ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
通过弹塑性动力分析，对超高层建筑结构的benchmark模型在地震作用下的破坏机理与损伤分布进行研究。该模型的总高度为606.1m，采用巨型框架-核心筒-伸臂桁架钢-混凝土混合结构体系。利用PERFORM-3D软件建立了整体结构的非线性数值分析模型，对其进行弹塑性时程分析，研究结构在多遇、设防、罕遇地震与超罕遇地震作用下的地震反应和结构的破坏过程。分析结果表明：结构的抗震性能良好，在9度罕遇地震输入下结构未发生倒塌；结构的损伤主要集中在4～8区加强层的相近楼层，并随输入地震动强度的增强逐渐向各区中部开展；各类构件在不同水准地震作用下依次进入塑性状态，实现了结构多道防线的抗震设防目的。
基于混凝土材料本构模型，结合精细化结构单元模型和高效稳定的数值算法，实现了混凝土结构的动力倒塌全过程分析。对建模方法、结构分析方法、材料与构件失效准则等进行了简要介绍。以某钢筋混凝土框架-剪力墙结构为例，分别采用混凝土弹-脆性本构模型、弹塑性本构模型和随机损伤本构模型进行了结构地震倒塌全过程分析。结果表明：混凝土本构模型对结构倒塌分析具有重要的基础地位，本构模型选取不当，将给出错误的倒塌模式或分析结果；混凝土随机损伤本构模型能够准确地预测结构的强非线性行为，可用于复杂混凝土结构倒塌全过程的模拟。
在增量动力分析的基础上，结合地震易损性分析，提出了基于增量动力分析的超高层混合结构地震易损性分析方法，该方法可以从概率角度定量评估该类工程结构的抗震性能。以设计的某50层超高层混合结构为算例，采用上述方法对该结构进行地震易损性分析，依据指定不同强度地震作用下各极限状态的结构地震易损性概率，评定该结构的抗震性能。结果表明：该超高层混合结构在7度多遇地震作用下，处于正常使用和基本可使用状态；在7度设防地震作用下，处于基本可使用和修复后使用状态；在7度罕遇地震作用下，处于修复后使用和生命安全状态。该结构基本满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震要求，具有良好的抗震性能。
为研究倒塌概率对非倒塌极限状态的影响，提出了考虑倒塌概率修正的结构地震易损性分析方法。基于全概率定理，将结构极限状态划分为倒塌状态和非倒塌状态两类，若结构发生倒塌则认为结构发生非倒塌极限状态破坏的概率为100%。考虑倒塌概率修正的地震易损性分析方法包含直接方法和间接方法，其中，直接方法是直接对传统地震易损性函数进行修正，而间接方法仅修正地震易损性函数中的概率地震需求参数。以4榀不同高度不同设防烈度的钢筋混凝土平面框架结构作为研究对象，选择100条实际地震动记录作为输入，分别采用直接方法和间接方法开展考虑倒塌概率修正的地震易损性分析。结果表明：倒塌概率对轻微破坏和中等破坏极限状态的影响较小，而对严重破坏极限状态的影响较大；在地震动强度较小时，两种方法对地震易损性的修正结果相差较小；随着地震动强度的提高，两种方法对地震易损性修正结果的差距逐渐增大。
以某钢筋混凝土框架结构工程实例为研究对象，选取与场地条件相匹配的地震动作为激励，在SAP2000程序中计算了该结构在多遇和罕遇地震作用下的非线性动力反应，并在框架结构模型中分别设置屈曲约束支撑和黏滞阻尼器。通过试算确定消能减震装置的参数，使得两种消能减震结构在多遇地震作用下的位移减震率均为40%。在此条件下，对比分析了结构的层间位移角、楼层加速度、基底剪力、柱轴力、塑性铰分布和各层阻尼器的工作状态。分析表明：在多遇地震作用下，屈曲约束支撑增大了结构的加速度响应，而黏滞阻尼器能够减小结构的加速度响应；在罕遇地震作用下，二者均能有效控制楼层的加速度响应，而屈曲约束支撑的位移减震效果更好，但黏滞阻尼器对框架柱内力的减少效果更为显著。
为了简化基于能量平衡的推覆分析，考虑高阶模态影响同时提高计算效率，提出了组合法和包络法。组合法采用将推覆分析解与高阶弹性解模态组合的方式，而包络法则将推覆分析解与整体弹性解进行包络处理。选取典型地震动，对9层和20层平面偏心结构进行响应分析，并与非线性时程分析、仅考虑基本模态的基于能量平衡推覆分析结果进行比较。结果表明：组合法和包络法能较好考虑高阶模态的影响，对扭转刚性、扭转柔性结构模型，组合法和包络法对质心处的位移响应预测较好，包络法在刚性边界处的位移响应预测较准而组合法在柔性边界处的位移响应预测较准，组合法对底层位移响应的预测普遍高于包络法，两方法对9层结构的响应预测比20层更准确。
采用性能裕度比作为评估结构抗震性能的指标，该指标通过计算地震易损性中位值与多遇地震、设防地震和罕遇地震强度的比值来评估结构的抗震性能裕度。选择4种考虑不同抗震设防水平的5层3跨钢筋混凝土平面框架结构作为研究对象，通过易损性分析，计算得到结构的性能裕度比。研究结果表明：随着结构抗震设防水平的提高，结构的地震易损性中位值和结构所对应的多遇地震、设防地震和罕遇地震的强度随之增加。然而，由于前者的增加幅度要小于后者的，因此，结构的性能裕度比随其抗震设防水平的提高而降低；在设防地震和罕遇地震作用下，结构具有足够的性能裕度以满足“中震可修”和“大震不倒”的性能要求；抗震设防水平的提高会使结构不满足“小震不坏”的性能要求。
以拟力法中的弹塑性分解思路和纤维梁理论为基础，将梁单元的截面变形分解为弹性变形和塑性变形，并引入塑性自由度，在材料层面建立了基于拟力法的纤维梁有限元非线性分析方法。该方法可以保持结构整体刚度矩阵不变，其非线性状态通过局部塑性矩阵加以体现，在迭代计算时避免了结构整体刚度矩阵的实时更新与分解，且塑性矩阵相比于结构整体刚度矩阵规模小，提高了计算效率。通过数值算例，将文中方法与采用有限元软件ABAQUS的分析结果进行对比，两者吻合较好，证明了该方法的有效性。
为模拟钢筋混凝土柱在轴力、剪力和弯矩耦合作用下的非线性滞回特性，利用显式中心差分法，建立一种基于显式算法的弯剪纤维单元模型，并引入到结构精细化模拟分析（RSAPS）平台中。该模型基于Timoshenko梁理论，材料模型选用基于修正斜压场理论（MCFT）的二维钢筋混凝土本构模型。应用RSAPS平台分别模拟往复荷载作用下发生弯曲、弯剪和剪切破坏的钢筋混凝土柱的滞回性能，并将分析结果与试验和未考虑剪切变形的纤维单元模型模拟结果进行对比。结果表明：对于发生弯曲破坏的构件，由于剪切变形较小，未考虑剪切变形的纤维单元和弯剪纤维单元均可以较好地模拟构件的滞回性能；而对于发生弯剪破坏和剪切破坏的构件，采用未考虑剪切变形的纤维单元模型，会高估构件的初始刚度和耗能能力，也会高估其受剪承载力；而所提出的弯剪纤维单元模型能较好地模拟构件的刚度和承载力退化，同时，也能较好地模拟滞回曲线中的捏缩现象，模拟结果与试验结果吻合较好。
钢筋混凝土结构在地震作用下会产生应变率效应，受该效应影响，结构的抗震性能将产生变化。因此，在对钢筋混凝土结构进行抗震性能分析及设计时应考虑应变率效应的影响。对国内外已有研究的钢筋混凝土构件在不同加载速率下的相关试验进行力学模型等效和试验数据处理，分析了钢筋混凝土构件在不同加载速率下力学性能的一般变化趋势，并以此为基础建立了钢筋混凝土构件动力加载试验数据库，该数据库界面友好、检索方便，包含了钢筋混凝土梁、柱、节点和剪力墙构件的数据。
选择合适的地震动强度参数可减小其与结构响应相关分析结果的离散性。以Kiewitt-8型单层球面网壳结构为研究对象，对算例结构进行谐响应分析，确定结构三个方向的敏感频率；提出基于三向敏感频率的地震动强度参数加速度谱Sa,3d。采用有限元软件ABAQUS对算例结构进行三向地震动作用下的增量动力分析，并对分析结果进行统计分析，从相关性和有效性两个方面对Sa,3d进行评价。结果表明：Sa,3d与单层球面网壳结构的地震响应具有更好的相关性，且具有较好的有效性，建议对单层球面网壳结构，采用Sa,3d 作为地震动强度参数进行增量动力分析。
为准确分析超大跨网壳结构的地震响应，评估结构的抗震性能，采用时程分析法，分析了地震动空间相干性和行波效应、土-结构相互作用以及材料损伤累积效应等多因素对跨度800 m超大跨网壳结构的影响。结果表明：各因素对超大跨网壳结构的抗震性能均有影响；通过对比多点输入和一致输入下结构的地震响应，发现多点输入增大了结构周边杆件的内力，结构中心位置的杆件内力有减小的趋势，这也使结构的失效从其周边位置提前开展，改变了结构的破坏模式，严重削弱了结构的抗震能力；土-结构相互作用和材料损伤累积均会不同程度地增大结构的地震响应，其中土-结构相互作用放大了结构的地震动响应，而材料损伤累积效应在地震动强度较高时结构的地震动响应显著增大。
采用力-位移混合控制方法，提出了考虑倾覆力矩的子结构混合模拟试验方法。采用ANSYS有限元软件，进行了不同的加载分布方式、试验子结构刚度发生变化、不同梁柱线刚度比以及不同结构层数等情况下的数值模拟，初步验证所提方法的可行性。以6层钢框架模型为例，实现了考虑倾覆力矩情况下的子结构混合模拟试验。试验结果表明：不考虑界面倾覆力矩，将改变结构在地震作用下的内力分布和破坏模式，不能真实地反映结构在地震作用下的力学性能。
通过在约束边缘构件位置和截面中部设置多根钢管，形成了一组不同钢管布置形式的钢管高强混凝土组合剪力墙。通过对8片剪跨比为2.08的剪力墙试件在高轴压比（0.40~0.62）下的低周往复加载试验，研究其破坏形态、承载力、变形能力、滞回性能等。试验结果表明：试件的破坏形态为压弯作用下的受弯破坏，墙体根部混凝土压溃范围为整个试件宽度和300~400mm高度，钢管与混凝土之间没有出现明显的黏结滑移；在峰值荷载前，试件的截面应变分布基本符合平截面假定；与钢筋混凝土剪力墙相比，设置钢管后在轴向压力最大增加19%的情况下，受弯承载力提高了21%~43%，试件的屈服位移角达到1/300，峰值荷载时位移角不低于1/100，极限位移角达到1/75，个别试件接近1/40，变形能力提高了约30%，试件的滞回性能明显改善，表明所设计的钢管高强混凝土剪力墙具有良好的抗震性能和抗倒塌能力。
为提高材料利用率与剪力墙的抗震性能，提出一种菱形孔平面钢板剪力墙，给出了简化分析模型，推导了钢板墙中蝶形带的承载力、柔度以及钢板墙整体初始弹性刚度的理论公式，并通过数值分析验证了理论公式的有效性。以开孔尺寸作为主要参数，对开孔钢板墙进行了非线性有限元模拟。结果表明：当开孔宽度适中时，开菱形孔钢板墙与带竖缝钢板墙的承载力相差较小；蝶形带存在三种平面内破坏模式，即弯曲、整体弯剪、局部剪切；当参数h/a、h/b、h/H、h/t（h为开孔高度，a为蝶形带中间截面宽度，b为开孔宽度，H为钢板高度，t为钢板厚度）分别减小时，承载力和弹性刚度都有不同程度的增大；h/a较大时，钢板剪力墙的滞回曲线较饱满，等效黏滞阻尼比较大；减小h/t会显著提高其承载力，但延性变差。
异形截面多腔钢管混凝土柱截面形状不规则，受力复杂，其承载力不能按常规钢管混凝土柱计算方法计算。基于已有的6个两类截面的异形截面多腔钢管混凝土巨型柱轴压承载力试验结果，在分析评价国内外规范或规程承载力计算方法基础上，对异形截面多腔钢管混凝土柱轴压承载力计算方法进行研究。结果表明：相关规范或规程中按非圆形截面钢管混凝土柱计算公式所得轴压承载力大多低于试验值，偏于安全；基于Mander约束混凝土模型，将混凝土划分为有效和非有效约束区，提出了考虑折减约束效应的承载力计算式，计算所得承载力值略高于实测值，但相对差值在5%以内。
为研究桥梁群桩基础的大质量承台和外露桩基对桩-土动力相互作用效应的影响，分别对低承台（与土接触）和高承台群桩基础进行了离心振动台模型试验。试验中地基土采用了黏质粉土，上部结构简化为质点和杆构件，基础形式包括单桩和群桩。为模拟地震剪切波作用下土层运动效应，采用叠环式层状剪切箱实现土体的层状自由剪切，箱内壁设置橡胶膜以消除边界反射效应。在加速度为5.0g的离心环境中，选取Chi-Chi地震波作为基底激励输入，在不同输入峰值加速度下，分析了结构-群桩基础的地震响应。试验结果表明：与低承台群桩基础相比，高承台形成的群桩外露会增加上部结构和承台的惯性效应，改变桩身峰值弯矩的分布，表现为承台与桩接触处的桩身峰值弯矩下降，但桩身最大峰值弯矩改变较小。
预压弹簧自恢复耗能支撑由内管、外管、摩擦耗能装置及组合碟簧自复位装置组成，对其受力性能进行分析，并建立了描述该支撑滞回特性的恢复力预测模型。通过对预压弹簧自恢复耗能支撑的低周往复加载试验，研究其滞回特性、自恢复性能及耗能能力，并与建立的预测模型进行了对比分析。结果表明：预压弹簧自恢复耗能支撑具有稳定的“旗形”滞回曲线，耗能能力随摩擦耗能装置提供摩擦力的增大而增大，且碟簧间及碟簧与内管间摩擦可为支撑提供一定耗能能力；当碟簧预压力能够克服摩擦耗能装置提供的摩擦力时，支撑具有更好的自恢复性能。所建立的恢复力预测模型与试验的滞回曲线吻合较好，能够有效地反映支撑的实际受力情况。
形状记忆合金橡胶是一种具有复杂多孔结构的隔振和减振阻尼材料，根据其微观结构进行层状分解，结合试块压缩刚度非线性特征得到其力学本构模型。通过引入微曲梁接触对单元，建立模型物理量与材料细观及工艺参数之间的关系，得到形状记忆合金橡胶基本单元的接触刚度；由试件非线性刚度分析得到加载、卸载过程中材料内部微曲梁接触点数量的变化，进而建立形状记忆合金橡胶层状压缩本构模型。结果表明：该模型可以考虑形状记忆合金橡胶的材料参数、加工工艺参数以及加、卸载过程中静摩擦力和滑动摩擦力的影响，更接近形状记忆合金橡胶内部微弹簧线匝的受力状态；参数分析结果表明，形状记忆合金橡胶的弹性模量随着名义密度、形状记忆合金丝直径和摩擦系数的增大而提高。
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