建筑科學與技術

薄板混凝土組合截面部分外包組合柱（弱軸）滯回性能足尺試驗研究

方有珍，顧強，申林，等

摘要：目的：現有歐洲規范EC4僅對型鋼截面PEC柱設計相應的計算方法和構造措施提出了指導性建議，而薄板混凝土組合截面 PEC柱力學性能方面的研究相對匱乏，一定程度上制約了其工程應用。本文選擇薄板混凝土組合截面PEC柱（弱軸）在恒定軸力下進行水平低周反復荷載試驗研究，揭示薄板混凝土組合截面PEC柱（弱軸）的抗震性能和破壞機理，為其理論研究和工程應用提供理論支撐與技術儲備。方法：選擇層高為 4米的框架中間層柱為原型，取反彎點以下的一段制作足尺試件，其中PEC柱采用Q235鋼板焊接組合截面弱軸布置；拉結筋HPB235；混凝土強度等級分別為C20、C25和C35。試驗加載方案中，首先對試件施加恒定軸壓力，隨后通過力與位移混合控制施加水平循環荷載，考慮到混凝土的穩定性，每級加載階段力求 3個循環，加載至試件承載力下降到超過其極限承載力85%為終止試驗的標志。結果：（1）薄壁鋼板組合截面PEC柱（弱軸）試件的破壞模式均為柱腳部位混凝土壓潰，隨之薄板翼緣局部屈曲，形成明顯的彎壓破壞；（2）薄壁鋼板組合截面 PEC柱（弱軸）試件試件正向滯回曲線“捏縮”現象不明顯，且隨著荷載的增加，滯回曲線趨向飽滿，而負向滯回曲線由于受拉側翼緣板先前受壓屈曲變形恢復而表現出明顯的“捏縮”現象；（3）薄板混凝土組合截面PEC柱（弱軸）試件的延性系數和平均等效滯回耗能系數均大于2，表明試件作為框架結構受壓構件可以改善結構體系的延性和抗倒塌能力，更好地滿足工程抗震要求；（4）混凝土強度和拉結筋的間距對試件的初始峰值剛度影響不明顯，而拉結筋間距的加密使得試件整體性更好。結論：薄壁組合截面PEC柱（弱軸）具有較高的承載能力與初始抗側剛度和一定的延性與耗能能力；初始剛度隨著混凝土強度或拉結筋間距的改變不明顯；破壞模式為薄壁鋼板組合截面破壞模式是柱跟部位混凝土壓潰脫落，伴隨拉結筋屈服和薄板翼緣局部屈曲。

來源出版物：建筑結構學報, 2012, 33(4): 113-120

入選年份：2016

大跨度空間結構連續性倒塌研究方法與現狀

趙憲忠，閆伸，陳以一

摘要：目的：大跨空間結構的形體復雜、體量巨大、覆蓋范圍廣，因而在遭遇非預期荷載作用并因局部失效誘致結構發生連續性倒塌時，將造成大量的人員傷亡和巨大的財產損失。目前國內外針對框架結構的連續性倒塌研究已相對成熟，但針對大跨空間結構連續性倒塌的研究尚處于起步階段。本文從數值模擬、試驗研究和理論分析3個方面評述已有的連續性倒塌研究成果和研究方法，探討并揭示空間結構連續性倒塌的關鍵問題和基本對策。方法：連續性倒塌研究的關鍵在于明確初始局部破壞后結構傳力路徑重構的機制與能力，這一點對于不同類型的結構都是相同的。因此，批判性地借鑒已有框架結構倒塌研究中較為成熟的結論與方法，針對空間結構特有的拓撲和力學特性，綜合歸納并評述大跨空間結構連續性倒塌的數值模擬技術、基于多尺度方法的數值反演難點、倒塌試驗系統的構建關鍵問題、空間結構倒塌機制和抗倒塌能力的定量評估方法。結果：（1）數值模擬方面，斷裂失效與不連續位移場的描述、沖擊—接觸問題、大位移/大轉動的描述和構件非彈性本構模型是空間結構倒塌過程反演的 4個關鍵問題，綜述了問題的本質和特點、解決的技術要點，并從方法選取、計算效率等角度給出了實際應用時的處理建議。由于倒塌過程的因（材料失效斷裂）與果（結構倒塌）位于不同量級的空間尺度上，多尺度數值計算方法是未來連續性倒塌研究的重點，其中基于離散空穴的材料斷裂損傷模型構建是其基礎、信息傳遞方法和一致多尺度方法是其兩種建模方法。（2）試驗研究方面，歸類并評述已完成的連續性倒塌試驗，提出空間結構連續性倒塌系統構建的4個關鍵技術問題，即模型設計精確性與外荷載隨動施加、局部初始破壞的瞬態觸發、高速高頻動態數據采集系統布控、以及結構破壞模式的確定。建議采用機械裝置完成局部初始破壞的觸發，動態大位移測量的發展方向是集成高速影像與接觸式位移、加速度傳感器的傳感器網絡。（3）理論分析方面，綜述了框架結構及部分類型空間結構的倒塌抵抗機制，指出對應于不同幾何拓撲和傳力機制的空間結構體系，其倒塌機制亦不相同。結構魯棒性是避免結構連續性倒塌的關鍵，目前框架結構的魯棒性定量評價多依據能量平衡思想，而大跨空間結構的倒塌模式并非由于結構形成足夠多塑性鉸而成為機構，因此其仍傾向于采用基于靜力計算的構件重要性評價方法來評價結構的冗余特性和識別關鍵構件。結論：借助通用有限元分析程序對結構倒塌的全過程進行數值模擬是現階段的一個主流研究方法，此時應注意加深對不連續位移場描述等關鍵問題的理解。多尺度數值計算方法可以在精度和計算代價之間尋求一個較好的平衡點，是未來倒塌數值模擬的發展方向。連續性倒塌試驗系統構建和基準模型試驗是空間結構倒塌研究的基石，其核心是初始破壞的觸發和動態數據的測量。由于具有不同拓撲和傳力特點的空間結構體系的抗倒塌機制有明顯差別，有必要針對不同類型的結構評價其抗倒塌能力；目前對結構抗倒塌能力的定量評估主要有魯棒性評價和構件重要性判斷兩種方法，前者多基于能量平衡思想，后者多基于靜力計算并為空間結構倒塌評估所采用。

來源出版物：建筑結構學報, 2013, 34(4): 1-14

入選年份：2016

高強鋼組合K形偏心支撐鋼框架抗震性能試驗研究

段留省，蘇明周，郝麒麟，等

摘要：目的：高強鋼組合偏心支撐鋼框架是一種耗能梁段采用較低屈服點鋼材（Q235，Q345），其他構件采用高強度鋼材（Q460，Q690）的新型結構體系。耗能梁段通過彈塑性變形耗散地震能量，但同時會產生應變硬化現象，要求梁、柱及支撐保持彈性以提供足夠的約束。高強度鋼材可以用于這些構件，從而降低用鋼量，推動高強鋼在鋼結構領域的應用。通過試驗考察這種新型結構體系的抗震性能。方法：采用單調加載和循環加載兩種試驗方法。設計 4個 1∶2縮尺的單層單跨高強鋼組合K形偏心支撐鋼框架平面試件，耗能梁段由Q345鋼材制作，梁、柱和支撐均由Q460鋼制作，不同強度鋼材焊接時按強度較低鋼材選用焊接材料。試驗以耗能梁段長度為變化參數，長度 600 mm的為剪切屈服型，長度1200 mm的為彎曲屈服型。試件中采用一根兩端鉸接的剛性橫梁替代樓板傳遞水平荷載；為防止耗能梁段和框架平面外失穩，專門設計一套滑板側向支撐體系，減小試件平面運動時的摩擦力；試件與剛性地面采用高強螺栓連接。為防止鋼柱局部變形，鋼柱與梁節點上部采用加腋加強。豎向荷載由滾軸支座千斤頂施加，水平荷載由電液伺服作用器施加。單調加載試驗采用位移控制，循環加載試驗采荷載-位移混合控制。試件的應力和變形分別通過應變片和位移傳感器觀測，試驗中重點觀察板件的屈曲和焊縫熱影響區的裂紋。單調加載和循環加載的荷載-位移曲線由荷載傳感器和外位移傳感器自動記錄。分析荷載-位移曲線，討論試件的承載力、剛度、延性和耗能能力和耗能機制，結合應力分析和試驗現象，得到試件的真實受力狀態和破壞機理，評定試件的主要抗震性能指標。結果：（1）單調加載的破壞位移遠大于循環加載，前者極限承載力高于后者，但相同位移處前者的荷載低于后者，差別約為 10%。（2）剪切屈服型耗能能力優于彎曲屈服型，前者位移延性系數高于后者，加載過程中前者的割線剛度始終大于后者，破壞時二者大致相同。（3）剪切屈服型試件各循環的等效黏滯阻尼系數和耗散能量值均大于彎曲屈服型試件，前者耗能梁段平均轉動角度是后者的2.86倍；前者通過耗能梁段腹板的剪切變形耗散能量，后者通過翼緣彎曲變形耗散能量。（4）采用較低屈服點鋼材的耗能梁段首先進入彈塑性工作狀態，其他構件基本處于彈性工作狀態，經歷多次高應力循環后，耗能梁段翼緣、腹板焊縫熱影響區發生斷裂，結構整體剛度和耗能能力大幅降低。結論：高強鋼組合K形偏心支撐鋼框架極限承載力高、延性較好、耗能能力強，循環荷載下試件破壞主要集中在第一道抗震防線耗能梁段上；此時高強鋼構件基本處于彈性工作狀態、殘余變形較小，保證耗能梁段的彈塑性變形充分發展，是一種有利于震后修復的雙重抗側力體系。

來源出版物：建筑結構學報, 2014, 35(7): 18-25

入選年份：2016