ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
在地震作用下超高层建筑核心筒底部墙体会承受较大的轴向拉力，为此采用Marc有限元软件建立钢板混凝土组合剪力墙弹塑性有限元分析模型，对钢板混凝土组合剪力墙拉弯受力状态下的抗震性能进行了深入研究。提出拉弯构件轴拉比的定义方法，考察轴拉比大小对钢板混凝土组合剪力墙抗侧刚度、滞回曲线、等效黏滞阻尼系数、位移延性系数、变形能力以及承载力的影响。在拉弯受力时，钢板混凝土组合剪力墙达到极限变形时承载力下降不明显，滞回曲线饱满，变形能力较强；轴拉比越大，承载能力越低，位移延性系数越小；当轴拉比大于0.2时，初始抗侧刚度下降50%以上。随着水平往复荷载逐渐增大，抗侧刚度不断降低。所完成的钢板混凝土组合剪力墙在低周往复荷载下的缩尺模型试验结果表明，拉弯受力破坏时，试件表面出现多条水平贯通裂缝，最终根部钢筋拉断，承载力和极限变形能力与弹塑性有限元分析结果吻合良好。钢板混凝土组合剪力墙具有良好的承载力与变形性能，是解决超高层建筑墙体在地震作用下承受轴向拉力的有效形式。
为了研究可替换连梁连接的内填混凝土双钢板混凝土联肢组合剪力墙结构的抗震性能，进行了2层半单跨1∶3缩尺试件的低周反复加载试验。试验中对连梁进行了2次替换，分析了试件在循环荷载作用下的破坏机理、滞回性能、延性、刚度退化以及耗能能力。试验结果表明：水平荷载作用下，双钢板混凝土联肢组合剪力墙的可替换连梁首先进入塑性耗能，连梁替换后结构的抗震性能基本恢复到连梁替换前的性能水平；连梁端板没有出现变形，连梁拆卸和安装方便；设计中钢柱柱脚截面可适当加大，需合理设计柱脚部位的焊缝和连接构造，避免应力集中；可替换连梁连接的组合剪力墙结构的滞回曲线比较饱满，抗震性能较好；连梁替换前后结构的骨架曲线相差很小，其抗侧刚度基本一致；结构进入塑性后，试件的承载能力降低很小；在同水平荷载作用下，连梁的剪应力最大，边柱柱脚的正应力较大，中柱、钢梁及剪力墙钢板的应力较小。
通过对6个钢管混凝土柱-钢梁全螺栓连接节点及1个栓焊节点的低周反复加载试验，研究了全螺栓连接节点的破坏模式、承载力以及延性性能。试验表明：当试件的弹塑性层间位移角达到规范限值的2.15～3.02倍时，全螺栓连接试件仅在连接板件远端处钢梁翼缘上出现较小的鼓曲变形，变形幅度远小于栓焊节点；全螺栓连接节点具有更大的塑性变形能力、更大的峰值荷载和更长的屈服平台，能够满足抗震规范位移限值要求。试验指出，全螺栓连接节点的各组件在地震作用下都能发挥耗能作用，耗能机制包括连接板和钢梁翼缘间的摩擦耗能、栓杆与孔壁挤压耗能、连接板下的钢梁翼缘塑性变形耗能以及连接板远端处钢梁塑性耗能等。全螺栓连接试件的滞回曲线包括相对平直段和上升段，分别对应连接板与钢梁翼缘的滑动摩擦阶段和螺栓孔与螺杆的接触挤压阶段。试件经过多级位移循环加载后，摩擦力衰减明显，约为屈服荷载的50%；每级位移加载后期，由于螺栓杆与孔壁产生接触作用，试件的承载力相比摩擦滑移阶段明显增大，并且随位移加载幅值的增大而增大，峰值荷载可达到屈服荷载的2~3倍。
钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能与轴压比关系密切。采用Marc有限元软件对不同轴压比的钢板混凝土组合剪力墙进行了弹塑性分析，以考察轴压比对钢板混凝土组合剪力墙的抗侧刚度、滞回性能、耗能能力、变形能力以及承载力的影响，并对其分析模型进行了试验验证。研究结果表明：钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力随轴压比变化，当轴压比为0.4时，承载力达到最大值；当轴压比在0.2～0.4范围时，钢板混凝土组合剪力墙变形能力最大，耗能能力最强；当轴压比超过0.6时，其变形能力下降，延性减小，耗能能力减弱；轴压比对钢板混凝土组合剪力墙的初始刚度有一定影响，伴随着往复加载，墙体抗侧刚度不断减小。研究中为了验证有限元分析结果的可靠性，进行了钢板混凝土组合剪力墙压弯受力缩尺模型试验。有限元数值模拟结果与缩尺模型试验结果比较接近，而按照JGJ 138—2012《组合结构设计规范》（报批稿）和纤维模型计算得到的钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力偏于保守。为了保证钢板混凝土组合剪力墙良好的抗震性能，在实际工程中构件的轴压比设计值不宜过高。
依据“大震不倒”的设防目标，按传统方法设计的钢框架结构，一旦框架梁梁端发生塑性损伤，震后将难以修复。为实现损伤后结构的快速功能恢复，提出了一种采用角钢连接的部件可更换钢梁，地震作用下钢梁的塑性累积损伤集中在连接角钢上，连接角钢与梁段采用高强度螺栓连接，地震损伤后容易更换。为此，试验中设计了3个可更换梁试件，分别对其进行了单调和滞回加载试验。试验结果表明：通过合理设计，该部件可更换梁与原型梁具有相同的弹性抗弯刚度，能控制梁的损伤部位与破坏模式；梁的荷载位移滞回曲线饱满，耗能能力较好；更换损伤的耗能角钢后，梁可以恢复原有的力学性能。
冷弯薄壁型钢结构的墙架柱与楼层梁连接构成空间受力体系，考虑柱的轴压比和楼层连接处不同构造方式，对3组共6个矩形截面镀锌钢管墙架柱与楼层梁的连接试件进行了低周往复加载试验。研究结果表明：墙架柱的轴压比从0.2增加到0.4时，规程JGJ 227—2011推荐的连接构造试件的屈服、极限和破坏荷载较角钢加强型连接构造试件均降低约20%，但对角钢加强型连接影响较小；所有连接均发生延性破坏，极限状态时墙架柱损伤很小；柱轴压比对延性、耗能能力均有一定的影响，因此将未加强的连接用于多层房屋结构时，要引起足够重视；在角钢加强型连接中，角钢厚度对连接试件的承载力影响显著，故建议对多层冷弯薄壁型钢房屋中的墙架柱与梁连接，采用厚t≥2 mm的角钢，与规程JGJ 227—2011推荐的连接方式相比，其承载力明显提高，累积耗能能力及屈服耗能能力均较强，破坏前试验所经历的荷载循环级数增加。
混合强度U形肋加劲钢板是由U形肋和被加劲板采用不同强度组合而成的，用作桥面板，可充分发挥钢材的使用效率、降低工程造价。按不同结构尺寸和不同强度组合的U形肋与被加劲板，设计制作了9个混合强度U形肋加劲钢板试件。在轴向压力作用下，试验得到了这些U形肋加劲钢板试件的破坏模式、稳定承载力以及荷载位移曲线。将试验试件截面的低强钢部分等效为具有初始压应力的等强钢构件，并考虑试件焊接残余应力分布，分析了该加劲钢板失稳破坏机理。试验结果表明，试件整体失稳有被加劲板受弯失稳和U形肋受弯失稳两种，局部屈曲或材料屈服可发生在U形肋的翼缘、U形肋的腹板和被加劲的钢板中。试件两端的转动装置是否被约束对试验结果也有较大影响，有约束情况下，在试件端部附近的U形肋会发生局部屈曲破坏；无约束的情况下，在试件中部区域的加劲肋会发生局部屈曲破坏或试件整体发生弯曲破坏。对于发生整体失稳破坏的试件，结构具有较大的延性，平均应力峰值变化较大；而发生局部失稳破坏的试件，结构破坏具有明显的脆性，其平均应力峰值基本不变。
为研究采用箱形节点域与工形柱连接的钢框架结构的抗震性能，对由工字形柱强轴与弱轴方向采用箱形节点域连接的2榀钢框架结构进行了低周反复加载试验。试验结果表明：强轴连接钢框架具有较高的承载能力及良好的滞回性能，破坏时梁端出现塑性铰；弱轴连接钢框架的承载力相对偏低，但具有优于强轴连接钢框架的变形能力，且在弹塑性变形阶段具有与强轴连接钢框架相近的耗能能力，破坏模式与强轴连接基本相同；两榀钢框架的位移延性系数在2～3之间；试验中两榀钢框架的节点域始终处于弹性工作阶段，均未发生屈服。这表明箱形节点域连接属于“强节点域”连接，达到了“强节点弱构件”的抗震要求。箱形节点域连接可以有效减小节点域的剪切变形，采用该连接进行工字形柱钢框架设计时，在抗震设计中可以忽略节点域剪切变形对层间位移的影响。
为研究C型冷弯薄壁型钢压弯构件稳定性能，特别是其畸变屈曲性能，设计了38个冷弯薄壁卷边槽钢（C型钢）绕弱轴偏心受压短柱和中长柱试件，对其进行承载力试验，分析其破坏模式、极限承载力和变形性能。研究结果表明：正偏心受压试件的破坏主要由畸变屈曲模式控制，而典型的负偏心受压试件的破坏则主要受局部屈曲控制。对于中长柱试件，破坏还包含与整体屈曲的相关屈曲特征。正偏心受压试件承载力随腹板高厚比的增加而提高，而负偏心受压试件则呈现相反的规律。将试验结果和其他已有的试验研究数据与按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和北美（加拿大）规范S 136-12计算的试件承载力进行了对比，结果表明：对于负偏心受压构件，当应力不均匀系数 ζ（截面上最小应力与最大应力的比值）趋于0并偏向负值（偏心距较大）时，随着 ζ 的减小，GB 50018—2002计算值与试验值的误差呈现逐渐增大的趋势，明显偏于不安全，当 ζ≥ -1.6时，按S 136-12对构件承载力的预估偏于安全；对于正偏心受压构件，当 ζ ≥ -0.2时，GB 50018—2002和S 136-12对构件承载力的预估在多数情况下偏于保守，但其计算值离散性较大。
定义了钢结构疲劳失效极限状态，基于已有的对钢吊车梁的研究和现场对中级工作制钢吊车梁的疲劳荷载效应实测，分析了疲劳强度和疲劳荷载效应的统计参数，应用一次二阶矩方法计算了疲劳可靠指标，研究了疲劳可靠度设计分项系数的取值。研究结果表明：钢吊车梁中12类细部构造（含应力比影响）的疲劳强度标准差取值范围在0.025 1～0.079 2之间，当等效应力幅服从对数正态分布时，等效应力幅的标准差为0.014 8。为此，建议疲劳可靠指标取值2.9，疲劳强度分项系数取值1.0，疲劳荷载效应分项系数取值1.14。
分析刚架稳定性能时，常把横梁上的荷载集中于柱顶，这对单层无侧移刚架可能产生较大误差。为推导出合乎刚架实际性能的实用设计方法，首先进行刚架的弹性稳定分析，明确失稳是渐近极值型的。由于失稳时变形过大，不应用其临界荷载来确定柱的计算长度。其次对刚架水平推力是否需要二阶分析进行探讨，结论是否定的。再次，对弱梁刚架和弱柱刚架两种典型情况进行分析，明确设计规范采用的传统设计方法可以用于这类刚架设计，只是必须考虑水平推力的影响。文中强调了把无侧移刚架分为弱梁刚架和弱柱刚架的必要性，给出刚架类型的判别式和弱梁刚架的易位计算法。
将屈曲约束钢板墙用于钢筋混凝土框架结构，提出了屈曲约束钢板墙与混凝土结构的节点连接构造。通过2个单跨两层模型结构的加载试验，研究了混凝土框架-屈曲约束钢板墙结构的抗侧力性能，包括其受力过程、破坏形态、破坏机制、抗侧刚度、屈服承载力和延性等。研究结果表明：混凝土框架-屈曲约束钢板墙结构具有良好的抗侧力性能，屈曲约束钢板墙有效提高了钢筋混凝土框架结构的抗侧刚度、屈服承载力、延性和冗余度。利用理论方法计算了结构的抗侧刚度和屈服承载力，其结果与试验值基本接近。利用有限元方法对结构的受力过程进行了模拟，与试验结果的对比表明所建立的有限元模型及分析方法基本能够模拟试验模型的受力情况，可用于该类结构的进一步参数分析。
为对比分析金属屈服型、黏滞阻尼型及摩擦型这三种不同的耗能支撑的减震效果，运用ABAQUS软件进行有限元建模，较为准确地模拟了三种支撑以及钢材的滞回行为。以一个10层钢框架结构为例，在层间位移角为1/50时支撑单周耗能相等的前提下，对设有这三种类型的耗能支撑的钢框架在罕遇地震作用下的减震效果进行了对比，得到了钢框架结构和耗能支撑在罕遇地震作用下的变形及损伤耗能规律。用逐步增量动力分析法，对结构进行了结构易损性分析。结果表明：耗能支撑的运用，可以不同程度地减小钢框架结构在地震作用下的变形和损伤，实现结构更高的抗震性能目标。综合分析研究结果表明，屈曲约束支撑和摩擦型支撑减震效果相近，黏滞阻尼支撑减震效果最好。
为了研究液化地基上超高层结构在地震作用下的动力特性和动力响应，设计了液化场地超高层结构模型，并对其进行振动台试验。分析了超高层结构的自振频率、阻尼比、振型、加速度响应、位移反应、结构顶层加速度响应组成和地基孔隙水压力。结果表明：随着加速度峰值的增大，结构的自振频率下降，阻尼比增大；由于结构刚度变化不大，结构振型曲线的形状变化不明显；结构的动力响应不仅与输入地震波的加速度峰值有关，还与地震波的频谱特性有关；结构顶层的加速度反应主要由结构弹塑性变形加速度分量组成，其次是基础转动引起的摆动加速度分量和平动加速度分量；当地震波加速度到达第1个峰值时，砂土层的超孔隙水压力存在负值。
现行抗震设计规范中关于地震动持时的规定不明确，而持时对在罕遇地震作用下结构的非线性地震响应及抗倒塌能力评估影响较大。基于规范反应谱拟合地震动持时分别为20、40、60s的人工地震波各10条，利用OpenSees分析软件建立了一钢筋混凝土框架填充墙结构教学楼的三维空间模型，以这些人工地震动为输入进行增量动力分析，得到对应于不同持时记录的结构平均增量动力分析曲线，进而分析其最大顶点位移、最大残余顶点位移和最大残余层间位移角与各地震动记录有效持时之间的相关性，给出了结构在不同持时记录以其基本周期对应的谱加速度Sa(T1) 表示的抗倒塌能力，及其与有效持时的关系和不同持时与不同Sa(T1) 相应的倒塌概率。分析结果表明：当地震动强度水平相同时，较长持时的地震动记录可使结构产生较大的层间位移角和较高的倒塌概率，并且随着有效持时的增加，结构的抗倒塌能力呈降低趋势，而位移需求并不能完全说明持时对结构倒塌发生的影响。
针对工程中采用的钢梁SRC柱框架-型钢混凝土核心筒混合结构的抗震性能进行了试验研究。设计并完成了一幢17层的1∶10模型结构，并对其进行了不同地震工况下振动台试验。分析了该结构体系固有动力特性以及在不同类型、不同强度水准的地震动输入下位移、速度、加速度响应及破坏机理；研究了布置于钢筋混凝土核心筒内的型钢框架对结构整体抗侧能力及变形性能的影响。结果表明：在不同类型、不同强度的地震动作用下，该结构体系的破坏始于型钢混凝土核心筒与外部钢梁SRC柱框架连接节点处，而后向核心筒体内部连梁发展，最终扩展到核心筒体。在核心筒体混凝土局部出现严重开裂破坏后，内置的型钢框架及外部的SRC钢梁框架仍处于弹性工作状态，表明该结构体系可实现多道防线的抗震设计目的且传力途径明确，抗震性能良好。
近断层脉冲型地震动峰值参数在不同方位上差异明显，其最强脉冲能量所对应方位上的地震动时程对结构的破坏远高于普通的地震动记录。为此，分别利用蒙特卡罗模拟和子集模拟方法研究了单自由度系统和多高层框架结构在最强脉冲能量地震动输入作用下的动力可靠度，分析了随机脉冲模型参数的变异性对不同周期结构动力可靠度的影响。研究表明：脉冲周期、峰值地面速度和脉冲波数量对结构的可靠度影响较大，在动力可靠度和基于性能抗震设计等概率分析时需考虑其变异性。而随机脉冲地震动模型其他参数对结构的动力可靠度影响较小，可取均值，不考虑其变异性。对框架结构的动力可靠度分析表明，引起框架结构发生破坏的主要因素为低频脉冲的作用，而高频成分的影响较小。
地处北纬44°04′~46°40′的哈尔滨地区冬季有6个月，但对该地区工程建设中的基坑开挖及其监测理论的研究较少，对于严寒地区跨越寒冷冬季基坑开挖技术的研究成果更是匮乏。通过对越冬施工的哈尔滨一基坑工程开挖监测的数据统计分析，归纳了坑壁变形特征并对坑壁护壁桩破损原因进行了探讨。锚杆轴力检测结果表明，基坑中间层锚杆轴力设计值偏大，具有一定的优化空间。基坑周边路面下沉，最大沉降值为8.2 mm，远小于警戒值25 mm；排桩最大水平位移为13.7 mm，远小于警戒值45 mm；锚杆轴力最大值127 kN，小于其锚杆轴力设计值。该基坑支护方案可行、整体稳定性良好。
为探究斜桩与全直桩高桩码头结构受强地震作用的损伤特点，以一典型钢管高桩码头为研究对象，并以同一建设场地为背景，在相同服役条件及地质条件下，分别建立斜桩与全直桩高桩码头结构的有限元解析模型，进行结构体系的数值模拟仿真。通过桩体截面弯矩-轴力关系曲线，分析了全直桩码头、斜桩码头两种不同结构形式受不同水平地震作用下的动力响应特性及损伤特点，为高桩码头结构的设计与选型提供合理的依据和参照。研究结果表明，在斜桩结构的内力中，斜桩的轴力起主要支配作用，可有效分担地震的作用力，在输入地震动为350 gal时，考虑到结构的水平位移满足设计要求等因素，斜桩结构在抗震性能方面要稍优于直桩结构，在输入地震动为1 000 gal时，两种结构均发生了塑性破坏，通过塑性损伤开展以及对于地震能量的吸收与耗散的对比分析，得到全直桩结构具有优于斜桩结构的抗震性能的结论。
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