝土现场浇筑的建造方式，具有工业化、节材省工、缩短工期、固废利用、减少资源浪费和环境污染等诸多优势。介绍了轻钢轻混凝土结构体系的研发背景、体系构成和技术特点，总结了轻混凝土材料性能、墙体和楼板构件承载性能、结构足尺模型试验、轻钢连接与基础锚固、建造关键技术和结构设计方法等专题研究成果，以及试点工程推广应用和配套标准规范编制情况。通过与传统结构对比，分析了该体系的技术经济性，并对后续研究的方向和应用前景进行了展望。
轻钢轻混凝土结构是由轻钢构架和现浇轻混凝土组成的新型结构体系。为了掌握该结构体系的抗震性能，进行了一个轻钢轻混凝土结构三层足尺模型的拟静力试验，并介绍了该试验模型的设计和建造过程，给出了结构的破坏形态、滞回曲线和层间变形等试验结果，分析了延性、刚度退化、等效黏滞阻尼比和基底剪力，掌握了轻钢轻混凝土结构的抗震性能。研究结果表明：轻钢轻混凝土结构试验模型具有足够的承载能力和延性，能够满足抗震设防烈度7度的要求，其具有良好的抗震性能，可以在相应抗震设防区推广应用。
施工缝的存在会在一定程度上影响剪力墙的性能，为研究施工缝对钢筋混凝土剪力墙抗震性能的影响，对整浇和带施工缝两种剪力墙试件进行拟静力试验。通过对比分析施工缝对剪力墙破坏过程的影响，并从滞回曲线、承载能力、变形能力、耗能、刚度退化和破坏过程等方面分析施工缝对剪力墙抗震性能的影响。研究结果表明，同等条件下带缝剪力墙与整浇剪力墙的最后破坏形态基本一致，但是裂缝发展过程明显不同，带缝试件初始裂缝及贯通裂缝出现在施工缝处，而整浇试件的初始裂缝及贯通裂缝出现位置比较随机。轴压比较小时，整浇试件的承载力和耗能比带缝试件高；轴压比较大时，轴向力抵消了施工缝的不利影响，带缝试件的承载力和耗能比整浇试件的高；整浇试件的延性和刚度退化均比带缝试件的小；配筋率提高使带缝试件的承载力提高、耗能增大，但对刚度的影响较小；轴压比增大使带缝试件的延性降低、刚度退化变快。
震后功能可恢复结构已成为地震工程的研究热点。在剪力墙间设置的耗能连梁可用于震后功能可恢复联肢剪力墙结构，并且可与上部钢筋混凝土楼板分开设置。耗能连梁受损后容易实现震后更换，但楼板在地震作用下会出现较大的损伤且不易修复。为了减小楼板的地震损伤，提出了一种开槽式楼板，其主要特征是在楼板与剪力墙相接的界面处，设置一定宽度的槽口并用聚苯板填充。聚苯板的存在能够耗散结构的地震能量，避免混凝土板出现较大的损伤。设计制作6块混凝土楼板，包括4块传统钢筋混凝土楼板与2块开槽式楼板，通过试验比对了大变形时楼板的裂缝宽度和极限变形能力，总结了开槽式楼板的破坏模式。结果表明，与传统楼板相比，开槽式楼板在控制裂缝宽度和提高极限变形能力等方面具有明显的优势。
为研究钢骨超高强混凝土框架节点核心区受力特征和受剪承载力，对12个节点试件进行了低周反复加载试验，分析受剪破坏模式、各加载阶段受力特征、箍筋和钢骨腹板应变以及轴压比、体积配箍率、钢骨形式对受剪承载力的影响。采用“四边加强的剪力墙”模型描述了节点核心区受剪机理，建立了受剪承载力计算式，对比分析了计算结果与试验结果。研究表明：开裂阶段节点核心区超高强混凝土承担的外荷载较多，达85%以上，箍筋和钢骨腹板承担的外荷载较少；试件屈服后，超高强混凝土承担的外荷载有所减少，而箍筋和钢骨腹板承担的外荷载明显增多，箍筋和钢骨腹板的应变增长较快，荷载-应变关系由最初近乎直线，发展为应变随荷载变化明显的曲线，且存在较大的残余应变；节点核心区受剪承载力随轴压比或体积配箍率的增加而增大；钢骨形式对受剪承载力影响不明显；受剪承载力计算结果与试验结果比值在0.94～1.02范围内，所提出的计算式具有较高的精度。
针对普通再生混凝土性能普遍较差的问题，将再生混杂纤维与硅粉组成的纤维复合增强材料掺入再生混凝土，达到提高再生混凝土框架节点抗震承载能力的作用。通过3个纤维复合增强再生混凝土框架梁柱中节点试件的低周反复加载试验，对其破坏形态、承载机理及承载能力等进行了研究。结果表明：通过添加纤维复合增强材料，克服了再生混凝土节点受力和破坏多沿再生骨料新老砂浆界面呈酥松状破坏，即脆性破坏的弊端。在与普通再生混凝土节点配筋相同的条件下，纤维复合增强再生混凝土框架节点开裂较晚，节点裂缝开展延缓，有效抑制梁端纵筋黏结滑移，承载力提高，变形能力增强，纤维复合增强再生混凝土框架节点较普通再生混凝土框架节点的转角延性系数提高1891%。节点区纵筋和箍筋应变分别达到2.0×10-3及2.5×10-3，表明添加纤维复合增强材料后混凝土与钢筋具有更好的协同工作性能。
以某在建的实际工程为研究背景，参照GB 50329—2012《木结构试验方法标准》对2榀跨度均为20 m的胶合竹结构大跨度全竹屋架和“人”字形钢-竹屋架进行静力加载试验，分析两种屋架结构的荷载-变形关系以及破坏形态，研究2榀屋架的受力性能。试验结果表明：胶合竹屋架的破坏属于脆性破坏，2榀屋架的破坏形式主要表现在上弦杆的失稳和弯曲破坏，采用高强钢棒作为下弦拉杆的钢-竹屋架体系各项性能优于传统桁架形式的竹屋架体系，在实际工程应用中可优先考虑采用下弦钢拉杆的钢-竹屋架。对屋架结构受力性能进行有限元分析，分析结果与试验结果总体吻合较好。采用GB 50005—2003《木结构设计规范》计算屋架的承载力，计算结果与试验结果比较接近，该规范能较好评估胶合竹屋架的承载力。
现行木结构设计规范只规定了相同强度等级木构件螺栓连接承载力的计算方法，不能满足工程实践中连接不同强度等级木构件的需要。采用东北落叶松和樟子松木材，分别进行了销槽承压试验和螺栓连接性能试验。试验验证了欧洲销连接屈服模式，并证明了在我国规范中螺栓连接设计考虑圆钢销塑性不充分发展的假定更符合实际情况。提出了销槽承压有效长度系数及螺栓连接承载力建议计算式，并引入了钢材的弹塑性强化系数，以体现钢材特性对承载力的影响。在保持与现行木结构设计规范可靠度一致的条件下，对螺栓连接的承载力设计值进行了校准，得到了对应于各种屈服模式的抗力分项系数。所提出的螺栓连接承载力建议计算式能用以计算不同强度等级木构件螺栓连接的承载力，且与现行规范的计算结果基本一致。
为研究胶合木梁柱嵌入钢板-螺栓拼接节点在纯弯和弯剪复合荷载作用下的破坏机理、受弯承载力的变化规律和计算方法，设计并制作了3组共15个足尺节点试件，对其进行单调加载试验。以单螺栓节点横纹承载力计算方法为基础，经推导建立了考虑节点剪弯比影响的节点受弯承载力计算方法。试验和计算结果表明：弯剪复合荷载作用下节点的主要破坏模式为木材横纹劈裂破坏；剪力导致弯矩转角曲线非线性特征更为明显；节点受弯承载力和延性随节点剪弯比的增大而减小；节点的剪弯比变化使节点受弯承载力和延性下降最多分别达到31.7%和15.6%。此外，对已有的节点受弯承载力计算方法分析可知：基于van der Put模型的节点受弯承载力计算方法具有较高的精度（与试验值偏差在16%以内）；而基于Jensen模型和按欧洲规范EN 1995-1-1预测的结果则偏于保守。
为研究松动对燕尾榫节点抗震性能的影响，参照清工部《工程做法则例》，制作了6个缩尺比为1∶3.2的燕尾榫节点，包括1个完好节点和5个不同松动程度的节点，燕尾榫节点的松动采用削减榫头尺寸的方法来模拟。通过低周反复加载试验，对节点的破坏形态、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律和耗能能力等进行了研究。结果表明：节点的破坏形态主要为榫头部分拔出、榫头和卯口间发生挤压变形、卯口处木材纤维翘起，柱和枋基本完好；所有节点的弯矩-转角滞回环形状均呈反Z形，且节点松动程度越大，其滞回环捏拢效应越明显；松动节点的弯矩、刚度和耗能能力均低于完好节点，且随着节点松动程度的增大而逐渐降低；所有节点破坏时节点转角均达到0.12 rad，且弯矩未出现下降段，说明松动后燕尾榫节点具有较好的变形能力。研究成果可为现存传统木构建筑燕尾榫节点的抗震评估提供参考。
设计制作了9个胶合木梁柱螺栓节点试件，其中7个螺栓节点采用自攻螺钉进行增强。进行了单调和低周反复加载试验，研究胶合木梁柱螺栓节点采用自攻螺钉增强后的受力性能。试验研究表明，胶合木梁柱螺栓节点易产生木材撕裂破坏，采用自攻螺钉增强后的节点由于自攻螺钉咬合力作用，有效抑制了木材纹理的开裂；当螺栓边距、端距小于GB/T 50708—2012《胶合木结构技术规范》限值时，节点试件的承载力及延性仍有明显提高，其中，螺栓直径20mm的节点试件承载力最大提高了112%，螺栓直径14mm的节点试件承载力提高了81%。
对12个不同层数组合的轻木-混凝土上下混合结构进行有限元模拟分析，通过振动模态、非线性动力时程响应以及刚度比等的参数分析，研究了上部木结构的水平地震作用的放大效应。研究结果表明，上部木结构的水平地震作用放大效应与地震水准、下部结构与上部结构的刚度比、混凝土结构层数和木结构层数等因素有关：放大效应随地震水准的提高而增大；当下部与上部结构的刚度比在一定范围内时，放大效应随刚度比的增大而减小，当下部与上部结构的刚度比大于一定范围的上限后趋于平稳；当下部混凝土层数一定时，放大效应随上部木结构层数的增加而减小；当上部木结构层数一定时，放大效应随下部混凝土层数的增加而增大。根据研究结果，对轻木混凝土上下混合结构提出上下分开设计、上部结构按刚度比考虑地震作用放大效应的抗震设计方法。
自复位防屈曲支撑构件在拟静力试验中表现出良好的复位性能及耗能能力。但是，自复位防屈曲支撑钢框架中支撑与主体结构的刚度关系，以及结构中的复位系统与耗能系统的关系如何合理设置，都需要借助结构试验或参数分析来解决。根据我国现行规范设计了钢框架结构，在构件试验研究及理论分析基础上给出了自复位防屈曲支撑钢框架结构的三线性恢复力模型，并用有限元软件ANSYS建立结构模型。根据此模型对防屈曲支撑钢框架和自复位防屈曲支撑钢框架结构进行了抗震性能对比。通过自复位防屈曲支撑动力位移反应分析，研究了支撑与结构刚度比αB/M，结构耗能系统与复位系统的屈服力比β及其刚度比αc三个重要参数。结果表明：自复位防屈曲支撑钢框架结构最大位移及残余位移角均小于防屈曲支撑钢框架结构的。结构刚度比αB/M越大越有利于减少残余变形；屈服力比β越大结构位移响应越小；刚度比αc越大结构位移响应越小。在初始设计时，建议钢框架结构的αB/M取为3；β取0.5~0.9；αc取为0.5。
超高层建筑对水平荷载（风荷载和地震作用）具有较高的敏感性，合理的抗侧力体系对超高层建筑结构的经济性、安全性以及材料使用效率等影响重大。以北京在建的某超高层建筑设计初期所采用的半高和全高支撑两个方案为研究对象，利用MSC.Marc建立了两个方案的有限元分析模型，并进行了工程量、弹塑性时程和倒塌分析。通过工程量统计，对比分析两个方案主体结构材料总用量以及各类构件材料用量差异；通过弹塑性时程分析和倒塌分析，研究两个方案在不同地震水准下的结构响应和抗倒塌能力。结果表明：该工程的两个结构方案都能满足规范规定的抗震性能需求，全高支撑方案具有更好的经济性，比半高支撑方案节省总材料用量约11%，且抗地震倒塌安全储备提高了约14.8%。
在使用规范反应谱时常将绝对加速度谱、拟加速度谱、伪加速度谱概念等同或者混乱使用，尤其对于大阻尼比且长周期的结构，采用“拟谱关系”能够获得相应谱的谱值却换算不了相应谱的频谱特性。也有认为利用“拟谱关系” 所导出的相对位移谱不符合结构动力学原理及强震反应谱统计特征。基于此，对我国现行抗震规范地震反应谱所涉及到的绝对加速度反应谱、伪加速度反应谱和拟反应谱等作了较为详细的对比，重点阐明了伪谱与拟谱，绝对加速度谱与伪加速度谱在概念上的区别与联系。鉴于我国现行《建筑抗震设计规范》反应谱是由绝对加速度反应谱标定，利用“拟谱关系”仅是一种数值近似手段，并不具有频谱特性的转换功能，分析了绝对加速度反应谱和伪加速度反应谱在抗震设计过程中的差异。基于绝对加速度反应谱进行标定的规范反应谱，总结了其在目前建筑结构抗震设计中所存在的问题，尤其是在针对超高层结构消能减震结构分析中存在不足：长周期且大阻尼比结构所受设计地震作用与其弹性内力相比明显偏大，设计偏保守；用“拟谱关系”所得换算谱的频谱特性混乱且用于设计缺乏可靠性验证。为此，提出了应分类构建反应谱的建议。
为研究铅-磁流变阻尼器对高层RC框架结构的减震效果，基于框架结构的弹塑性杆模型，采用数值模拟方法对未装和安装铅-磁流变阻尼器的高层RC框架结构（12层）进行了非线性动力分析。结果表明：在El Centro波、Taft波和人工波作用下，有控结构顶层边节点的最大水平位移比未控结构分别减小47.9%、40.8%和40.8%，有控结构顶层边节点的最大水平加速度与未控结构相差不大；与未控结构相比，铅-磁流变阻尼器受控结构各层的最大水平位移均明显减小，各层的最大水平加速度变化不大；在El Centro波作用下，未控结构的屈服点分布在2~5层柱端，有控结构没有屈服点，在Taft波作用下，未控结构屈服点分布在2~4层梁端和1~8层柱端，有控结构仅在2~6层柱端有屈服点，在人工波作用下，未控结构的屈服点分布在2~3层梁端和2~6层柱端，有控结构仅在2~5层柱端有屈服点，说明铅-磁流变阻尼器可以控制高层RC结构的损伤发展过程、延缓结构的整体倒塌。
进行了4组不同含钢量的钢筋-沥青复合隔震层的低周反复荷载试验，研究了钢筋-沥青复合隔震层钢筋竖向和水平力-位移关系，同时研究了钢筋-沥青复合隔震层竖向和水平内力重分布情况。试验结果表明：钢筋-沥青复合隔震层中钢筋和砖墩的受力与水平位移之间是非线性关系。在竖直方向，钢筋-沥青复合隔震层的破坏过程分为前期竖向钢筋受压，中期竖向钢筋受拉、砖墩受压和后期砖墩压坏三个阶段。在水平方向，钢筋-沥青复合隔震层的受力过程也分为前期钢筋受力从零开始缓慢增长，中期钢筋受力快速增长和后期钢筋受力下降三个阶段。基于试验结果，对钢筋-沥青复合隔震层钢筋竖向和水平力-位移曲线进行了分析，同时对钢筋-沥青复合隔震层竖向和水平内力重分布后力-位移曲线进行了分析，结果表明，荷载在钢筋和砖墩之间的重分布对隔震层的力-位移曲线有决定性影响。
综述了传统疲劳研究方法及其存在问题，介绍了基于压磁效应的疲劳研究方法及其优势，并将其应用于钢筋混凝土的疲劳研究中，提出了一种新型的钢筋混凝土疲劳研究方法。该方法通过建立适用于钢筋和钢筋混凝土界面的力-磁关系模型，记录分析钢筋混凝土构件疲劳的压磁场演变过程和疲劳失效机理，建立疲劳失效准则从而预测疲劳寿命。最后，通过试验证明了疲劳压磁方法应用于钢筋混凝土疲劳研究的有效性和优势：压磁信号对疲劳反应敏感，其滞回曲线可以反映出更多的疲劳信息；且磁力仪探头布置在混凝土梁表面附近，可作为无损检测或监测的手段，也可跟踪钢筋混凝土梁的疲劳损伤状态，为判断钢筋混凝土梁的健康状态提供更为直观的依据。
根据搭设方式和受力特点将建筑施工临时支撑结构分为框架式支撑结构、桁架式支撑结构、混合式支撑结构及特殊支撑结构，框架式支撑结构又可分为无剪刀撑框架式支撑结构和有剪刀撑框架式支撑结构。确定了各类支撑结构的计算单元，提出了基于整体三维结构分析、考虑节点半刚性和水平杆连续性的简化计算模型，推导了相应的稳定方程。得到了框架式支撑结构的计算长度系数计算式，以及考虑扫地杆高度、顶托高度和支撑结构高度等影响因素的修正系数，给出了桁架式支撑结构整体失稳和局部失稳的计算方法。建立了扣件式、碗扣式或承插式等不同构配件搭设的临时支撑结构稳定性分析的统一理论，为JGJ 300—2013《建筑施工临时支撑结构技术规范》的编制提供参考。
利用三折线半刚性节点模型，结合碗扣式脚手架竖向承载力足尺试验，对碗扣式脚手架的竖向失稳问题进行了有限元模拟、结果对比和性能分析。模拟中重点考虑碗扣节点的材料非线性和构件的初始几何非线性。结果表明，三折线半刚性节点模型精度可靠，适用于碗扣式脚手架的精细化数值模拟。此外，对影响碗扣式脚手架受力性能的因素进行了研究，包括底端边界条件、碗扣式半刚性节点初始刚度和伸长段长度。研究发现：以上因素对碗扣式脚手架受力性能有不同程度影响，中间立杆离地对承载力影响较大，承载力随碗扣节点初始刚度增大而增大并呈现三段式变化，承载力随伸长段长度增大而减小并呈现两段变化。
通过对内置加强板的空间DKYY型圆钢管相贯节点的足尺试验和有限元模拟，分析节点应力和变形的发展过程。结果表明：节点在1.3倍设计荷载作用下保持弹性工作状态，具有较高的安全度，可以满足设计承载力需求，有限元分析较好地模拟了加载试验过程，有效弥补了节点试验测点较少的不足，可用于节点受力性能的全面评估。另外，选取较小的主管径厚比和内置加劲板可提高其径向刚度，确保节点破坏时主管处于弹性工作状态；支管加劲板对支管的弹性刚度没有影响，对其承载能力的影响不大，但可以减小支管的径向变形，局部改变支管的应力分布。该节点的构造设计是合理的，其在设计荷载作用下的受力是安全的。
运用二维和三维有限元分析模型对高层建筑河岸边坡场地进行了动力弹塑性时程分析，评价三水准地震作用下场地的地震稳定性。评价指标包括：震陷、滑移、边坡的稳定系数和支护桩的内力。以某超高层建筑群所在场地为例，取两个典型剖面进行分析，考虑场地荷载工况包括工程未建时的自由场地、工程建成但对场地未采取任何加固措施以及采取支护桩加固措施等。各项评价指标的分析结果表明，当超高层建筑群所在场地距河岸较近时，地震作用下边坡很容易失稳，采取支护桩加固措施可以有效提高场地的地震稳定性。
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