ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
作为绿色装配化建材，木材在建筑业中的应用与发展越来越受到重视，木材也不再仅局限于三层以下的低矮建筑，近10年来北美、欧洲各国都开始研究用木材建造多高层建筑，或与其他材料混合建造多高层木混合结构。目前多高层木及木混合结构的主要研究进展包括：新型结构体系构建及新型工程木材料应用，大型足尺振动台试验及其结构动力响应、抗震性能评估、可靠度分析，抗火性能试验及其分析，新型结构设计方法和工程案例研究。已有研究结果表明：只要进行合理的结构分析和设计、采用适当措施，多高层木结构及木与其他材料混合的结构均具有较好的承载能力和抗震、抗火性能，可以保证结构安全可靠。基于研究成果，加拿大规范已允许木结构建到6层（18m高），英国、澳大利亚和挪威已陆续建起了9、10层和14层的木混合结构，奥地利将于2017年建成75%采用木材的24层木混合结构，德国、加拿大、美国等学者提出了建设30层以上木混合结构的方案。
GB 50005—2003《木结构设计规范》中轴心受压木构件稳定系数的计算方法和计算公式仅适用于方木或原木制作的构件，不适用于层板胶合木、进口锯材等经应力分级的现代木产品制作的构件。鉴于此，对各国木结构设计规范中稳定系数的计算方法进行比较分析，在继承我国传统计算方法和特点的基础上，结合现代木产品的特点提出新的适用于各类木产品构件的稳定系数统一算式。通过回归分析确定稳定系数算式中所含各系数对应不同木产品的值，使稳定系数的计算偏差基本控制在10%以内。对云杉-松-冷杉（SPF）规格材轴心受压构件进行稳定荷载试验研究和构件的随机有限元分析，所得稳定系数的随机有限元分析结果与试验结果、回归分析结果吻合良好，验证了所建议的稳定系数计算式的正确性和适用性。所提出的受压木构件的稳定系数统一算式保持了我国设计计算方法的延续性，并能满足木结构设计的需要。
采用有限元软件ABAQUS建立了钢插板胶合木预应力套管螺栓连接梁柱节点的三维有限元模型，分析了节点的受弯特性，并通过与试验结果的对比验证了模型的合理性。有限元分析结果表明，套管梁柱节点摩擦阶段的抗弯刚度较传统节点的有明显提升，基于分析结果，对钢管与钢板摩擦力、钢管外径和壁厚、高强螺栓直径和等级、木材强度和厚度等参数对套管节点抗滑移刚度的影响进行了进一步分析。依据分析结果，建议高强螺栓的预拉力值介于规定值的100%~110%之间，钢管与钢板间摩擦系数不小于0.3，钢管径厚比的合理取值范围为6~10，相应的初始应力比在0.4~0.6之间。研究成果可为胶合木构件套管螺栓连接节点的设计提供参考。
胶合木梁的疲劳极限荷载远低于静力极限荷载而易于破坏，通过落叶松胶合木梁的等幅疲劳试验及静力对比试验，分析了落叶松胶合木梁疲劳破坏形态与破坏机理，并研究了其疲劳特性，探讨了弯曲刚度退化规律。结果表明：落叶松胶合木梁的疲劳损伤从受压侧展开，受压侧塑性区高度随循环次数增加而逐渐向受拉侧扩展，最后因试件承载力降低而发生受拉破坏或顺纹剪切破坏；随着疲劳循环次数的增加，疲劳试验梁跨中挠度及拉、压应变逐渐增大，且压应变增幅大于拉应变，但其截面应变分布仍符合平截面假定；经疲劳荷载作用后，梁的弯曲刚度逐渐降低，基本呈线性退化，应力水平越高，其刚度退化越明显，并得出了不同应力水平下落叶松胶合木梁的刚度退化方程；落叶松胶合木梁的疲劳寿命随应力水平的提高而降低，在应力比为0.2，应力水平为0.55倍静力极限荷载时，疲劳极限超过200万次，满足构件有限寿命疲劳设计的要求，说明胶合木梁具有较好的疲劳特性。此外，通过对试验数据进行线性回归分析，初步得出了落叶松胶合木梁的S-N曲线数学表达式。
在保证计算精度前提下，为降低抗震性能计算的有限元分析费用，采用通用有限元软件ANSYS建立了古代木结构非线性有限元模型。深入探讨了利用多尺度建模方法解决古代木结构抗震计算问题。为实现宏观结构模型和局部微观模型界面的变形协调，采用了多点约束法，将榫卯节点域作为关键区域用实体单元进行精细尺度建模，对梁柱构件非关键区域则采用梁单元进行建模。基于木框架和直榫节点拟静力试验数据，对比了多尺度模型和实体单元模型在破坏模态和滞回曲线的异同点，验证了该界面连接方法的有效性。基于多尺度建模方法，选取某在役期内的古代木结构边跨框架进行弹塑性动力时程分析，并比较了实体单元模型和多尺度模型的地震响应及计算效率。结果表明：多尺度有限元模型能很好地模拟古代木结构的边界条件以及整体结构的动力响应，同时还可大幅提高计算效率，能够在计算精度和计算效率之间寻找到一个平衡点，为古代木结构抗震分析提供有力的技术支持。
为研究在关键部位采用聚乙烯醇纤维增强混凝土材料的结构的地震反应，利用Perform-3D软件对一栋10层的框架剪力墙结构进行单向罕遇地震（50年超越概率2%）作用下的非线性动力时程反应分析。结果表明，随着结构地震损伤程度的增加，纤维增强混凝土的优良性能发挥更加充分，对结构的抗震性能改善作用也更加明显；结构基本周期对应的加速度反应谱强度Sa(T1)能较好地反映结构的损伤程度，适合作为地震动强度衡量指标。依据FEMA P695建议的增量动力分析方法，对22对地震动记录进行标准化处理和调幅，并通过结构地震易损性函数，给出结构在不同强度地震作用下达到“防止倒塌”极限状态的失效概率。对于框架-剪力墙结构，建议可采用墙肢塑性铰转角作为其“防止倒塌”极限状态地震易损性分析的结构反应参数。
钢筋混凝土（RC）框架结构因竖向构件抗侧能力不足而引起的水平向连续倒塌模式会引起破坏在更大的范围内传播，目前国内外关于RC框架结构水平向连续倒塌的研究有待深入。试验中设计了一榀非对称的单层RC平面框架，对其进行静力倒塌试验，分析了该框架在局部竖向构件失效后的水平向连续倒塌的受力机理和倒塌抗力。结果表明：RC框架在水平向连续倒塌的最终破坏形式为梁端和柱底发生塑性破坏、框架形成机构；柱对梁板水平约束的不足导致梁板在压拱机制下发生了较大的竖向位移，使得梁板内压力对该阶段的框架倒塌抗力贡献降低；梁板在悬链线机制下的倒塌抗力受柱提供的水平约束的刚度和承载力的影响，当约束不足时框架倒塌抗力随竖向位移的增大不断下降，这与既有竖向倒塌试验结果相反。
通过6个不同冻融循环次数和轴压比的RC框架中节点梁柱组合体试件的低周反复加载试验，研究冻融循环次数和轴压比变化对节点核心区和梁柱组合体破坏模式、水平承载力、变形及耗能能力等抗震性能指标的影响。结果表明：随着冻融循环次数的增加，混凝土力学性能劣化，贯穿节点的梁端纵筋与混凝土之间的黏结强度显著退化，使得通过“斜压杆机构”与“桁架机构”传入节点核心区的剪力比例发生变化，导致低周反复荷载作用下节点核心区破坏模式发生转变，承载力降低，组合体耗能能力下降，延性稍有增大；当剪压比较大时，轴压比的增大使经冻融循环后的节点承载力降低，延性和耗能能力均出现不同程度的下降；冻融循环次数增加，由节点核心区剪切变形引起的柱顶水平位移在总柱顶水平位移中所占的比例增大。
装配整体式预应力混凝土框架中节点由预制柱、预应力T形叠合梁和现浇节点核心区组成，其中，预应力T形叠合梁采用穿过节点核心区的后张预应力筋（全黏结和部分黏结）。对2个高轴压比（0.68）装配整体式预应力混凝土框架中节点和1个现浇对比中节点足尺模型进行了低周反复荷载试验。试验结果表明：试件均发生梁端弯曲破坏，柱纵筋和核心区箍筋未屈服；试件滞回曲线均较饱满，表现出较好的耗能能力；3个试件的刚度退化规律基本一致，残余变形较小，变形恢复能力良好；与现浇对比中节点试件和全黏结预应力中节点试件相比，部分黏结预应力中节点试件的承载力分别高6%和1.5%，位移延性系数分别高11.8%和17.6%。
为研究无界面钢筋的叠合板式剪力墙的受力性能，进行了3个试件的拟静力试验，分析了预制混凝土板与现浇层之间的结合面特征，以及边缘纵筋配筋量对墙体压弯承载力、滞回特性、延性及刚度的影响。结果表明：叠合板式剪力墙变形能力良好，位移延性系数超过6.5；预制混凝土板面采用键槽构造措施或粗糙面均能保证后浇与预制混凝土的有效连接，在正常使用阶段，后浇与预制混凝土结合面未出现损伤，相同边缘纵筋的墙体压弯承载力基本相同；采用键槽的连接性能优于粗糙面连接性能，前者后浇与预制混凝土间裂缝的开展宽度和长度明显小于后者，且墙体刚度退化速率减缓；提高墙体的边缘纵筋配筋量可延缓后浇与预制混凝土结合面竖向裂缝的发展，减小结合面破坏区域，改善墙体的受力性能。采用现行规范中的剪力墙压弯承载力计算公式计算叠合板式剪力墙的承载力，与试验结果吻合良好。
为研究掺入短切纤维的纤维编织网增强混凝土(简称TRC)薄板的受弯承载能力及裂缝开展，对其进行了四点弯曲试验，对比分析了TRC薄板纤维编织网浸胶的处理、水灰比、短切纤维种类和掺量，以及钢纤维长径比等因素的影响。在此基础上，采用环境扫描电镜及能谱仪对短切纤维与纤维编织网在混凝土基体中的微观形貌进行观察。研究结果表明：对浸胶处理的TRC薄板、掺入碳纤维和聚丙烯纤维的试件的承载力提高幅度分别为16%和32%；掺入钢纤维并未提高薄板的承载力。未浸胶处理的TRC薄板，掺入短切碳纤维、钢纤维、聚丙烯纤维和掺入短切钢纤维与聚丙烯纤维混合纤维的试件，其承载力的提高幅度分别为132%、47%、27%和86%，且钢纤维和碳纤维掺量越多，薄板开裂后刚度越大，但聚丙烯纤维的掺量不宜偏高。短切碳纤维与钢纤维均能有效减缓裂缝的扩展，但在微观裂缝处两种纤维的交联作用机理不同；掺入短切纤维可使薄板裂缝数量增多。
超高层建筑结构侧向刚度较小，风荷载作用下结构水平位移较大，重力作用则进一步加大水平位移，该现象称为风重耦合效应。横向风荷载由于作用机理的复杂性，其风重耦合效应问题关系到结构安全性。建立计入重力影响的结构动力方程，利用等效线性法，可求解横风向激励下的随机风振响应。结果表明：重力刚度比是一个决定性因素，当平均风速较小时，结构位移响应随着该参数值增长而增长；而当平均风速加大时，结构位移响应随着其增长先增大后下降。对于矩形截面的超高层建筑，当深宽比小于2时，横向风荷载与重力耦合效应先随深宽比减小而后增大。横风向的风重耦合效应作为一个重要因素必须在超高层建筑结构设计中加以考虑。
通过刚性模型风洞测压试验，对短边迎风和长边迎风时的矩形截面高层建筑表面风压特性及作用机理进行研究。对比了不同风向角下建筑表面风压分布及相关特性：短边迎风时，锥形涡是建筑侧面风压脉动的主要诱因，侧面脉动风压较大值出现在底边缘附近的瓣状区域内，该区域内风压互相关性显著；长边迎风时，旋涡脱落是导致建筑侧面风压脉动的主要因素，侧面吸力较大值集中在迎风前缘附近，且风压横向互相关性突出。基于风压时程的高阶矩，探讨了建筑表面风压非高斯脉动特性：短边迎风时，风压非高斯区位于迎风面角部、锥形涡作用区及尾流作用区；长边迎风时，非高斯区位于侧面迎风前缘附近的分离区。分析了建筑侧面脉动风压谱和风压相干性，结果表明：短边迎风时，建筑侧面风压脉动能量主要集中在低频段，风压强相干区域仅存在于迎风前缘附近；长边迎风时，旋涡脱落使得建筑侧面脉动风压谱和风压横向相干函数均在折减频率0.1处出现峰值，加之该频率所对应相位角接近0°，使得建筑侧面出现强烈且同步的风压脉动；短边迎风和长边迎风时锥形涡及旋涡脱落在建筑两侧诱导产生的风压脉动均为反相位，对结构抗风较为不利。
为减小高层建筑的风荷载，改善其抗风性能，基于等高度等体积的原则，设计了刚性基准模型、凹角模型和凹角吸气模型等三种高层建筑模型，通过对三种模型的同步测压风洞试验，研究风向角和吸气流量系数CQ对模型平均风荷载特性的影响规律。结果表明：不同风向角下，三种模型的平均风荷载特性差异较大；在0°~35°风向角范围内，凹角与凹角吸气模型均有助于减小顺风向风荷载，且0°风向角（模型表面与风向垂直）时控制效果最佳。吸气流量系数绝对值越大，吸气控制区域各表面的风压折减越显著，整体/层气动力折减效果越好。当CQ=-0.035 7时，整体气动力系数折减最大达62%，表明凹角与主动吸气控制结合具有良好的风荷载减阻效果。
在强风作用下，低矮建筑屋盖表面风压会呈现明显的非高斯特性，在计算极值风压时会产生较大误差。通过上海东海岸边的现场实测试验，对台风“梅花”作用下足尺低矮房屋屋盖表面风压的风压时程、概率密度分布、偏度与峰度以及峰值因子进行了研究，并将部分实测成果与1∶30刚性模型风洞试验结果进行对比分析。结果表明：部分区域低矮建筑屋盖表面风压时程带有大幅度的间歇脉冲，其概率密度表现为明显的非高斯分布；在风向接近的工况下，实测和风洞试验得到的偏度、峰度等值线图在趋势上基本接近，但数值上存在一定差异；经过对比发现，偏度与峰度之间的关系在实测和风洞试验中基本一致，并且受风向变化的影响较小；另外，通过现有峰值因子取值的分析，得到了99.38%保证率下非高斯风压的峰值因子，发现实际应用中峰值因子的取值偏小，应适当提高我国荷载规范对于低矮建筑峰值因子的取值。
球壳结构对风荷载比较敏感，风荷载为其主要控制荷载之一。通过风洞试验，在不同工况下对球壳结构表面进行了同步测压，研究了结构在不同工况下的风荷载分布特性和风致干扰效应。研究结果表明：天窗开启和关闭对结构外表面部分区域风压分布有明显影响，主要影响结构的背风面风压。对于结构内表面，风荷载在天窗关闭时变小，对内部结构有利。针对用于储煤的大跨球壳结构，有无煤堆对结构外表面顺向风压分布没有明显的影响，但对横风向风压分布有一定的影响。两个相邻建筑物间的相对位置对结构的风致干扰效应有一定程度的影响，周边建筑物的干扰对受扰结构不同区域的影响并不相同。
基于重复采样风洞试验和概率相关系数检验法，对具有典型参数的球面屋盖和柱面屋盖的气动力效应的不确定性进行了系统研究。着重分析了平均风压系数和脉动风压系数的概率分布特征。研究结果表明：正态分布是平均风压系数的最优分布，球面屋盖、柱面屋盖平均风压的变异系数均值分别为0.11和0.13。对数正态分布为脉动风压系数的最优概率分布，对于球面屋盖，脉动风压系数均值在来流前缘和尾流区较大，最大值出现在屋盖后缘，标准差最大值出现在屋盖左右两侧与来流约成45°的轴线上；对于柱面屋盖，脉动风压系数均值和标准差在屋盖顶部较大，最大值均出现在顶部与两侧墙体连接处。基于风洞试验结果，采用Monte Carlo方法研究了样本数量对平均风压系数抽样误差的影响，定义了与平均风压变异系数和样本数量有关的平均风压调整系数，并给出了具体取值，可为现行风洞试验提供参考。
在极值分析中，样本量不足会导致小样本效应，这将影响分析结果，需采取适当措施予以减弱。以黑龙江省83个气象台站测得的积雪数据为例，探讨了区域频率分析方法在基本雪压估算中的应用。为此，介绍了区域频率分析的具体步骤，而后采用蒙特卡洛模拟技术，以模拟计算结果的均方根误差与偏差分布情况为基准，将区域频率分析方法与两种常用方法进行了对比。模拟结果表明，区域频率分析方法能有效提高基本雪压估算结果的准确性和稳定性，当样本数量较小时，其优势更加明显。最后给出了3种不同方案估算得到的黑龙江省基本雪压分布图，发现我国规范建议的估算方法偏于保守。
为研究约束状态下早龄期混凝土的拉伸徐变性质，建立了基于水化度并考虑约束状态的早龄期混凝土拉伸徐变模型，推导出三维空间应力增量和应变增量关系式。对密闭状态下4组混凝土在不同养护温度下的自由收缩和约束应力发展进行了实测，应用实测结果推算模型参数，并验证了算法的正确性。最后用于某地下通道墙体约束应力发展的计算，并与由B3徐变模型得到的应力结果作了比较。研究结果表明：建立的基于水化程度并考虑约束状态的拉伸徐变模型较传统的B3徐变模型能够更好地体现混凝土早龄期的应力松弛效应，可用于约束状态下混凝土结构早龄期内应力发展预测，有助于对早期开裂风险进行正确评估。
在有效厚度相同的前提下设计了两种不同截面形状的混凝土试件，测量了为期181d的收缩与徐变变形，研究了截面形状对早龄期混凝土时变变形的影响。试验结果表明：现行规范中所使用的有效厚度并不能全面阐释构件的截面形状和尺寸对混凝土时变变形的影响。在相同有效厚度条件下，相对于方形截面柱，薄板的早期时变变形发展速度快，后期当混凝土内部的水分与外界环境达到平衡以后，截面形状对时变变形的影响变弱，长期来看在相同应力比条件下不同截面形状混凝土试件的时变变形基本一致。由此可知，在高层建筑结构施工过程中需重视截面形状对其竖向变形差的影响。
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