ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
传统钢结构节点通常按刚性节点理念进行设计，其实际抗震性能可能达不到设计预期。梁端削弱型梁柱节点虽然能够初步实现“强柱弱梁”，但在削弱区会产生局部屈曲，在强震作用下安全储备不足。基于可恢复功能结构理念，提出采用低屈服点钢材对梁翼缘和腹板的削弱处进行填补，使低屈服点钢材在地震中率先屈服并充分耗能，以降低节点主体的损伤，并可在震后对低屈服点钢材进行更换。针对现有地震损伤模型的不足，提出基于弹塑性耗能差率的能量损伤模型，从而更准确细致地评价钢梁端连接的损伤性能。试验加工制作了相应的传统钢节点、削弱钢节点和填充式耗能钢节点，并进行低周往复加载试验研究。通过多种性能评价参数，对梁端连接的减震性能进行综合评估。结果表明，填充式耗能钢节点具有更加优良的承载能力、延性和耗能能力。此外，所提出的能量损伤指标可以更好地反映梁端连接损伤演变过程及其损伤规律。
华润总部大楼，建筑高度400m，外形酷似“春笋”，采用筒中筒结构。为与建筑外形相协调，结构外筒为斜交钢网格，局部楼层存在较为复杂的多柱交叉节点。从传力路径入手，详细介绍了底层柱交叉节点的设计和验证过程，包括节点区板件连接方案的选择、板厚的优化与确定、以及节点的细部构造等。为降低加工和安装的难度，对节点构造进行的简化会使节点产生附加内力。在工程中，节点区面板的处理使得节点区承受附加弯矩，其引起的次应力约占到初始应力的40%，设计中不容忽视。验证性试验结果表明，有限元分析结果与试验结果一致，证明节点设计基本合理，在设计荷载作用下节点处于弹性工作状态，可有效传递荷载。研究表明，复杂节点设计应全面分析其传力路径的可靠性和细部构造对节点的影响，方能确保设计安全。
为研究采用覆板加强的冷弯方钢管T形节点的轴向滞回性能，对2组支管与主管的截面宽度比β分别为0.4和0.8的方钢管直接焊接节点和采用覆板加强的方钢管T形节点进行了轴向往复加载试验。详细介绍了试验节点的设计、试验过程及破坏形态，并对节点试件的滞回曲线、骨架曲线、耗能和延性等性能进行了分析。试验中，试验节点经历了主管屈服、初始开裂、裂纹闭合、裂缝扩展、裂缝贯通五个主要阶段，但各试件的开裂位置并不相同。加强覆板阻止了裂缝向主管管壁发展，有效避免了主管管壁的撕裂破坏，使开裂后支管的受压荷载继续上升，因而节点开裂后受拉能力较未加强节点的好。支管与主管截面宽度比越小，试件的耗能能力和延性越好。但覆板加强处理降低了试件的耗能能力，且支管与主管宽度比越小其耗能能力的降低越明显。受拉裂缝会降低试件的延性，故轴拉循环的延性较对应的轴压循环的差。在β=0.8时，覆板加强对试件的抗震延性有所改善，但β=0.4时加强节点试件的位移延性系数低于未加强节点。覆板加强节点在支管轴向往复荷载作用下的拉压不均衡问题应引起重视。
以国内首例采用钢管混凝土的750kV超高压变电构架工程为背景，设计了3个1:2缩尺、主管灌注混凝土的Y型相贯节点试件，其中包括2个采用不同加强方式(即瓦形板、外套筒加强)和1个作为对比的无加强节点试件，并对其进行了平面内受弯性能试验。试验结果表明：相比无加强节点，采用的2种加强节点的最终破坏形态均为支管失效破坏，均符合“强柱弱梁”的设计原则；节点的转动刚度和受弯承载力均显著提高，平面内转动刚度均可达到欧洲规范规定的刚性节点要求，且平面内受弯承载力基本可以达到支管全截面塑性时的弯矩值。此外，对节点的有限元分析表明：主管轴压比、瓦形板长度和宽度对节点刚度和承载力影响较小，而瓦形板厚度对此影响较为显著。
为研究拉链柱支撑钢框架结构在水平荷载作用下的承载能力、抗侧刚度、破坏模式以及构件的传力模式等，对一个3层单跨1:2.6缩尺比例的拉链柱支撑钢框架进行了静力推覆试验及数值模拟。结果表明：在对应8度多遇及设防烈度地震作用工况的水平侧移下，结构基本处于弹性工作状态，构件未出现明显失稳现象。在对应8度罕遇地震作用工况的水平侧移下，由于支撑失稳导致结构抗侧刚度明显降低，但结构的承载力并无明显下降，随着加载的进一步进行，因支撑失稳产生的竖向不平衡力主要由拉链柱承担，且该不平衡力由此逐层向上传递，导致顶层支撑的轴压力逐渐增加；当反向卸载时，拉链柱构件承担部分压力，但并未失稳。总体上，结构各构件的受力状态及传力过程与设计目标基本一致，结构在静力推覆试验中表现出良好的受力性能。
为考察基于子结构隔震的巨型框架结构的实际振动控制效果，对一巨型框架结构和采用子结构隔震的巨型框架结构进行数值分析和振动台试验。介绍了巨型框架结构原型，采用有限元方法对巨型框架结构和采用子结构隔震的巨型框架结构进行分析，研究子结构隔震技术对外部主框架和内部子框架的地震反应控制效果。介绍了缩尺模型结构及其试验方案，对其进行了模拟地震的振动台试验，测量和分析了主框架和子框架的地震反应。有限元分析和振动台试验结果表明：子框架隔震后，巨型框架结构的基本周期得到延长，但隔震结构前6阶振型的振动都是以子框架振动为主，而非隔震结构前6阶振型的振动都是以主框架的振动为主。子框架隔震后，主框架和子框架的地震反应都显著减小，位置较低的子框架2的地震反应及其隔震效果一般要比上部子框架3的大。隔震子框架的变形主要集中在隔震层上，但隔震层变形小于主、子框架间的隔震缝宽度。
基于对三种不同竖向收进方式的成束钢框筒结构进行的罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，得到各种能量项数值，分析了采用不同峰值加速度输入下各能量项时程曲线的变化趋势。对输入能与地震加速度的关系、塑性耗能沿楼层的分布规律以及塑性耗能在构件中的分配进行了研究。探讨了组成束筒的各单个框筒的塑性耗能特点及其与竖向收进方式的关系。结果表明：采用不同的峰值加速度输入不影响弹性应变能、塑性耗能、阻尼耗能以及动能各项占总输入能比例的时程曲线变化趋势；当地震作用超过一定强度时，动能和弹性应变能在输入能中所占的比例变小，输入能主要依靠结构的塑性耗能来耗散；输入峰值加速度不同，塑性耗能沿楼层的分布规律也不同；窗裙梁是成束钢框筒结构最主要的耗能构件；组成束筒的各单个框筒耗能与输入的地震动峰值加速度有关；当输入的峰值加速度较大时，对于竖向未收进的模型，中间部位筒的耗能小于其周边筒的耗能，对于竖向收进的筒体，除收进变化较大的个别单筒外，单筒各层平均耗能较为均匀。
为研究方钢管混凝土节点核心区的受力性能，在分析梁柱节点核心区受力特征的基础上，设计了方钢管混凝土节点核心区的直接剪切试验。试验装置简单，能够确保核心区发生剪切破坏，有效反映其受力特征。通过改变钢材及混凝土的强度、节点几何形状及加载方向等参数，完成了13个方钢管混凝土节点核心区试件的单调和往复剪切加载试验，得到了节点剪切破坏特征、荷载-位移曲线等结果，分析了相关参数的影响。在试验结果的基础上，利用理想弹塑性模型模拟钢材，并利用修正了剪力传递系数的固定角弥散裂缝模型模拟混凝土，提出了适用于一般节点核心区分析的高效精细有限元数值模拟方法。模拟结果与试验结果吻合良好，可为复杂组合结构的非线性分析提供参考。
在一超高层结构工程中，外框架采用了焊接钢管混凝土边柱和夹角为12°的斜柱交叉形成高达6层且与6层楼面梁相接的巨型交叉节点，该节点构造复杂。节点边柱的轴向荷载不平衡在节点处产生剪力，同时，由于斜柱承受的轴向荷载巨大，该巨型节点受力复杂。为研究该节点的受力性能，对其进行了大比例模型加载试验。试验在最不利工况（1.2×重力荷载+1.3×设防地震作用）下： 1) 在设计荷载作用下节点试件整体仍然处于弹性工作状态； 2) 增大边柱不平衡力，对节点试件的平面内侧移有一定的影响，而对平面外变形基本没影响； 3) 对斜柱轴向荷载进行卸载，将节点由压剪转换至更不利的拉剪受力状态，节点未破坏； 4) 施加斜柱轴向荷载超过设计承载力的2倍，节点试件最终在斜柱两端出现局部鼓起而发生破坏，说明该交叉节点的设计符合我国规范“强节点弱构件”的设计原则。在整个加载过程中，节点区域并未产生剪切破坏面，钢管内部设置的纵向内隔板和加劲环板使得钢管与混凝土协同工作，节点构造合理。通过合理的简化，对该节点试件进行了三维非线性有限元分析，其荷载变形曲线以及破坏模式与试验结果吻合良好。
对4个带外加强环不等高梁钢管混凝土柱节点试件进行了循环加载和单调加载试验，试件主要变化参数为节点两侧梁高度差，取值为 0、75、 150mm。为了研究节点域的受剪承载力，对试件按“强构件，弱节点”进行设计。对于所设计的4个节点试件，其破坏分为整个节点域剪切破坏和部分节点域剪切破坏。试验结果表明：加载方式对试件节点域剪切承载力影响不大；节点试件在正反两个方向加载形成不同的破坏模式，并且在反向荷载作用下其承载力略高于其在正向荷载作用下的承载力；节点两侧梁高度差对节点域破坏形式和承载力影响显著；在整个加载过程中，所有试件节点均未出现开裂；该类节点具有很好的变形能力和稳定的耗能能力，但随着两侧梁高度差的增加，耗能能力逐渐降低。
为研究设置加劲肋的双层钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能，对5个试验轴压比为0.4的模型试件进行了恒轴力下的拟静力试验。通过改变加劲肋、中部钢管混凝土暗柱的布置形式，研究该组合剪力墙在水平反复荷载作用下的破坏机理、滞回性能、变形能力以及耗能能力。试验结果表明：试件破坏时底部墙体钢板均发生了屈曲，呈现典型的压弯破坏特征；试件具有良好的延性和耗能能力；在双层钢板-混凝土组合剪力墙中仅设置纵向加劲肋对承载力提高不明显，仅设置横向加劲肋可以略提高试件的承载力，而双向加劲肋的设置将较明显提高试件的承载力；在双层钢板-混凝土组合剪力墙中部增设钢管混凝土暗柱可以较为明显地改善试件的承载力与延性。
对框架-嵌入式墙体结构进行了拟静力试验和有限元分析，研究了其承载力和耗能能力，探讨了墙板与柱间摩擦系数、轴压比以及墙板分割块数对结构抗震性能的影响。研究结果表明：框架-嵌入式墙体结构滞回曲线形状较为饱满，表现出良好的延性和耗能能力，且嵌入墙体后明显提高了框架结构的抗侧刚度和承载力；在结构屈服前（正常使用状态），墙板间无明显通缝，屈服后，墙板错动现象明显，墙板与墙板、墙板与底梁间均出现明显的通缝，增加墙板与柱间的摩擦系数，可减小通缝宽度；在一定范围内，增大柱轴压比，可提高框架-嵌入式墙体结构的承载力；由于嵌入墙板与柱轴线不在一直线上，框架柱承受了一定的扭矩，在实际工程设计中，应增加柱的抗扭构造配筋或进行柱抗扭配筋设计。
在框架-核心筒结构的抗震设计中，作为二道防线的外框架部分，需要对其内力进行调整，但我国相关标准在调整方法和调整要求上存在差别，使得设计具有一定程度的不确定性。基于对我国JGJ 3—2010、CECS 230:2008和美国IBC 2000等标准规定的分析和解读，分别从适用范围、调整对象、双重抗侧力体系划分、框架合理刚度、内力重分布等5个方面，对比分析基于基底剪力或最大框架楼层剪力调整方法和基于楼层剪力调整方法的不同。以一实际结构为例，通过弹塑性分析和振动台试验研究了不同调整方法对各部分设计的影响。结果表明：可采用外框架和核心筒承担的剪力比例或者整体刚度分析方法来界定其是否为双重抗侧力体系；外框架与核心筒互为二道防线，在设计时，需对其承载力和刚度协调匹配，对承载力可采用基于楼层剪力的调整方法，调整对象除剪力和弯矩外也应包括轴力，两者的最小分担比例之和为100%，框架最小和最大分担比例分别为20%和80%，对于两者间的刚度匹配关系，可采用广义刚度特征值和刚度比参数来评价，其合理取值范围分别为1~3和0.2~0.9。
通过升温、冷却和拉伸试验，对历经300~900℃高温后的Q690钢材在自然冷却和浸水冷却条件下的力学性能展开试验研究。结果表明：经高温冷却的Q690钢材在不同温度和不同冷却方式下有不同的外观特征；受热温度超过500℃时，高温冷却对Q690钢材的弹性模量影响很小,对其强度和伸长率影响较大；当受热温度不超过700℃时，Q690钢材高温后的强度和伸长率在两种冷却方式下具有基本相同的变化规律；在700~800℃之间，不同冷却方式对Q690钢材高温后强度和伸长率产生影响，且随温度升高差别愈加明显，自然冷却条件下强度降低且伸长率增大，浸水冷却条件下强度增大且伸长率减小。将Q690钢材高温后力学性能与Q235钢材和Q460钢材比较，认为不同强度等级钢材高温后的力学性能差别显著，在自然冷却条件下较高强度钢材（Q690）的强度衰减和延性增长大于较低强度钢材（Q235和Q460）的。根据试验结果，建立了不同冷却条件下的高温后各力学参数与受热温度之间的数学模型，该模型可用于火灾后Q690钢结构的承载能力的评估。
为评估火灾后型钢混凝土柱的抗震能力，为其火灾后加固提供参考，进行了11个型钢混凝土柱试件的高温后抗震性能试验。试件在升降温过程中施加恒定轴向荷载，并且在高温后抗震试验中保持相同的轴向荷载水平。试验中考虑轴压比和受火时间对抗震性能的影响，以获取并分析试件的破坏特征、荷载-位移滞回曲线、刚度、延性和耗能能力。试验结果表明：型钢混凝土柱试件在反复荷载作用下由柱底混凝土剥落形成塑性铰，塑性铰长度为0.14H~0.44H(H为柱截面高度)；试件在反复荷载作用下出现贯通全柱的黏结滑移裂缝，滞回曲线大致呈梭形，耗能能力较好；较之未受火试件，受火后试件滞回曲线更为饱满，骨架曲线更为平缓，位移延性系数略有增大，刚度和承载力退化明显，耗能能力略有降低。受火时间相同时，轴压比大的试件极限荷载略高，极限位移较小，延性差，耗能能力更强；轴压比相同时，受火时间越长，承载力和刚度下降越明显，延性略有提高，耗能能力变差。
为研究混凝土双向简支板板角受平面外约束下的火灾行为，进行了恒载-升温条件下的火灾试验。采用无线测温技术和红外探测技术，获得了火灾下双向板沿板厚温度场分布、钢筋温度、板平面内外变形、裂缝以及板角平面外约束力变化，并与国内外相关试验进行对比分析。测试结果表明：自行设计无线测温设备测量精确度较高，且便于使用；红外探测技术能够实时记录板面裂缝发展。分析结果表明：当板角受平面外约束时，其裂缝模式及变形规律与四边简支板明显不同；且板角区域易出现弧形裂缝，板角约束程度对板角区域弧形裂缝分布与发展有显著影响。
梁柱节点是钢筋混凝土结构中受力性能复杂的重要部位，其有限元模型的合理性是结构非线性数值模拟成功实施的关键。在OpenSees结构分析平台上，以力学模型较为细化的梁柱节点单元(beam-column joint element)模型为研究对象，在合理确定梁柱节点单元各分量的参数取值方法的基础上，分别以多组钢筋混凝土梁柱组合体试件的梁端加载、柱端加载试验结果为依据，对有限元模拟结果的准确性进行校准，并在此基础上分析了同一组合体试件分别采用梁端加载、柱端加载两种试验方法时模拟结果的差别。结果表明：梁柱节点单元中模拟节点内纵筋滑移分量的材料模型存在较明显误差，当滑移较小时，模拟结果有相对较好的精度；当梁纵筋滑移量较大时，模拟的组合体整体滞回性能与试验结果相比误差较大；当梁、柱纵筋黏结滑移值较小时，同一组合体试件在梁端加载、柱端加载两种试验方法下的节点非弹性变形相近。
通过分析构件截面上应变与轴向力间的关系，以构件轴向应变为基本参数，提出了轴心受压开口薄壁构件的弹塑性屈曲荷载统一计算方法，给出了轴压构件的弯曲屈曲、扭转屈曲、弯扭屈曲等屈曲荷载的弦截法迭代格式，可应用于H形、T形、L形、十形截面等不同开口形式的轴压构件屈曲荷载计算，并可考虑具有残余应力的弹塑性本构关系。该方法以无残余应力的弹性屈曲荷载对应的轴向应变作为初始值，根据不同屈曲形式对应的非线性方程计算弦截区间点的函数值，进行弦截法迭代计算，得到弹塑性构件的临界轴向应变，进而获得屈曲荷载等信息。该方法采用的弦截法收敛速度快、计算量小、无需嵌套循环，可有效解决两端铰接轴心受压开口薄壁构件的弹塑性屈曲快速计算问题，便于工程应用。
为研究混凝土结构疲劳破坏的全过程，提出一种基于损伤力学的疲劳分析方法。该方法通过引入疲劳损伤本构模型以描述混凝土材料在疲劳荷载作用下的劣化过程。为提高计算效率，将本构模型与非线性有限元方法相结合，发展了一种循环跳跃式疲劳加速算法。基于该算法，结构的疲劳破坏过程可仅通过少量疲劳加载循环的计算加以推测。为保证算法精度，进一步提出基于损伤演化速率的自适应精度控制策略，使分析可根据疲劳损伤演化速率的变化自动调整加速算法的时间跳跃步长。采用该分析方法对混凝土材料与钢筋混凝土梁的疲劳破坏过程进行模拟，并与相关疲劳试验数据进行对比。结果表明：该分析方法可准确预测混凝土结构在疲劳荷载作用下的非线性行为，特别是疲劳加载过程中裂缝的产生和扩展过程；结合疲劳损伤本构模型和疲劳加速算法能够高效及准确地模拟混凝土结构的疲劳破坏全过程。
盾构隧道衬砌管片接头处的力学性能极为复杂，采用局部刚度折减法并结合接头张合状态的力学模型进行盾构管片力学性能的数值模拟分析，研究衬砌管片及接头纵向连接螺栓的受力及变形特性。研究结果表明：管片局部刚度折减后整体管片的竖向位移及大变形范围均增大，管片水平位移变化量小，刚度折减区的水平位移略微减少，但影响整体管片内力分布均匀性；基于管片接头力学模型及变形协调原理，管片接头纵向连接螺栓的变形及其变化规律与整体管片的基本相同，但变形量相对较小，且螺栓水平方向变形减少量高于竖直方向的；管片接头纵向连接螺栓轴力基本为压力，承受压力的螺栓占全部螺栓的94.4%以上，弯矩及剪力值较小，其中弯矩沿隧道上下对称分布，剪力沿隧道左右两侧对称分布。本研究可为深入分析管片及接头的力学性能提供参考与借鉴。
桩土界面剪切行为对静压敞口预应力高强混凝土(PHC)管桩沉贯性状及长期承载力特性具有至关重要的作用。通过成层土地基中桩身预埋光纤光栅(FBG)传感器的静压桩足尺试验，分别对敞口PHC管桩贯入及静载荷试验中的桩土界面剪切行为进行研究。结果表明：在贯入阶段，桩身轴力及侧摩阻力沿桩的深度方向逐渐传递，传力幅值与桩周土体性状密切相关，土层界面处轴力传递效率依次为98.2%、92.2%、96.3%、83.8%、80.5%。随着压桩循环次数的增加，同一深度土层摩阻力呈逐渐减小趋势。经历5个压桩循环后，深度6 m处的砂质粉土层摩阻力减小幅度约为46.25%，深度10m处的粉质黏土层经历3个压桩循环后摩阻力减小幅度约为12.1%；载荷试验过程中，桩侧摩阻力随着桩顶荷载施加自上而下逐步发挥。摩阻力完全发挥所需的桩土相对位移，粉质黏土层的最大，约为6.96~7.46mm，淤泥质黏土层的次之，约为6.05mm，砂质粉土层的最小，约为4.23mm；与原状土相比，重塑区土体含水量、孔隙比参数指标降低，重度、黏聚力及内摩擦角增大。桩周重塑区土体物理力学指标变化是贯入及载荷试验阶段桩土界面剪切行为不同的重要原因。
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