ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
为研究铝合金网壳箱形、工字形截面杆件盘式连接节点(又称TEMCOR节点、板式节点)的受力性能，对南京牛首山佛顶宫工程典型铝合金盘式节点足尺试件进行了静力加载试验，采用通用有限元程序ABAQUS对加载过程进行全过程数值模拟。在进行静力加载试验时，铝合金杆件端部采用铰接，在节点盘中心区域设置加载板进行竖向加载。研究结果表明：在节点盘中心竖向荷载作用下试件发生脆性破坏。对向两杆为箱形截面（试件JD1）时，箱形截面杆件下翼缘发生断裂，上下节点盘屈曲，且与断面相邻的螺栓被拉断；对向杆件为工字形截面（试件JD2）时，下节点盘发生块状撕裂，破坏时铝合金型材及螺栓均无屈曲和破坏。在极限荷载作用下，试件JD1杆件腹板及节点盘仍处于弹性工作状态，箱形截面中性轴位于截面中间；试件JD2铝合金型材处于弹性工作状态，工字形截面中性轴位于截面强轴以下1/6腹板高度处，下节点盘在α=60°及α=180°方向应力较大，接近屈服强度。试件JD1的极限荷载和初始刚度均约为试件JD2的1.5倍。根据对称性建立的节点试件数值模型分析所得的局部应力、荷载-位移曲线及弯矩-转角曲线与试验结果吻合较好，可以用于此类节点的数值模拟。
为研究铝合金板式节点刚度对单层球面网壳整体稳定性能的影响，制作一个跨度为8m、矢高为0.5m的K6型网壳模型，对网壳顶点施加4次单向循环荷载。试验结果表明，加载初期网壳表现出超刚性特征，即其刚度大于刚接节点网壳刚度；而后的节点螺栓滑移变形会降低网壳刚度，螺栓滑移引起的网壳变形很大且不可恢复。网壳的失稳属于整体跳跃失稳，但网壳屈曲后可继续承载，且荷载可进一步增大。最后一次单向循环加载时网壳因顶点杆件下翼缘的拉裂而破坏。另外，随着循环荷载逐级增大，网壳再加载初始刚度都有一定弱化。采用ANSYS有限元软件建立网壳分析模型，采用BEAM 188单元和COMBINE 39单元模拟考虑节点半刚性的铝合金板式节点网壳杆件，节点弯矩-转角关系曲线采用四折线模型，有限元分析结果与试验结果吻合较好。
凯威特K6型是铝合金板式节点网壳最为常见的形式，而板式节点是一种典型的半刚性节点，其节点刚度对网壳整体稳定承载力的影响不可忽略。通过ANSYS有限元软件建立了K6型铝合金板式节点单层球面网壳数值模型，采用非线性弹簧单元COMBINE 39引入节点半刚性的影响，并基于该数值模型对网壳的弹塑性整体稳定承载力进行了参数分析。分析结果显示，网壳整体稳定承载力随矢跨比、环数、节点刚度的增大而提高，随跨厚比、半跨活荷载系数、初始几何缺陷幅值的增大和材料非线性的引入而降低。通过对8000多个数值模型的分析结果进行统计回归，得到了K6型铝合金板式节点网壳弹塑性整体稳定承载力计算式，该计算式能较准确地预估无缺陷网壳的稳定承载力。
为研究杆件初始缺陷和杆件失稳对网壳结构稳定性的影响，采用ANSYS有限元分析软件，引入杆件的初始缺陷，考虑杆件自身的屈曲破坏，确定其最不利整体缺陷模态和杆件缺陷模态。采用传统梁单元模型和精细化壳单元模型分别对采用圆钢管、矩形钢管、工字钢三种不同截面形式杆件的网壳结构进行稳定性分析，结果表明，考虑杆件缺陷的网壳结构稳定承载力大幅度降低。进行杆件轴力跟踪分析和杆件失稳传导分析发现，单层网壳的整体稳定破坏源于单根杆件的率先屈曲，杆件失稳瞬间迅速向相邻杆件传导，导致结构整体破坏。进行了K6（2）工字钢截面网壳的加载破坏试验，验证了预设缺陷的单根杆件失稳并传递诱发了整体破坏，且承载力受工字钢弱轴缺陷的影响很大。
为研究交错桁架钢框架结构中采用双槽钢组合截面的桁架弦杆延性区段的抗震性能，对8个双槽钢组合截面足尺试件进行往复弯曲荷载作用下的滞回性能试验。重点研究了填板间距、侧向支撑设置、加劲肋设置等因素对该类型截面构件滞回性能的影响。试验结果表明：减小填板间距可减小单肢槽钢平面外长细比，防止组合截面试件发生单肢槽钢失稳，保证双肢槽钢共同工作；塑性铰处设置侧向支撑可有效限制塑性铰区域槽钢发生平面外变形，保证试件不发生整体弯扭失稳，提高构件耗能能力；在塑性铰区域设置加劲肋可限制板件的局部屈曲，保证试件在循环加载过程中的耗能机制为“屈服耗能”，提高构件的耗能及转动能力。研究成果可为交错桁架钢框架中双槽钢组合截面桁架弦杆的工程应用提供参考。
为了研究高强冷弯薄壁型钢构件的受弯性能和完善直接强度法，对卷边形式为斜卷边、直卷边和复杂卷边的12个G550高强冷弯薄壁Z形钢受弯试件进行了静力试验。试验结果表明，卷边形式对试件屈曲模式和受弯承载力有显著影响，试件发生了局部与畸变相关屈曲或畸变屈曲，直卷边试件的承载力高于斜卷边试件的承载力，复杂Ⅱ型卷边试件的承载力高于复杂Ⅰ型卷边试件的承载力。根据试验结果并结合现有国外直接强度法公式，回归出G550高强冷弯薄壁Z形钢受弯构件发生局部与畸变相关屈曲变形时的承载力直接强度法修正公式，当此类构件发生畸变屈曲时，无需再修正现有直接强度法公式。建立有限元模型对试验进行了分析，分析结果与试验结果吻合良好。在此基础上，利用大量有限元分析结果验证了直接强度法修正公式比现有直接强度法公式对此类构件的承载力的预测更为安全可靠。
以轴力和锚栓数量及其布置形式为参数，对4个外露式钢柱脚试件进行了水平往复加载试验，对其受剪性能及受剪机制进行分析。当柱脚所受轴力为压力时，柱脚的剪力由其与基础顶面间的静摩擦力传递给基础，且柱脚弯矩对其受剪承载力有提高作用。当柱脚所受轴力为拉力时，柱脚底板与基础表面间分离，柱脚在水平荷载作用下发生滑移，此时锚栓参与承担水平力，但其承担水平力的能力较小。柱脚受弯承载力随着柱脚锚栓数量的增加而增大。当锚栓数量从4个增加到6个时，柱脚受弯承载力增加了12%，耗能能力增加了20%。配置相同数量锚栓柱脚的滞回行为随着锚栓布置方式的不同也有所改变。将锚栓布置在沿加载方向的最外侧时，可以最大程度地利用每个锚栓的承载力。因此，在设计外露式柱脚时需要考虑锚栓布置方式，以便充分利用锚栓的受拉性能。
有别于传统的混凝土箱梁，波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁是一种较为新颖的桥梁上部结构形式，这种箱梁结构在偏心荷载作用下产生的扭转与畸变效应相对显著。为阐明这种箱梁的扭转与畸变特性及其研究现状，通过对大量文献的调研与实桥调查，系统介绍了箱梁扭转与畸变效应的计算理论（包括抗扭刚度）、扭转承载力、内力增大系数、横隔板的设置等方面的研究进展情况。研究表明，采用Umanski第二理论和弹性地基梁比拟法分别计算这种箱梁的扭转与畸变效应在理论上是可行的，但其工程适用性还需进行进一步检验。另外，我国在扭转承载力研究方面还较为欠缺，而在内力增大系数、横隔板的设置等方面尽管已经取得了一些成果，但还缺乏较为一致的结论。在充分考虑箱梁自身受力特性的基础上，加强波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁扭转与畸变的研究，可为完善其设计方法奠定理论基础与提供更有力依据。
为研究单箱双室箱梁在对称竖向荷载作用下的受力特征，基于横截面的荷载等效原理与荷载分解，分析了单箱双室箱梁对称弯曲时的局部扭转效应。基于截面的剪力流平衡和箱室受力分解，得到了局部扭转的等效荷载及应力计算式。通过与有机玻璃模型试验和有限元模拟结果的对比，验证了局部扭转效应计算式的正确性，并获得了单箱双室简支箱梁的局部扭转效应下的应力分布规律。研究表明，单箱双室箱梁在仅中腹板作用竖向荷载及两边腹板作用相等竖向荷载时，均存在纵向弯曲和局部扭转的组合变形模式。局部扭转由约束扭转、畸变和横向弯曲效应组成，在截面引起纵向应力和横向应力。局部扭转效应的理论计算结果与模型试验和板壳有限元分析结果吻合良好，表明基于截面剪力流等效的局部扭转荷载求解方法对双室箱梁是适用的；单箱双室箱梁的局部扭转效应在荷载作用点附近截面最为突出，截面上、下缘纵向应力和横向应力以中腹板为拐点呈折线分布，其应力分布和大小与荷载在横截面上作用的部位紧密关联；对算例箱梁，局部扭转效应产生的纵向应力可达初等梁弯曲应力的25%。
通过复式薄壁方钢管混凝土构件受弯性能的试验研究，分析了内置圆形截面空钢管和钢管高强混凝土对薄壁方钢管混凝土构件纯弯段受弯性能的影响。试验表明：内置圆形截面空钢管和钢管高强混凝土可有效提高构件的受弯承载力，内置钢管高强混凝土的提高效果更显著；薄壁方钢管混凝土的受弯承载力和抗弯刚度明显较对比空钢管的高；试验过程中未出现钢管角部破坏的情况。对复式薄壁方钢管混凝土纯弯构件受力性能进行有限元分析，分析结果和试验结果吻合较好，外管的约束作用有效提高了夹层混凝土转角处混凝土的抗压强度。有限元参数分析结果表明，构件的受弯承载力和抗弯刚度随着夹层混凝土强度和径宽比的增大而增大，但随着径厚比的增大而减小；同时构件的受弯承载力随着钢管强度的增大而增大。建议了复式实心薄壁方钢管混凝土构件和复式空心薄壁方钢管混凝土构件受弯承载力的简化计算模型，其计算结果精度较高。
为满足多层冷弯薄壁型钢房屋建筑的抗震及防火要求，同时兼顾施工便捷性，提出了夹心墙板覆面的新型冷弯薄壁型钢复合墙体，并完成了11片足尺模型水平加载试验。试验表明： 1） 复合墙体的受剪破坏主要由墙板周边的螺钉连接失效引起，即螺钉将墙板撕裂或螺钉剪断引起，墙板与自攻螺钉之间的连接力学性能成为影响复合墙体受剪性能的主要因素；增大墙板厚度或者采用玻镁板代替石膏板可提高复合墙体抗剪性能，而龙骨立柱的截面尺寸对复合墙体受剪性能影响不明显； 2） 同侧墙板层数的增加对复合墙体受剪承载力及刚度虽有明显提高，但未达到线性叠加程度；夹心墙板的使用有利于墙体蒙皮效应的发挥，相应的墙体受剪性能优于墙体同侧双层墙板覆面时的受剪性能； 3） 蒸压加气混凝土（ALC）板周边与自攻螺钉的连接区域在较低水平荷载作用下出现板材开裂现象，故不宜采取ALC板参与墙体受力的连接方式。研究给出了新型冷弯薄壁型钢复合墙体的受剪承载力及抗剪刚度设计指标，供工程设计参考。
近年结构震害表明，超高层结构在远场地震动作用下出现了楼顶长时间大幅值晃动现象且时滞效应明显，其中大幅值晃动造成非结构构件破坏严重，现行设计方法对地震作用下超高层结构大变形的控制还有不足。因此，文中简要分析了结构响应峰值机理，对长周期结构进行了近场及远场地震波作用下的时程分析，研究了长周期结构响应峰值与地震波中和结构基本周期对应频率的脉冲族之间的相关性，讨论了结构弹塑性对超高层结构响应峰值时滞特征的影响。结果表明：超高层结构与地震波中对应频率的脉冲族产生类共振是引起结构大幅值晃动的主要原因，仅基于加速度反应谱拟合精度选出的地震波不能较好预测超高层结构的大变形；类共振出现在地震波衰减段时会引起时滞效应；结构弹塑性引起的刚度退化会影响结构响应峰值及其出现时刻。
将再生粗骨料轻质墙板内填至柔性钢框架结构中，通过对4榀单层单跨1∶3缩尺试件的拟静力试验，分析了结构的破坏模式、承载力、延性及耗能能力，研究了节点刚度对结构性能的影响及再生混凝土墙板作为主要抗侧力构件的可行性，并对结构的内力分配进行了分析。研究结果表明：再生混凝土墙板在增加结构承载力和刚度的同时，能缓解梁柱节点的转动变形，改善节点受力；内置墙板后，结构的承载力提高140%，初始刚度提高330%~360%，位移延性系数为2.44～3.28，层间位移角为0.02rad时，承载力退化系数仍大于0.8，表明该结构具有较高的安全储备；同时，内填取代率100%再生骨料墙板的试件比普通混凝土墙板试件屈服荷载提高22%，而峰值荷载基本一致，表明墙板与柔性钢框架组合后结构的整体性能退化较小，可以作为主要抗侧力构件使用；结构中内填墙板承担的水平剪力较多时，钢框架承担的倾覆弯矩较少。
针对高层隔震结构在高烈度区可能存在的橡胶支座受拉以及倾覆危险的问题，设计了一种抗拉装置，并对其工作性能进行了试验验证。原型带抗拉装置的支座与普通支座的低周反复加载试验对比表明：压剪状态下，装置对支座本体的剪切性能基本不产生影响；拉剪状态下，该装置能够发挥抗拉作用，保证支座水平向力学性能的发挥；极限拉伸状态下，装置能发挥限位作用，承受大部分拉力，从而减小支座本体拉应力。同时，对模型抗拉装置进行了拟静力试验，验证了模型抗拉装置不会对支座在压剪状态下的剪切性能产生影响，但能起到预期的减小支座的拉应力和限位作用。
西昌（9度区）某高层基础隔震结构，其上部为框架-核心筒结构，总高度为58.3m（不计入隔震层），隔震层采用铅芯橡胶隔震支座。为研究该隔震结构的抗震性能及检验带抗拉装置隔震支座的有效性，进行了缩尺比为1/15模型的模拟地震振动台试验。结果表明，隔震层降低了上部结构的加速度反应，隔震层上加速度放大系数小于0.5，可满足抗震设防烈度降低一度的设计目标；隔震结构的位移集中在隔震层，上部结构的层间位移较小，层间位移角满足规范层间位移角限值要求；隔震层力-位移滞回曲线较为饱满，具有良好的耗能能力。罕遇地震作用下，支座出现拉应力，说明隔震结构在高烈度地震作用下存在倾覆的可能性。对角部隔震支座加装抗拉装置后，再次进行振动台试验，结果表明，抗拉装置不会对结构水平向动力特性及支座在正常受压状态下的竖向运动和水平向运动产生显著影响，通过对比证明了其在隔震支座受拉情况下提供的有效抗拉作用。
为研究开孔板（PBL）连接件的受剪承载力，在已有试验和理论研究的基础上，分析了单孔PBL连接件的破坏模式及受剪承载力的主要影响因素，并建立开孔钢板厚度不小于9mm时，单孔PBL连接件考虑侧向约束力的受剪承载力模型。该模型考虑了开孔钢板周围的混凝土包裹、贯通钢筋和试件底面摩擦对PBL连接件提供的较强约束作用，以及由此导致的单孔PBL连接件受剪承载力的提高。通过大量的单孔PBL连接件的受剪试验数据拟合得到单孔PBL连接件的受剪承载力计算公式。该计算公式和已有计算公式的计算值与试验值的对比分析表明，未设置贯通钢筋的试件受剪承载力的离散性较大，而设置贯通钢筋的试件受剪承载力的离散性相对较小；该计算公式能合理考虑混凝土包裹、贯通钢筋和试件底面摩擦对PBL连接件受剪承载力的影响，其计算结果与试验值总体吻合得较好。
为研究悬链线效应下锚固钢筋与混凝土之间的黏结破坏，以及在RC框架结构连续性倒塌过程中钢筋拉断和黏结失效的先后顺序，分析锚固长度、钢筋布置方式对黏结锚固性能的影响。将钢筋锚固于钢筋混凝土柱中，通过自制的自平衡加载装置，实现对框架结构梁端破坏而钢筋未拉断时形成悬链线受力机制的钢筋进行加载。试验结果表明：锚固钢筋与混凝土之间发生劈裂破坏，而锚固钢筋并没有被拉断，所以在RC框架结构抗倒塌设计中不宜采用直锚的锚固形式，而应该采用其他有效的锚固形式。此外，单排钢筋布置有利于提高锚固钢筋与混凝土之间的平均黏结应力，较双排钢筋布置下的约提高15%。
钢纤维混凝土具有良好的开裂后拉伸性能和韧性，已被广泛用于工程结构的修复加固中。对于所修复的锈蚀构件，钢纤维混凝土与锈蚀钢筋的黏结性能是影响其力学性能的关键因素。首先通过电化学方法对钢筋进行预锈蚀，进而采用清理干净的预锈蚀钢筋制作拉拔试件，然后通过中心拉拔试验研究锈蚀钢筋与钢纤维混凝土的黏结性能。试验结果表明：钢纤维的掺入能够使试件从劈裂破坏转变为拔出破坏，同时黏结强度比提高4.4%~7.5%；随着黏结长度的减小，加载端与自由端的相对滑移也逐渐减小，而峰值黏结应力对应的平均滑移却逐渐增大；锈蚀率对黏结强度的影响与黏结长度相关，与未锈蚀试件相比，当锈蚀率达到约15%时，黏结长度为3d（d为钢筋直径）试件的黏结强度减小21%，而黏结长度为7d试件的黏结强度基本不变。基于试验结果，建立了以锈蚀率和黏结长度为参数的黏结强度经验公式，计算结果与试验结果吻合较好。
U形肋加劲板是构成钢箱梁顶板、底板的主要板件，U形肋腹板与被加劲板局部失稳是其两种主要失稳破坏模式。为研究U形肋加劲板的局部稳定性能，分别设计并制作了U形肋腹板与被加劲板壁板两组局部稳定试件，并考虑U形肋腹板宽厚比、被加劲板宽厚比以及U形肋翼缘与腹板间弯曲半径变化。通过轴压试验得到了U形肋加劲板的局部失稳破坏模式、稳定承载力、应力-位移曲线以及局部稳定折减系数。试验研究表明：随着局部板件宽厚比的增大，试件由强度破坏转变为失稳破坏，且失稳破坏特征表现得越明显。当板件宽厚比不小于22.5时，宽厚比较大的板件先于其他板件失稳。U形肋腹板与翼缘之间弯曲半径增大时，U形肋腹板宽度及宽厚比变大，导致U形肋腹板稳定承载力降低。将试验结果与公路钢桥规范中的稳定系数曲线对比发现，对于钢桥规范中的稳定曲线，采用钢材屈服强度计算得到的板件稳定承载力明显小于试验值，而采用抗拉强度计算得到的板件稳定承载力接近试验值，说明采用钢桥规范计算U形肋加劲板稳定承载力，其安全系数和钢材的抗拉强度与屈服强度比值相当。
为研究箍筋约束工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)的受压性能，对12组共36个箍筋约束的配筋ECC圆形截面短柱进行了轴心受压试验，分析了箍筋屈服强度和间距、ECC强度与PVA纤维体积掺量对约束ECC应力-应变曲线的影响。结果表明：试件的破坏形态均为纵筋压屈、核心ECC压碎，由于PVA纤维的桥接作用，提高了柱的整体性，保护层ECC外鼓但并未剥落；提高箍筋屈服强度、减小约束箍筋间距、采用低强度ECC及增加PVA纤维体积掺量，约束ECC应力-应变曲线的下降段较为平缓，短柱的延性得到改善，相对于较强的箍筋约束作用，PVA纤维对约束ECC变形的影响则较小。基于试验结果的分析，提出了考虑有效约束指标与PVA纤维体积掺量的箍筋约束ECC峰值应力及其对应应变计算式，建立了约束ECC应力-应变全曲线方程，计算曲线与实测曲线吻合较好。
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