ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
强震作用下钢筋混凝土（RC）柱如果设计不合理、抗剪措施不当或缺乏必要的抗震构造等会发生低延性的弯剪或剪切破坏，进而引发结构发生局部或整体倒塌，造成重大损失。为研究弯剪和剪切型RC构件的地震损伤机理和抗震性能，总结了RC柱的主要地震破坏模式、破坏模式判别方法以及剪切变形对柱抗震性能影响的研究进展。结果表明：RC柱的地震破坏模式主要有弯曲、剪切及弯剪型三种，其中弯剪破坏模式的界定和判别是研究的难点和重点；剪切变形对弯剪型RC柱抗震性能的影响主要体现在塑性变形阶段，但定量分析该影响的方法目前仍以经验模型为主，缺乏相对统一的力学模型。此外，已有的相关研究忽略了复杂的地震作用（即往复荷载作用历史）对柱破坏模式和损伤特性的影响，这需要在今后的研究中予以重点关注。
复合自复位结构体系由基本功能分区（主结构）和损伤控制分区（次结构）组成，对于基本功能分区，可实现结构的正常使用功能，承担大部分的地震作用和全部的重力荷载，由传统的框架结构实现；对于损伤控制分区，可实现自复位和耗能，分担剩余的地震作用和降低结构的层间位移集中程度，可由自复位耗能框架实现。基于刚度需求的设计方法分别设计了无耗能机制、以BRB作为耗能机制和以自复位阻尼器作为耗能机制的三种复合自复位结构。将最大层间位移角和残余层间位移角作为变量，采用联合概率密度函数对三种复合自复位结构和无控结构进行性能评估。根据对联合概率密度函数演化、易损性曲线和层间位移集中系数的分析，结果表明：复合自复位结构可以有效降低结构最大层间位移角和残余层间位移角的均值和离散性，其中，以自复位阻尼器作为耗能机制的复合自复位结构具有最好的控制效果；复合自复位结构可以有效降低残余位移对结构损伤概率的影响；复合自复位结构可以较好地控制结构层间位移集中系数，降低薄弱层出现的可能性。
为提高既有混凝土框架抗震性能，在不显著增加既有结构构件受力的同时，在混凝土框架外部增设钢框架并设置屈曲约束支撑。设计并制作1榀纯混凝土框架和2榀设置附加减震钢框架的混凝土框架，通过低周往复加载试验，研究其开裂和破坏状态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、等效阻尼比以及钢筋混凝土梁、附加钢框架的应变发展等。试验结果表明：增设附加减震框架后，结构破坏机制更加合理，屈曲约束支撑耗能性能稳定，加固后结构的滞回曲线饱满；采用外部附加钢框架加固钢筋混凝土框架，可提高既有混凝土框架结构的受剪承载能力至3倍以上，既有结构、外部附加钢框架和屈曲约束支撑可协同工作，在设防目标下可避免混凝土柱发生压剪脆性破坏；最后对附加减震框架改进连接构造设计提出了建议。
为检验梯段板下端设置隔震橡胶支座和聚四氟乙烯板滑动支座对现浇钢筋混凝土（RC）板式楼梯抗震性能的影响，以设置这两种支座的RC楼梯间框架结构单元为对象，对缩尺比例为1∶3的模型结构进行了振动台试验。通过输入不同的地震波，观察其破坏过程，分析其遭遇不同水准地震作用时模型结构的自振频率变化、加速度反应、位移反应和破坏机制等。试验结果表明：梯段板下端设置隔震橡胶支座的楼梯单元具有良好的抗震性能，罕遇地震作用下破坏主要集中在框架结构中，有效地释放了梯段板的斜撑效应，实现了楼梯子结构迟于主体结构发生严重破坏的设计目标；采用聚四氟乙烯板滑动支座时，在共振破坏试验中梯段板出现剧烈的竖向翘起、左右晃动现象；采用隔震橡胶支座时，梯段板竖向加速度有所减小，且共振破坏试验中未出现晃动现象。
设置可更换连梁的结构，通过可更换连梁改变连梁塑性发展机制，将罕遇地震作用下的破坏集中于连梁中部可更换构件而两端连接梁保持弹性工作状态，震后更换损伤的构件便可快速恢复结构使用功能，符合可恢复功能结构的设计理念。设计制作两个1/5缩尺比的双筒体混凝土结构模型，通过振动台试验，对比研究了设置可更换连梁结构与普通连梁结构的结构振动特性及动力反应。结果表明，设置可更换连梁的结构前两阶自振频率随地震动幅值加大而下降的趋势一致；各楼层峰值加速度反应的变化规律基本相同，加速度放大系数基本保持一致；设置可更换连梁后结构的残余变形减小，震后残余位移最大值为1.26mm，对应的残余位移角最大值为0.14%，可恢复能力较好；混凝土连梁纵筋应变最大值始终比普通连梁结构小，可更换构件能够集中损伤，保证连梁混凝土部分完好；峰值加速度为0.8g的地震波输入前，墙根部纵筋应变减小。
桁架转换层被广泛应用于高层建筑中，以实现结构形式的垂直转换，多榀桁架交界处的节点，其受力性能对整个桁架的安全性影响较大。结合工程实例，对上海市长宁来福士广场东部裙房桁架转换层中的两处复杂节点进行1∶4缩尺模型试验和有限元分析，研究了节点的承载力、应变发展、受力性能和破坏模式。试验结果和有限元分析表明：节点具有较高的承载力和良好的耗能能力，满足设计要求；节点腹杆板件端部的尺寸放大，改善了腹杆的轴向传力，降低了应力集中。节点的薄弱部位位于型钢混凝土柱与弦杆翼缘的交界处，节点发生破坏时，弦杆和腹杆基本没有进入屈服状态。
现浇板参与受力会影响甚至改变钢筋混凝土框架节点的破坏模式，其对结构抗震性能的影响可通过计算有效翼缘宽度来反映。通过3个钢筋混凝土梁-柱-板边节点试件的低周反复荷载试验，对带现浇板的边节点破坏形态、滞回曲线以及现浇板纵向钢筋应变等进行了分析。研究结果表明：由于现浇板参与受力，增大了框架梁端弯矩，使得钢筋混凝土梁-柱-板边节点的下柱顶部发生破坏，未能实现“强柱弱梁”预期破坏机制；现浇板纵筋应变随层间侧移角增加而增大，在相同层间位移角下，板筋应变值随距梁侧距离的增大而减小。为进一步对钢筋混凝土梁-柱-板边节点的受力机理进行研究，以力学模型为基础建立了现浇板受拉有效翼缘宽度计算方法，根据建议公式对8组钢筋混凝土梁-柱-板边节点现浇板的有效翼缘宽度进行分析，计算结果与试验结果吻合较好，建议的计算方法有效解决了设计规范中经验公式计算结果离散性大的问题。
准确预测结构的震后残余变形，对于结构震后性能控制及建立考虑可修复性的抗震设计方法具有重要意义。通过对不同参数的双线性单自由度（SDOF）体系分别在100条标准地震动输入下弹塑性地震反应的统计分析，研究了模型参数和地震动不确定性对SDOF体系残余变形和最大弹塑性变形的影响；建立了双线性SDOF体系震后残余变形的概率计算模型。结果表明：不同地震动输入下SDOF体系的残余变形与最大弹塑性变形之比（dR/dm）存在明显的离散性，且离散程度与结构的刚度比、自振周期、相对屈服荷载系数及峰值地面加速度相关；dR/dm的统计分布规律服从对数正态分布，基于该分布函数建立的计算模型可对给定超越概率条件和地震水平下SDOF体系的震后残余变形进行预测。通过典型算例分析认为，可以采用所建议的模型进行SDOF体系震后残余变形分析及可修复性评估。
部分填充式组合结构具有预制化程度高、节点连接方便等优点。对部分填充式组合结构的梁柱节点进行改进，通过在节点处设置隔板，使混凝土浇筑能够控制在小范围内；加劲式外伸端板的构造能够抵抗正、负弯矩作用；同时改进了相连构件中翼缘连杆的连接型式，使之对翼缘的局部屈曲提供更有效的约束。设计了2个试件，对其进行静力试验，研究节点的破坏机理、受剪承载力和变形能力。试验表明：试件承载力未出现下降趋势，节点具有良好的延性。在合理假定基础上，构建节点受剪承载力的理论模型并推导了计算公式，与试验结果进行对比，二者吻合良好。
为研究密柱框筒结构中全装配式桁架梁组合楼盖的平面内刚性性能，设计并制作了4个单筒结构的1/3缩尺结构模型（单层、两层框筒模型各两个），通过楼盖平面内单向加载试验，研究了该类装配式楼盖在平行于及垂直于拼装板缝方向受力时楼盖平面内受力变形性能、裂缝开展形态、水平荷载的分配与传递性能、楼盖的平面内刚度及整体变形性能。研究结果表明：在相应于7度罕遇地震的楼层水平力作用下，该组合楼盖在平行于及垂直于拼装板缝方向受力时均处于弹性工作状态；楼盖在平行于拼装板缝方向受力时，受力变形性能与深梁类似，而在垂直于拼装板缝方向受力时，楼盖平面内呈各装配板单元的各自受弯状态，楼盖体系在平行于拼装板缝方向受力时整体性较好，而在垂直于拼装板缝方向受力时整体性一般。
基于全装配式桁架梁组合楼盖的缩尺模型试验，采用Midas/Gen有限元软件对其进行了分析模拟，通过与试验研究结果的对比，验证了有限元分析模型的准确性。在楼盖刚性假定的基础上，对试验楼盖在楼层水平力作用下的平面内受力变形性能进行了模拟分析。研究结果表明：考虑楼盖平面内刚度与假定楼盖理想刚性两种情形下，该全装配式桁架梁组合楼盖的整体位移偏差较大，而柱端剪力偏差较小；美国规范（ASCE/SEI 41-13）评估法不适合该类楼盖的刚性性能评估；建议综合考虑楼盖整体位移与柱端剪力在考虑楼盖平面内刚度与假定楼盖理想刚性时的偏差均不超过10%作为全装配式楼盖平面内刚性性能分析评估的指标；基于该分析评估指标，全装配式桁架梁组合楼盖属于非刚性楼盖。
预制装配式钢框架中箱形柱与工形梁之间采用螺栓连接会存在一定的施工困难，为此，提出了一种箱形柱与工形梁之间采用端板连接的节点形式及其3种预制方法，进行了1个足尺节点试件的单调加载试验和3个分别采用侧面开窗、正面开窗和中间截断预制方法的足尺节点试件的循环加载试验。测得了加载过程中各节点的弯矩、转角、层间位移角和主要截面的应变分布，分析了该种节点的承载力、刚度、转动性能、耗能能力和失效模式，对比了3种不同预制方法对节点受力性能的影响。研究结果表明：采用不同预制方法的节点，其力学性能相似，都具有较大的转动刚度和延性，节点转角主要受端板相连的柱壁板的鼓曲影响；所采用的3种预制加工方法均可以满足节点抗震设计要求，但在实际工程中建议优先采用性能更好的侧面开窗或中间截断加工方法。
为研究H型钢柱弱轴连接组合节点的抗震性能，采用柱顶加载模式完成了5个栓焊混合连接的不同构造形式的足尺十字形节点的循环加载试验，对各试件的试验现象、滞回曲线、延性、耗能及楼板滑移进行了分析。结果表明：焊接质量是避免节点脆性破坏的首要保证；各试件的层间位移角均达到了0.04rad，其中有4个试件的梁端对应弯矩大于0.8Mp，满足美国AISC的要求；加腋型组合节点试件破坏形式为柱屈曲，滞回曲线饱满，其余各试件由于梁下翼缘焊缝不同程度的破坏，腹板连接螺栓出现滑移，滞回曲线呈现反S形，但梁上翼缘焊缝均保持完好，故负弯矩作用下的延性优于正弯矩作用下的；各试件能量耗散系数随着位移的增加而逐渐增大；当抗剪连接度达到50%时，在整个加载过程中栓钉均保持完好，且楼板与钢梁的相对滑移基本不足1mm，可忽略不计，说明采用部分抗剪连接对所给出的节点形式具有可行性。
为研究传统风格建筑的钢框架结构的破坏形态和抗震性能，以位于抗震设防烈度8度区的一传统风格建筑钢框架结构为原型，按1∶2缩尺比例制作了试验模型，对其进行了低周反复加载试验。试验中观察了钢框架结构的受力过程及破坏形态，得到了结构的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、应变特征、延性、耗能性能、刚度与承载力退化等。试验结果表明: 传统风格建筑钢框架结构的斗、栱构件在水平荷载作用下可作为第一道抗震防线，梁端塑性铰发展充分，满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震要求；滞回曲线出现捏拢现象，呈Z形变化，表现出剪切滑移特征，与常规钢框架结构有明显的差异；在加载前期刚度退化较为显著；结构破坏时，极限位移角达到1/20，承载力退化系数接近0.9，表现出良好的抗倒塌能力和稳定的承载力。
在古建筑木结构中，将木柱直接平摆浮搁于础石之上，形成连接上部结构与台基之间的柱脚节点，其只承受压力而不承受拉力。在反复荷载作用下，木柱会沿柱脚边缘转动。为研究柱脚节点在地震、风荷载等作用下的受力性能，参考宋代《营造法式》制作了3个七等材足尺柱脚节点模型。通过低周反复荷载试验对柱脚节点的受力特点、滞回特性、转动刚度、刚度退化、柱脚截面等效半径和柱脚边缘点应变等特性进行研究，并分析了竖向荷载对上述性能的影响。试验结果表明：在反复荷载作用下，柱脚边缘出现受压变形，其转动支点交替变化；滞回曲线呈反Z形，产生捏拢现象；柱脚节点恢复弯矩和柱脚截面等效半径首先随转角增加而增加，而后逐渐趋于稳定；柱脚节点的初始转动刚度较大，随后刚度随转角增加逐渐减小；在反复荷载作用下，柱脚节点产生刚度退化现象，加载过程中，柱脚转动刚度为正值，表明其具有较好地转动性能；柱脚恢复弯矩、转动刚度、边缘点应变随竖向荷载增加明显增加，柱脚截面等效半径随竖向荷载增加而减小；通过试验拟合得到了竖向荷载对恢复弯矩和转动刚度的影响系数。
重组竹是一种类似于木材的定向复合材料，其顺纹受压应力-应变非线性特征显著，故重组竹受弯构件和压弯构件在承载能力极限状态下亦呈明显的非线性特征。而现行相关设计规范仍采用线弹性计算方法，不能准确预估压弯构件的承载力。为此，将重组竹受弯构件和偏心受压构件统一为压弯构件，基于Euler梁理论，考虑材料的非线性应力-应变关系，建立了压弯构件在非弹性工作状态下的承载力计算方法。通过重组竹梁受弯试验和重组竹柱偏心受压试验，验证了所提方法的准确性。
利用水平低周反复加载试验与声发射监测技术，开展了受弯钢筋混凝土（RC）柱的宏/微观地震损伤演化试验研究。根据试件损伤演化过程和破坏特征，确定了其损伤性能点，并与已有试验研究结果对比，分析了各性能点对应的位移角。利用Park-Ang损伤模型，依据PEER数据库55根RC柱的试验结果，统计并分析了概率损伤性能水准。声发射信号参数分析表明：累积计数率比曲线和累积能量率比曲线与Park-Ang损伤曲线之间具有较好一致性，基于三者拟合曲线之间的关系，可得到声发射评估模型的表达式，其评估结果符合概率损伤性能水准；声发射b值曲线演化特征与试件损伤演化特征相一致，b值曲线的发展趋势能够反映试件的宏观和微观损伤演化过程。
基于缩尺模型子结构混合模拟试验方法，将正态分布随机数引入测量误差，利用MATLAB和OpenSEES混合编程技术，分别对剪切型模型、弯剪型模型进行了考虑测量误差的子结构混合模拟数值模拟分析。数值模拟结果表明：在满足JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验方法规程》的误差范围内，缩尺比为1/2、1/4缩尺模型的测量误差与足尺模型相应测量误差基本相当。在缩尺比例不小于1/4情况下，随着地震峰值加速度增大，总的累积相对差值呈增加趋势；在相同地震峰值加速度作用下，总的累积相对差值随梁柱线刚度比增加呈减少趋势。通过1/2钢框架子结构混合模拟试验，验证了所提出的缩尺模型子结构混合模拟试验方法的精准性和可行性。
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