学术前沿 | 走访西安建筑科技大学混凝土结构与抗震研究团队

2019年12月5日上午，《建筑结构学报》编辑部一行4人走访了混凝土结构与抗震研究团队。团队负责人史庆轩教授，团队骨干郑山锁教授、门进杰教授、陶毅副教授、王秋维副教授、郭秀秀副教授、丁怡洁讲师、王朋讲师、王斌讲师、戎翀讲师及部分博士研究生参加了本次交流活动。

交流会上，史庆轩教授对编辑部的到访表示了热烈欢迎，并介绍了团队成员构成及主要研究工作。

▲ 交流现场

混凝土结构与抗震研究团队共有14人，其中教授5人，副教授5人，讲师/师资博士后4人。近年来，团队成员共主持国家科技支撑计划项目1项、重点研发专项课题1项、国家自然科学基金面上项目和重大研究计划项目13项，国家科学技术学术著作出版基金项目1项，省部级科研项目28项，获省部科技进步奖9项，获国家发明专利100余项、国家软件著作权30余项，发表学术论文1000余篇（其中400余篇被SCI、EI收录），主编著作14部，编制规范标准15部，培养硕、博士研究生200余人。

▲ 研究团队

团队主要研究方向包括高层建筑结构抗震及设计理论方法、钢-混凝土组合结构及混合结构、新型材料与新型结构体系、城市多龄期建筑震害模拟与风险评估、工程结构抗震减震和工程结构随机振动等。具体如下：

一 高层建筑结构抗震及设计理论方法

1 带翼缘剪力墙抗震性能与计算模型研究

研究了钢筋混凝土带翼缘剪力墙在单轴及双轴地震作用下的破坏机理和抗震性能，基于PIV测试技术实现了剪力墙变形全过程的解耦，揭示了弯曲、剪切以及滑移变形所占比重在受力过程中的变化规律，建立了异形截面剪力墙截面曲率和延性的计算方法，提出了一种考虑弯曲、剪切和纵筋滑移贡献的RC带翼缘剪力墙荷载-变形分析模型；研究了带翼缘剪力墙剪滞效应的发展规律，量化了不同参数对剪滞效应的影响，推导了带翼缘剪力墙有效翼缘宽度的弹性解析解，建立了极限状态下有效翼缘宽度的简化计算方法，提出了RC带翼缘剪力墙承载力计算方法。

2 高层建筑混合结构三向地震作用下的损伤机理研究

研究新型型钢混凝土组合柱、钢-混凝土组合连梁等构件在低周反复加载下的损伤演化和破坏机理，提出了高层建筑混合结构三向地震作用下非线性动力行为的宏观建模理论与方法，研究了多维地震作用下混合结构各楼层、各构件间的能量分布和耗散规律，分析了竖向地震动输入特性和双向水平地震动输入工况对结构损伤演化和破坏机理的影响，揭示三向地震作用下高层混合结构的损伤演化规律和破坏机理，提出了框架-核心筒结构的合理损伤模式，并给出了控制合理损伤模式的结构设计建议。

3 斜交网格筒体结构损伤机制与设计方法研究

研究了钢管混凝土斜柱及其相贯节点在低周往复荷载下的损伤演化、破坏机理、破坏模式和抗震性能，建立了两类关键构件的承载力计算模型与设计方法。采用连续化方法建立了斜交网格筒抗侧力单元的等效连续体模型，基于能量变分原理提出了水平荷载下结构体系弹性受力性能的分析方法，明确了斜交网格筒结构的剪力滞后效应，建立了水平荷载下框架-斜交网格筒结构分析方法。通过结构体系弹塑性地震反应、地震能量反应、相应参数分析，研究了该类结构体系的屈服路径、地震损伤机制、内外筒协同工作性能及其剪力分配规律。提出了高层斜交网格筒结构的地震需求模型，从损伤角度建立了结构抗震性能水准和性能目标，提出了该类结构基于目标风险反应谱的静力推覆和弹塑性时程分析方法的抗震性能评估理论框架。

4 高层住宅混凝土剪力墙结构优化设计方法

提出了高层建筑混凝土剪力墙结构优化设计的原则、技术要点，并以材料用量为目标函数，基于我国现行规范，对不同工况下典型“板式”和“塔式”高层住宅建筑剪力墙结构进行了的优化分析与设计；考虑高宽比、抗震设防烈度的影响，给出了高层住宅建筑剪力墙结构建筑材料用量的理论值和建议值范围，绘制了标准化施工图纸。上述成果应用于西安“曲江公园世家”等工程项目，形成良好的经济效益和社会效益。

二 钢与混凝土组合结构

1 钢-高性能混凝土组合与混合结构性能及设计理论研究

从材料、构件及结构的相关科学问题入手，以材料自身性能增强钢-混凝土界面的黏结性能为突破点，研发出适用于钢-混凝土组合与混合结构、耐久性能和黏结强度均得到显著增强的高性能混凝土材料，率先提出了钢-高性能混凝土组合与混合结构体系，通过大量试验、理论分析、数值模拟与工程实践，最终形成了集设计、分析、评估、优化及施工于一体的钢-高性能混凝土组合与混合结构的基本性能评价及设计理论体系。成果已成功应用于90余项工程项目中。

2 RCS组合/混合框架结构体系及抗震研究

提出一种新型的钢梁腹板贯通、翼缘部分切除的钢筋混凝土柱-钢梁（RCS）组合节点及组合框架。从系列节点的地震破坏机理、抗震性能和受剪承载力计算方法、节点恢复力模型、组合框架的地震破坏机理和抗震性能，以及基于延性破坏、基于性能的抗震设计准则和设计方法等方面，开展了系统的研究。

3 钢桁架约束混凝土组合结构抗震机理研究

研发了钢桁架约束混凝土组合柱构件，探讨了混凝土强度、角钢的尺寸、缀板的尺寸、板间距及增加内部约束对角钢桁架约束混凝土组合柱以及内部约束混凝土力学性能的影响规律，分析了组合柱中角钢桁架的应力水平，揭示了角钢桁架对核心混凝土的约束作用机理。建立了组合柱在水平反复荷载下不同阶段的受力特点及损伤演化，确定了约束混凝土对组合柱抗震性能的影响规律。

4 钢管约束UHPC黏结滑移及轴压机理研究

提出以套箍系数和长径比为主要因素的钢管UHPC黏结强度计算模型，利用加载过程中钢管壁纵向应变沿长度方向上的分布，提出了黏结应力分布函数，建立了钢管UHPC黏结滑移本构模型。提出钢管约束UHPC应力-应变曲线特征点的表达式，建立了约束UHPC轴压本构模型，并结合双剪统一强度理论提出短柱在不同加载方式下的轴压承载力计算方法。

三 新型材料与新型结构体系

1 高强箍筋约束混凝土结构及设计理论

提出高强箍筋约束高强混凝土受压破坏准则和应力-应变本构模型，建立了高强箍筋高强混凝土受弯构件的受剪承载力模型和设计计算理论、高强箍筋约束高强混凝土短柱和节点的受剪承载力模型及其设计计算理论；研究了高强箍筋高强混凝土压弯构件曲率延性和位移延性之间的关系，提出在满足构件有限延性基础上的轴压比限值和配箍水平，建立依据其延性需求确定其抗震受剪承载力的设计理论，为高强钢筋进一步推广提供技术支撑。

2 超高性能纤维增强混凝土(UHPC)材料及新型结构研究

制备出成本适中、高固废物掺量、少掺（或免掺）钢纤维的超高性能混凝土，其高温养护下抗压强度大于230MPa，抗拉强度达到11MPa,常温养护下抗压强度大于120MPa。通过配合比及制备工艺优化，使强度和流动性指标均满足要求，并且初步解决了大体积UHPC浇筑水化反应放热问题。对UHPC材料的力学性能进行了系统的试验研究和理论分析，提出了UHPC轴心抗压强度、抗拉强度、弹性模量的确定方法，建立了UHPC受拉、受压本构模型；对高强钢筋与UHPC的黏结滑移性能进行了试验研究及理论分析，提出了其黏结强度的确定方法，建立了高强钢筋与UHPC的黏结-滑移本构模型。对UHPC梁的受弯及受剪性能进行了试验研究和理论分析，建立了大跨高比UHPC梁的受弯承载力计算模型以及短期刚度计算模型；建立了UHPC梁的受剪承载力计算模型。采用UHPC制作免拆模板，制作UHPC模板钢筋混凝土板及梁试件，对其进行试验研究及理论分析，提出了免拆UHPC模板钢筋混凝土板的承载力计算模型，以及免拆UHPC模板钢筋混凝土梁的承载力计算模型及短期刚度计算模型。

3 FRP在高性能组合结构及结构抗震加固中的应用

研究了FRP约束UHPC的性能，提出了不同约束刚度下的混凝土本构模型。在此基础上提出了含FRP约束UHPC芯柱的结构体系，研究了含芯柱的组合柱及梁-柱节点的性能，提出了含芯柱的组合柱承载力计算模型，组合柱压弯承载力计算模型，梁柱节点抗震承载力计算模型。提出了FRP网格-锚固件联合加固砌体墙体的加固工法、最小加固区确定原则、墙体受剪承载力计算方法。提出了FRP网格加固钢筋混凝土梁的受弯及受剪承载力计算方法。研究了采用FRP网格+FRP条带组合约束混凝土的性能，使约束混凝土在强度和延性得到提高的同时，呈现一定的延性破坏特征。针对FRP-混凝土黏结界面性能的数值模拟研究，提出了基于塑性应变的混凝土塑性损伤本构模型，准确的模拟了FRP加固素混凝土梁、FRP加固钢筋混凝土梁的剥离破坏全过程。

4 纤维增强混凝土新型抗震结构研究

对纤维增强混凝土柱、剪力墙、连梁、梁柱节点、梁-柱-板组合件以及钢筋混凝土框架-纤维增强混凝土耗能墙结构的抗震性能进行了试验研究及理论分析，揭示了这些构件/结构的破坏机理及抗震性能，建立了各自的力-变形计算模型及恢复力模型。

5 高延性混凝土材料及加固结构抗震设计方法研究

研发了一种具有高韧性、高抗裂性能和高耐损伤能力的高延性混凝土（HDC），其极限拉伸应变可达到3%以上，可显著改善混凝土和砌体结构的抗震性能、抗剪性能和耐损伤能力。系统开展了高延性混凝土相关力学性能的研究，建立了等效弯曲韧性、抗压韧性的评价方法以及单轴受压和单轴受拉本构模型。系统研究了高延性混凝土组合砖柱、组合砖墙、组合圈梁和组合构造柱，建立了高延性混凝土加固砌体结构的抗震设计方法及抗震构造措施，为高延性混凝土的设计、施工验收提供了重要支撑。采用高延性混凝土加固的2层砌体结构，经历了9度（罕遇）双向地震作用，仍处于弹性阶段，没有出现明显的可见裂缝，显著提高了砌体结构的抗震能力。开展了高延性混凝土加固混凝土结构的试验研究，建立了高延性混凝土受剪加固混凝土梁和剪力墙、受压加固混凝土柱的计算方法。

四 城市多龄期建筑震害模拟与风险评估研究

1 混凝土结构非线性机制的数值模拟技术研究

对混凝土结构在荷载和环境因素作用下的非线性行为及数值模拟方法开展了较为系统的研究，提出了高精度的数值仿真技术，可用于模拟混凝土框架结构地震损伤破坏过程中的黏结滑移（柱脚转动）行为、冻融环境中混凝土框架结构非线性破坏过程、锈蚀钢筋混凝土框架结构剪切-滑移-弯曲耦合行为。

2 多龄期建筑结构地震灾害模拟及损失评估研究

围绕多龄期建筑结构时变性能劣化规律揭示与表征及震害风险评估与控制等核心问题，基于大量物理模型试验、工程实测、理论分析与数值模拟，在地震预测、震害模拟、损失评估、风险控制、平台开发等方面取得了系列创新性成果，形成了完整、系统的城市区域既有建筑集震害预测、模拟、评估与控制于一体的成套理论技术体系，开发出适用于我国地震特点、建筑特点、人口与经济特点的地震灾害模拟及损失评估系统平台，实现了我国大中城市震害风险与损失的科学高效预测与评估。

五 工程结构抗震减震

1 基于性能的抗震设计

针对我国抗震规范中，地震作用水平从多遇地震到罕遇地震的超越概率相差较大的现状，提出了“四水准”的设防目标。建立了钢筋混凝土框架结构在地震作用下处于暂时使用和修复后使用性能水平的量化指标。针对框架结构、框架-剪力墙结构和剪力墙结构，考虑高振型的影响并结合结构的损伤控制极限状态，提出了结构的多性能目标控制方法以及直接基于位移的抗震设计方法。针对带加强层高层建筑结构和消能减震结构，推导了结构的等效线性化方法，建立了直接基于位移的抗震设计方法。针对竖向和平面不规则框架结构的特点，分别提出了改进的非线性静力分析水平侧向力分布形式，以屈服承载力系数为参量，建立了基于延性系数的弹塑性需求曲线方程，提出了基于等延性需求谱的结构抗震性能评估方法。建立了以各楼层为研究对象的层间能力谱法和扭转角能力谱法，用于两类不规则结构的抗震设计和性能评估。

2 地震功能可恢复结构

创建了一种带耗能框架和可更换构件的混合框架结构体系，不但可用于大跨度、重荷载的建筑结构，还能实现整体结构的震后功能可恢复。提出了混合框架结构可更换梁抗震性能及可更换性评价标准，建立了带可更换构件的RCS混合框架结构性能抗震设计方法。

3 屈曲约束支撑抗震性能

提出了一种基于Q195钢为芯材的低屈服点全钢装配式屈曲约束支撑，研究了该全钢装配式屈曲约束支撑的抗震性能。揭示了减震耗能支撑受低周往复荷载下的受力机理和失效模式，提出了减震耗能支撑承载力、整体稳定性、局部稳定性、连接段稳定性的计算或验算方法，确定了屈曲约束支撑的等效刚度，并对屈曲约束支撑在框架结构抗震中的效用进行了分析，提出了抗震设计方法。

六 工程结构随机振动

1 复杂随机激励下非线性系统的响应研究

随机激励普遍存在于自然及工程等领域中，对其进行准确地表征具有重要的科学意义。已有的研究通常简化随机激励模型，使得系统的响应跟实际情况有着很大差别，直接影响对结构安全性的评估。团队针对这个问题, 考虑了复杂的激励模型、激励之间的相关性、激励的频谱特性和非平稳性，改进了研究方法，研究了复杂激励下非线性结构的随机响应。

2 地震随机荷载作用下工程结构动力响应的研究方法

地震动作用下工程结构的响应研究，其核心是多自由度非线性系统随机响应的研究。但由于该问题的研究难度很大，到目前为止还没有一个普遍适用的方法，已有的研究大多针对单自由度或很少自由度且是一般意义上简单的非线性系统，并且局限于平稳随机振动的近似计算。为了解决这个巨大挑战，团队发展了多自由度系统非平稳随机响应的研究方法，解决了多自由度系统响应难于分析的问题，建立了工程结构抗震可靠度分析的新途径。

交流活动中，李淑春副主编就《建筑结构学报》的稿件审理流程和编辑加工过程予以介绍，双方就如何提高期刊质量、加强与科研团队合作等方面展开交流。

交流活动结束后，编辑部一行在史庆轩教授及建筑学院老师的带领下参观了西安建筑科技大学建筑学院。

▲ 参观建筑学院

通过此次交流走访，加深了《建筑结构学报》编辑部与西安建筑科技大学混凝土结构与抗震研究团队的相互了解。本次交流走访得到了史庆轩教授及研究团队的大力支持，在此《建筑结构学报》编辑部全体工作人员深表谢意!

▲ 合影