建筑科學(xué)與技術(shù)

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(yàn)研究

方有珍，顧強(qiáng)，申林，等

摘要：目的：現(xiàn)有歐洲規(guī)范EC4僅對(duì)型鋼截面PEC柱設(shè)計(jì)相應(yīng)的計(jì)算方法和構(gòu)造措施提出了指導(dǎo)性建議，而薄板混凝土組合截面 PEC柱力學(xué)性能方面的研究相對(duì)匱乏，一定程度上制約了其工程應(yīng)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(jìn)行水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)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(jī)理，為其理論研究和工程應(yīng)用提供理論支撐與技術(shù)儲(chǔ)備。方法：選擇層高為 4米的框架中間層柱為原型，取反彎點(diǎn)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(jié)筋HPB235；混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C20、C25和C35。試驗(yàn)加載方案中，首先對(duì)試件施加恒定軸壓力，隨后通過(guò)力與位移混合控制施加水平循環(huán)荷載，考慮到混凝土的穩(wěn)定性，每級(jí)加載階段力求 3個(gè)循環(huán)，加載至試件承載力下降到超過(guò)其極限承載力85%為終止試驗(yàn)的標(biāo)志。結(jié)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(xiàn)象不明顯，且隨著荷載的增加，滯回曲線趨向飽滿，而負(fù)向滯回曲線由于受拉側(cè)翼緣板先前受壓屈曲變形恢復(fù)而表現(xiàn)出明顯的“捏縮”現(xiàn)象；（3）薄板混凝土組合截面PEC柱（弱軸）試件的延性系數(shù)和平均等效滯回耗能系數(shù)均大于2，表明試件作為框架結(jié)構(gòu)受壓構(gòu)件可以改善結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和拉結(jié)筋的間距對(duì)試件的初始峰值剛度影響不明顯，而拉結(jié)筋間距的加密使得試件整體性更好。結(jié)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(cè)剛度和一定的延性與耗能能力；初始剛度隨著混凝土強(qiáng)度或拉結(jié)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(jié)筋屈服和薄板翼緣局部屈曲。

來(lái)源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2012, 33(4): 113-120

入選年份：2016

大跨度空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌研究方法與現(xiàn)狀

趙憲忠，閆伸，陳以一

摘要：目的：大跨空間結(jié)構(gòu)的形體復(fù)雜、體量巨大、覆蓋范圍廣，因而在遭遇非預(yù)期荷載作用并因局部失效誘致結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌時(shí)，將造成大量的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌研究已相對(duì)成熟，但針對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的研究尚處于起步階段。本文從數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和理論分析3個(gè)方面評(píng)述已有的連續(xù)性倒塌研究成果和研究方法，探討并揭示空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的關(guān)鍵問(wèn)題和基本對(duì)策。方法：連續(xù)性倒塌研究的關(guān)鍵在于明確初始局部破壞后結(jié)構(gòu)傳力路徑重構(gòu)的機(jī)制與能力，這一點(diǎn)對(duì)于不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)都是相同的。因此，批判性地借鑒已有框架結(jié)構(gòu)倒塌研究中較為成熟的結(jié)論與方法，針對(duì)空間結(jié)構(gòu)特有的拓?fù)浜土W(xué)特性，綜合歸納并評(píng)述大跨空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的數(shù)值模擬技術(shù)、基于多尺度方法的數(shù)值反演難點(diǎn)、倒塌試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建關(guān)鍵問(wèn)題、空間結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)制和抗倒塌能力的定量評(píng)估方法。結(jié)果：（1）數(shù)值模擬方面，斷裂失效與不連續(xù)位移場(chǎng)的描述、沖擊—接觸問(wèn)題、大位移/大轉(zhuǎn)動(dòng)的描述和構(gòu)件非彈性本構(gòu)模型是空間結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程反演的 4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，綜述了問(wèn)題的本質(zhì)和特點(diǎn)、解決的技術(shù)要點(diǎn)，并從方法選取、計(jì)算效率等角度給出了實(shí)際應(yīng)用時(shí)的處理建議。由于倒塌過(guò)程的因（材料失效斷裂）與果（結(jié)構(gòu)倒塌）位于不同量級(jí)的空間尺度上，多尺度數(shù)值計(jì)算方法是未來(lái)連續(xù)性倒塌研究的重點(diǎn)，其中基于離散空穴的材料斷裂損傷模型構(gòu)建是其基礎(chǔ)、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(yàn)研究方面，歸類(lèi)并評(píng)述已完成的連續(xù)性倒塌試驗(yàn)，提出空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌系統(tǒng)構(gòu)建的4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，即模型設(shè)計(jì)精確性與外荷載隨動(dòng)施加、局部初始破壞的瞬態(tài)觸發(fā)、高速高頻動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布控、以及結(jié)構(gòu)破壞模式的確定。建議采用機(jī)械裝置完成局部初始破壞的觸發(fā)，動(dòng)態(tài)大位移測(cè)量的發(fā)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(wǎng)絡(luò)。（3）理論分析方面，綜述了框架結(jié)構(gòu)及部分類(lèi)型空間結(jié)構(gòu)的倒塌抵抗機(jī)制，指出對(duì)應(yīng)于不同幾何拓?fù)浜蛡髁C(jī)制的空間結(jié)構(gòu)體系，其倒塌機(jī)制亦不相同。結(jié)構(gòu)魯棒性是避免結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的關(guān)鍵，目前框架結(jié)構(gòu)的魯棒性定量評(píng)價(jià)多依據(jù)能量平衡思想，而大跨空間結(jié)構(gòu)的倒塌模式并非由于結(jié)構(gòu)形成足夠多塑性鉸而成為機(jī)構(gòu)，因此其仍?xún)A向于采用基于靜力計(jì)算的構(gòu)件重要性評(píng)價(jià)方法來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的冗余特性和識(shí)別關(guān)鍵構(gòu)件。結(jié)論：借助通用有限元分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)倒塌的全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬是現(xiàn)階段的一個(gè)主流研究方法，此時(shí)應(yīng)注意加深對(duì)不連續(xù)位移場(chǎng)描述等關(guān)鍵問(wèn)題的理解。多尺度數(shù)值計(jì)算方法可以在精度和計(jì)算代價(jià)之間尋求一個(gè)較好的平衡點(diǎn)，是未來(lái)倒塌數(shù)值模擬的發(fā)展方向。連續(xù)性倒塌試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建和基準(zhǔn)模型試驗(yàn)是空間結(jié)構(gòu)倒塌研究的基石，其核心是初始破壞的觸發(fā)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量。由于具有不同拓?fù)浜蛡髁μ攸c(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)體系的抗倒塌機(jī)制有明顯差別，有必要針對(duì)不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)其抗倒塌能力；目前對(duì)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的定量評(píng)估主要有魯棒性評(píng)價(jià)和構(gòu)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(jì)算并為空間結(jié)構(gòu)倒塌評(píng)估所采用。

來(lái)源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2013, 34(4): 1-14

入選年份：2016

高強(qiáng)鋼組合K形偏心支撐鋼框架抗震性能試驗(yàn)研究

段留省，蘇明周，郝麒麟，等

摘要：目的：高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架是一種耗能梁段采用較低屈服點(diǎn)鋼材（Q235，Q345），其他構(gòu)件采用高強(qiáng)度鋼材（Q460，Q690）的新型結(jié)構(gòu)體系。耗能梁段通過(guò)彈塑性變形耗散地震能量，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，要求梁、柱及支撐保持彈性以提供足夠的約束。高強(qiáng)度鋼材可以用于這些構(gòu)件，從而降低用鋼量，推動(dòng)高強(qiáng)鋼在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)試驗(yàn)考察這種新型結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。方法：采用單調(diào)加載和循環(huán)加載兩種試驗(yàn)方法。設(shè)計(jì) 4個(gè) 1∶2縮尺的單層單跨高強(qiáng)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(qiáng)度鋼材焊接時(shí)按強(qiáng)度較低鋼材選用焊接材料。試驗(yàn)以耗能梁段長(zhǎng)度為變化參數(shù)，長(zhǎng)度 600 mm的為剪切屈服型，長(zhǎng)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(wěn)，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一套滑板側(cè)向支撐體系，減小試件平面運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力；試件與剛性地面采用高強(qiáng)螺栓連接。為防止鋼柱局部變形，鋼柱與梁節(jié)點(diǎn)上部采用加腋加強(qiáng)。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(diào)加載試驗(yàn)采用位移控制，循環(huán)加載試驗(yàn)采荷載-位移混合控制。試件的應(yīng)力和變形分別通過(guò)應(yīng)變片和位移傳感器觀測(cè)，試驗(yàn)中重點(diǎn)觀察板件的屈曲和焊縫熱影響區(qū)的裂紋。單調(diào)加載和循環(huán)加載的荷載-位移曲線由荷載傳感器和外位移傳感器自動(dòng)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(jī)制，結(jié)合應(yīng)力分析和試驗(yàn)現(xiàn)象，得到試件的真實(shí)受力狀態(tài)和破壞機(jī)理，評(píng)定試件的主要抗震性能指標(biāo)。結(jié)果：（1）單調(diào)加載的破壞位移遠(yuǎn)大于循環(huán)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(yōu)于彎曲屈服型，前者位移延性系數(shù)高于后者，加載過(guò)程中前者的割線剛度始終大于后者，破壞時(shí)二者大致相同。（3）剪切屈服型試件各循環(huán)的等效黏滯阻尼系數(shù)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(zhuǎn)動(dòng)角度是后者的2.86倍；前者通過(guò)耗能梁段腹板的剪切變形耗散能量，后者通過(guò)翼緣彎曲變形耗散能量。（4）采用較低屈服點(diǎn)鋼材的耗能梁段首先進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，其他構(gòu)件基本處于彈性工作狀態(tài)，經(jīng)歷多次高應(yīng)力循環(huán)后，耗能梁段翼緣、腹板焊縫熱影響區(qū)發(fā)生斷裂，結(jié)構(gòu)整體剛度和耗能能力大幅降低。結(jié)論：高強(qiáng)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(qiáng)，循環(huán)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(shí)高強(qiáng)鋼構(gòu)件基本處于彈性工作狀態(tài)、殘余變形較小，保證耗能梁段的彈塑性變形充分發(fā)展，是一種有利于震后修復(fù)的雙重抗側(cè)力體系。

來(lái)源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2014, 35(7): 18-25

入選年份：2016