建筑科学与技术

薄板混凝土组合截面部分外包组合柱（弱轴）滞回性能足尺试验研究

方有珍，顾强，申林，等

摘要：目的：现有欧洲规范EC4仅对型钢截面PEC柱设计相应的计算方法和构造措施提出了指导性建议，而薄板混凝土组合截面 PEC柱力学性能方面的研究相对匮乏，一定程度上制约了其工程应用。本文选择薄板混凝土组合截面PEC柱（弱轴）在恒定轴力下进行水平低周反复荷载试验研究，揭示薄板混凝土组合截面PEC柱（弱轴）的抗震性能和破坏机理，为其理论研究和工程应用提供理论支撑与技术储备。方法：选择层高为 4米的框架中间层柱为原型，取反弯点以下的一段制作足尺试件，其中PEC柱采用Q235钢板焊接组合截面弱轴布置；拉结筋HPB235；混凝土强度等级分别为C20、C25和C35。试验加载方案中，首先对试件施加恒定轴压力，随后通过力与位移混合控制施加水平循环荷载，考虑到混凝土的稳定性，每级加载阶段力求 3个循环，加载至试件承载力下降到超过其极限承载力85%为终止试验的标志。结果：（1）薄壁钢板组合截面PEC柱（弱轴）试件的破坏模式均为柱脚部位混凝土压溃，随之薄板翼缘局部屈曲，形成明显的弯压破坏；（2）薄壁钢板组合截面 PEC柱（弱轴）试件试件正向滞回曲线“捏缩”现象不明显，且随着荷载的增加，滞回曲线趋向饱满，而负向滞回曲线由于受拉侧翼缘板先前受压屈曲变形恢复而表现出明显的“捏缩”现象；（3）薄板混凝土组合截面PEC柱（弱轴）试件的延性系数和平均等效滞回耗能系数均大于2，表明试件作为框架结构受压构件可以改善结构体系的延性和抗倒塌能力，更好地满足工程抗震要求；（4）混凝土强度和拉结筋的间距对试件的初始峰值刚度影响不明显，而拉结筋间距的加密使得试件整体性更好。结论：薄壁组合截面PEC柱（弱轴）具有较高的承载能力与初始抗侧刚度和一定的延性与耗能能力；初始刚度随着混凝土强度或拉结筋间距的改变不明显；破坏模式为薄壁钢板组合截面破坏模式是柱跟部位混凝土压溃脱落，伴随拉结筋屈服和薄板翼缘局部屈曲。

来源出版物：建筑结构学报, 2012, 33(4): 113-120

入选年份：2016

大跨度空间结构连续性倒塌研究方法与现状

赵宪忠，闫伸，陈以一

摘要：目的：大跨空间结构的形体复杂、体量巨大、覆盖范围广，因而在遭遇非预期荷载作用并因局部失效诱致结构发生连续性倒塌时，将造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。目前国内外针对框架结构的连续性倒塌研究已相对成熟，但针对大跨空间结构连续性倒塌的研究尚处于起步阶段。本文从数值模拟、试验研究和理论分析3个方面评述已有的连续性倒塌研究成果和研究方法，探讨并揭示空间结构连续性倒塌的关键问题和基本对策。方法：连续性倒塌研究的关键在于明确初始局部破坏后结构传力路径重构的机制与能力，这一点对于不同类型的结构都是相同的。因此，批判性地借鉴已有框架结构倒塌研究中较为成熟的结论与方法，针对空间结构特有的拓扑和力学特性，综合归纳并评述大跨空间结构连续性倒塌的数值模拟技术、基于多尺度方法的数值反演难点、倒塌试验系统的构建关键问题、空间结构倒塌机制和抗倒塌能力的定量评估方法。结果：（1）数值模拟方面，断裂失效与不连续位移场的描述、冲击—接触问题、大位移/大转动的描述和构件非弹性本构模型是空间结构倒塌过程反演的 4个关键问题，综述了问题的本质和特点、解决的技术要点，并从方法选取、计算效率等角度给出了实际应用时的处理建议。由于倒塌过程的因（材料失效断裂）与果（结构倒塌）位于不同量级的空间尺度上，多尺度数值计算方法是未来连续性倒塌研究的重点，其中基于离散空穴的材料断裂损伤模型构建是其基础、信息传递方法和一致多尺度方法是其两种建模方法。（2）试验研究方面，归类并评述已完成的连续性倒塌试验，提出空间结构连续性倒塌系统构建的4个关键技术问题，即模型设计精确性与外荷载随动施加、局部初始破坏的瞬态触发、高速高频动态数据采集系统布控、以及结构破坏模式的确定。建议采用机械装置完成局部初始破坏的触发，动态大位移测量的发展方向是集成高速影像与接触式位移、加速度传感器的传感器网络。（3）理论分析方面，综述了框架结构及部分类型空间结构的倒塌抵抗机制，指出对应于不同几何拓扑和传力机制的空间结构体系，其倒塌机制亦不相同。结构鲁棒性是避免结构连续性倒塌的关键，目前框架结构的鲁棒性定量评价多依据能量平衡思想，而大跨空间结构的倒塌模式并非由于结构形成足够多塑性铰而成为机构，因此其仍倾向于采用基于静力计算的构件重要性评价方法来评价结构的冗余特性和识别关键构件。结论：借助通用有限元分析程序对结构倒塌的全过程进行数值模拟是现阶段的一个主流研究方法，此时应注意加深对不连续位移场描述等关键问题的理解。多尺度数值计算方法可以在精度和计算代价之间寻求一个较好的平衡点，是未来倒塌数值模拟的发展方向。连续性倒塌试验系统构建和基准模型试验是空间结构倒塌研究的基石，其核心是初始破坏的触发和动态数据的测量。由于具有不同拓扑和传力特点的空间结构体系的抗倒塌机制有明显差别，有必要针对不同类型的结构评价其抗倒塌能力；目前对结构抗倒塌能力的定量评估主要有鲁棒性评价和构件重要性判断两种方法，前者多基于能量平衡思想，后者多基于静力计算并为空间结构倒塌评估所采用。

来源出版物：建筑结构学报, 2013, 34(4): 1-14

入选年份：2016

高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能试验研究

段留省，苏明周，郝麒麟，等

摘要：目的：高强钢组合偏心支撑钢框架是一种耗能梁段采用较低屈服点钢材（Q235，Q345），其他构件采用高强度钢材（Q460，Q690）的新型结构体系。耗能梁段通过弹塑性变形耗散地震能量，但同时会产生应变硬化现象，要求梁、柱及支撑保持弹性以提供足够的约束。高强度钢材可以用于这些构件，从而降低用钢量，推动高强钢在钢结构领域的应用。通过试验考察这种新型结构体系的抗震性能。方法：采用单调加载和循环加载两种试验方法。设计 4个 1∶2缩尺的单层单跨高强钢组合K形偏心支撑钢框架平面试件，耗能梁段由Q345钢材制作，梁、柱和支撑均由Q460钢制作，不同强度钢材焊接时按强度较低钢材选用焊接材料。试验以耗能梁段长度为变化参数，长度 600 mm的为剪切屈服型，长度1200 mm的为弯曲屈服型。试件中采用一根两端铰接的刚性横梁替代楼板传递水平荷载；为防止耗能梁段和框架平面外失稳，专门设计一套滑板侧向支撑体系，减小试件平面运动时的摩擦力；试件与刚性地面采用高强螺栓连接。为防止钢柱局部变形，钢柱与梁节点上部采用加腋加强。竖向荷载由滚轴支座千斤顶施加，水平荷载由电液伺服作用器施加。单调加载试验采用位移控制，循环加载试验采荷载-位移混合控制。试件的应力和变形分别通过应变片和位移传感器观测，试验中重点观察板件的屈曲和焊缝热影响区的裂纹。单调加载和循环加载的荷载-位移曲线由荷载传感器和外位移传感器自动记录。分析荷载-位移曲线，讨论试件的承载力、刚度、延性和耗能能力和耗能机制，结合应力分析和试验现象，得到试件的真实受力状态和破坏机理，评定试件的主要抗震性能指标。结果：（1）单调加载的破坏位移远大于循环加载，前者极限承载力高于后者，但相同位移处前者的荷载低于后者，差别约为 10%。（2）剪切屈服型耗能能力优于弯曲屈服型，前者位移延性系数高于后者，加载过程中前者的割线刚度始终大于后者，破坏时二者大致相同。（3）剪切屈服型试件各循环的等效黏滞阻尼系数和耗散能量值均大于弯曲屈服型试件，前者耗能梁段平均转动角度是后者的2.86倍；前者通过耗能梁段腹板的剪切变形耗散能量，后者通过翼缘弯曲变形耗散能量。（4）采用较低屈服点钢材的耗能梁段首先进入弹塑性工作状态，其他构件基本处于弹性工作状态，经历多次高应力循环后，耗能梁段翼缘、腹板焊缝热影响区发生断裂，结构整体刚度和耗能能力大幅降低。结论：高强钢组合K形偏心支撑钢框架极限承载力高、延性较好、耗能能力强，循环荷载下试件破坏主要集中在第一道抗震防线耗能梁段上；此时高强钢构件基本处于弹性工作状态、残余变形较小，保证耗能梁段的弹塑性变形充分发展，是一种有利于震后修复的双重抗侧力体系。

来源出版物：建筑结构学报, 2014, 35(7): 18-25

入选年份：2016