建筑科学与技术

叶列平，程光煜，曲哲，等

基于能量抗震设计方法研究及其在钢支撑框架结构中的应用

叶列平，程光煜，曲哲，等

目的：结构抗震本质上是一个耗散地震输入能量的过程。传统的基于承载力或基于位移的抗震设计并不能完全反映结构的损伤分布和损伤程度，因此也不能反映结构抗震的内在机理。基于能量的抗震设计是对于基于承载力和基于位移抗震设计的补充，通过合理的结构损伤耗能机制控制和构件耗能损伤设计，可实现大震抗倒塌设计的目标。本文提出一套完整的基于能量抗震设计方法，并通过算例介绍该方法的实际应用。方法：首先说明基于能量抗震设计与传统的抗震设计方法的关系，指出合理的结构损伤耗能机制控制是实现基于能量抗震设计的前提，并据此提出一个基于能量抗震设计的框架。随后，通过对前期工作的总结，确定基于能量抗震设计用能量谱，包括单自由度（SDOF）体系总输入能量EI谱，SDOF体系累积滞回耗能比EHi/EI谱以及多自由度（MDOF）体系EI，MDOF谱与SDOF体系EI谱的关系。另一方面，以5、10、20个自由度的剪切层模型MDOF体系在El Centro NS地震动作用下的位移延性系数和累积滞回耗能沿楼层的分布情况，说明整体结构的屈服后刚度对基于能量抗震设计的可靠性的影响。在此基础上，对一个5层和一个14层的具有明确主、次结构的钢支撑框架分别进行弹塑造性时程分析（THA）和静力弹塑性分析（MPA），说明后者在确定结构耗能分布方面的有效性。结合构件的承载力和变形需求，可进行构件层次的基于能量抗震设计。最后针对一位于我国8度抗震设防地区的15层钢支撑框架结构，介绍了所建议的基于能量抗震设计方法的实际应用，并对设计得到的钢支撑框架结构进行10条地震记录作用下的弹塑性时程分析，以检验其结构构件变形和累积滞回耗能分布的准确性。结果：在基于能量抗震设计的地震作用方面，按照结构一阶周期所对应的弹塑性SDOF体系的总输入能量EI谱来确定弹塑性MDOF体系的输入能量EI，MDOF可以满足工程设计的要求。另一方面，鉴于屈服后刚度对结构变形模式和损伤机制有明显的影响，建议在基于能量抗震设计中保证屈服后刚度系数g≥0.5。这样的屈服后刚度系数也能够使累积滞回耗能EH与结构响应峰值量之间有较好的线性对应关系。在此基础上，5层和14层的钢支撑框架结构的算例分析表明，MPA方法确定罕遇地震作用下支撑和框架梁延性系数沿结构高度的分布与典型El Centro EW地震输入下时程分析结构基本吻合。MPA方法同时可以确定各楼层中各构件的累积滞回耗能分布。最后，15层钢支撑框架结构基于能量抗震设计算例表明，本文建议的平均能量谱偏于安全，按本文方法计算得到的总累积滞回耗能和累积滞回耗能沿结构高度和水平方向的分布为由10条地震动记录弹塑性时程分析结果的偏大值，对实际工程结构设计来说偏于保守。结论：本文提出了基于能量抗震设计与损伤耗能分布控制的关系，给出了MDOF体系地震输入能量EI，MDOF谱和累积滞回耗能比的确定方法，研究了屈服后刚度系数g对EH分布的影响规律。以钢支撑框架结构为例，介绍了基于能量抗震设计方法的具体应用。本文研究表明，基于能量抗震设计方法的实现，需与结构损伤耗能机制控制相结合，以更全面地评价结构的抗震性能，确保结构的抗震安全。

来源出版物：建筑结构学报, 2012, 33(11): 36-45

入选年份：2015

960 MPa高强度钢材轴压构件整体稳定性能试验研究

班慧勇，施刚，石永久

摘要：目的：现代结构工程对结构材料高强化的要求日益显著，已有一批建筑和桥梁结构成功采用了强度等级在460 MPa以上的高强度结构钢材，并实现了良好的经济和社会效益，在结构安全、建筑使用、节能环保等方面均体现出了较强优势。然而各国现行钢结构设计规范均没有专门针对高强度钢材钢结构的设计条款，相关工程设计仍沿用适用于普通强度钢材钢结构的设计方法，无法保证设计结果的安全性和经济性，也不利于充分发挥高强度钢材钢结构的优势。因此，高强度钢材钢结构的设计方法和理论是目前工程界和学术界亟待解决的课题之一。目前，针对高强度钢材轴心受压构件整体稳定性能的相关研究主要针对690～700 MPa、460 MPa高强度钢材，尚没有开展更高强度等级钢材两端铰支轴压构件的试验研究。为研究不同强度等级高强度钢材轴心受压构件的整体稳定性能，本文对6个960 MPa焊接工字形和箱形截面两端铰支受压钢柱进行试验研究和有限元分析，提出相应的设计方法。方法：试验设计了3个960 MPa钢材焊接工字形截面试件，其编号为H1-960、H2-960、H3-960，3个焊接箱形截面试件，其编号为B1-960、B2-960、B3-960。试件所用钢板均为14 mm厚960 MPa高强度结构钢。通过3个标准材性试样的静力拉伸试验，得到钢材的应力-应变曲线及相关材性数据。试验采用500 t液压式长柱压力试验机进行竖向加载，为实现两端铰支的约束条件，柱端设置了单刀铰。加载制度为预加载至承载力设计值的10%后卸载至零，以消除加载装置连接空隙可能造成的影响，之后按力控制加载，超过试件的极限承载力后按位移控制加载。柱端荷载初偏心采用柱两端应变片读数进行计算，几何初弯曲采用光学设备测量，截面残余应力采用作者之前的研究成果确定。通过布置位移计和应变片，测量柱横向和轴向变形以及柱端转角、柱中截面应变分布等。建立了三维有限元数值模型。结果：试件均发生极值点整体弯曲失稳，且没有出现板件局部屈曲现象，构件没有发生扭转变形；其中工字形截面按照设计预期绕截面弱轴失稳。试件长细比越大，弹性失稳变形越大，即卸载后不可恢复的塑性变形越小；对于长细比较小的试件H1-960，失稳时跨中截面最大应变超过钢材屈服应变约1倍，属于塑性失稳；对于长细比较大的试件B3-960，失稳时截面最大应变远小于钢材屈服应变，属于弹性失稳。柱端转角变形曲线光滑，变形发展平稳，表明试验采用的单刀铰支座转动非常灵活，柱端约束条件可以认为是理想铰接。除试件H1-960和B1-960（荷载初偏心人为设置得偏大，总几何初始缺陷甚至超过柱长的10‰）外，其他试件的整体稳定系数明显高于相应的设计曲线。有限元模型能够准确模拟该类构件的整体稳定性能，参数分析表明该类构件的整体稳定系数由明显提高。结论：960 MPa钢材焊接工字形和箱形截面轴压试件的破坏模态均为整体弯曲失稳形态，大部分试件稳定承载力显著高于规范设计值。建立的有限元模型能够准确模拟960 MPa钢材焊接工字形和箱形截面轴压构件的整体稳定性能。有限元模型计算得到的整体稳定系数明显高于我国规范相应设计曲线，表明960 MPa钢材焊接截面柱的整体稳定系数较普通钢材钢柱有明显提高。建议采用我国规范的a类柱子曲线设计960 MPa钢材焊接工字形和箱形截面轴压构件。提出的新柱子曲线可以用于设计960 MPa钢材焊接工字形和箱形截面轴压构件的整体稳定承载力。

来源出版物：建筑结构学报, 2014, 35(1): 117-125

入选年份：2015

喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能试验研究

刘斌，郝际平，钟炜辉，等

摘要：目的：为了简化传统冷弯薄壁型钢组合墙体的构造形式，改善墙体的保温、隔音、防火以及抗冲击等性能，解决敲击墙面出现的空鼓感以及墙面吊挂受限等问题，本文提出一种新型喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体，即在冷弯薄壁型钢骨架区格内设置聚苯乙烯泡沫板（EPS板），EPS板与型钢骨架之间留有30 mm空隙，并在空隙中喷涂新型轻质保温材料，使型钢骨架被轻质保温材料完全包裹，随后在型钢骨架两侧喷涂40 mm厚的轻质保温材料和10 mm厚的墙体抹灰。为了探讨这种新型冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能，本文开展相关试验研究。方法：通过对1个冷弯薄壁型钢骨架和2个喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体1︰1足尺试件进行低周反复加载试验，观察型钢骨架和组合墙体的受力过程和破坏模式，分析试件的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、抗侧刚度及延性等，并与已有的传统两侧挂板组合墙体受力性能试验结果进行对比，为该新型组合墙体的工程应用和理论分析提供依据。结果：研究结果表明：（1）冷弯薄壁型钢骨架的破坏形式为刚性横撑与斜撑节点处自攻螺钉的连接破坏和与斜撑连接处刚性横撑翼缘的局部屈曲。型钢骨架的承载能力和抗侧刚度较低，在设计中不可忽略轻质保温材料与型钢骨架的相互作用。（2）喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体的主要破坏模式是边立柱底部的受压屈曲以及两侧轻质保温材料与冷弯薄壁型钢骨架之间的粘结滑移，当试件处于极限状态时，墙体虽有开裂但整体性较好。（3）轻质保温材料与型钢骨架之间的相互作用可以显著提高墙体的抗剪承载力、抗侧刚度和延性，该墙体单位屈服承载力为19.52～20.57 kN/m，单位受剪承载力为22.35～25.25 kN/m，墙体1/300侧移角对应的割线刚度为4456～4608 kN/m，墙体骨架曲线0.4对应处的割线刚度为8638～11938 kN/m，墙体的延性系数为2.534～3.397。（4）与两侧挂板冷弯薄壁型钢组合墙体相比，轻质保温材料的连续喷涂提高了新型组合墙体的整体性，该组合墙体的单位屈服荷载较两侧挂板组合墙体提高了48.0%～96.6%，单位受剪承载力提高了40.1%～106.0%。结论：墙体中使用的轻质保温材料主要由石膏基灰浆混合料、聚苯乙烯颗粒和矿物基础黏合剂等组成，该材料利用工业固体废弃物，取材方便，既绿色环保，又可提高居住舒适度，亦能降低二氧化碳的排放量。轻质保温材料通过喷涂方式，与冷弯薄壁型钢骨架相结合，形成新型喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体。这种新型组合墙体不仅具有传统两侧挂板组合墙体自重轻、材料绿色环保、施工简便快速等优点，而且显著提高墙体的承载能力、抗侧刚度和延性，改善了建筑的保温、隔音、防火以及抗冲击等性能，避免了敲击墙面出现的空鼓感，解决了墙面吊挂受限的问题，十分符合我国新农村建设和城镇化建设的基本要求。

来源出版物：建筑结构学报, 2014, 35(1): 85-92

入选年份：2015