建筑科學(xué)與技術(shù)

葉列平，程光煜，曲哲，等

基于能量抗震設(shè)計(jì)方法研究及其在鋼支撐框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

葉列平，程光煜，曲哲，等

目的：結(jié)構(gòu)抗震本質(zhì)上是一個(gè)耗散地震輸入能量的過程。傳統(tǒng)的基于承載力或基于位移的抗震設(shè)計(jì)并不能完全反映結(jié)構(gòu)的損傷分布和損傷程度，因此也不能反映結(jié)構(gòu)抗震的內(nèi)在機(jī)理?；谀芰康目拐鹪O(shè)計(jì)是對(duì)于基于承載力和基于位移抗震設(shè)計(jì)的補(bǔ)充，通過合理的結(jié)構(gòu)損傷耗能機(jī)制控制和構(gòu)件耗能損傷設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)大震抗倒塌設(shè)計(jì)的目標(biāo)。本文提出一套完整的基于能量抗震設(shè)計(jì)方法，并通過算例介紹該方法的實(shí)際應(yīng)用。方法：首先說明基于能量抗震設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法的關(guān)系，指出合理的結(jié)構(gòu)損傷耗能機(jī)制控制是實(shí)現(xiàn)基于能量抗震設(shè)計(jì)的前提，并據(jù)此提出一個(gè)基于能量抗震設(shè)計(jì)的框架。隨后，通過對(duì)前期工作的總結(jié)，確定基于能量抗震設(shè)計(jì)用能量譜，包括單自由度（SDOF）體系總輸入能量EI譜，SDOF體系累積滯回耗能比EHi/EI譜以及多自由度（MDOF）體系EI，MDOF譜與SDOF體系EI譜的關(guān)系。另一方面，以5、10、20個(gè)自由度的剪切層模型MDOF體系在El Centro NS地震動(dòng)作用下的位移延性系數(shù)和累積滯回耗能沿樓層的分布情況，說明整體結(jié)構(gòu)的屈服后剛度對(duì)基于能量抗震設(shè)計(jì)的可靠性的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)一個(gè)5層和一個(gè)14層的具有明確主、次結(jié)構(gòu)的鋼支撐框架分別進(jìn)行彈塑造性時(shí)程分析（THA）和靜力彈塑性分析（MPA），說明后者在確定結(jié)構(gòu)耗能分布方面的有效性。結(jié)合構(gòu)件的承載力和變形需求，可進(jìn)行構(gòu)件層次的基于能量抗震設(shè)計(jì)。最后針對(duì)一位于我國(guó)8度抗震設(shè)防地區(qū)的15層鋼支撐框架結(jié)構(gòu)，介紹了所建議的基于能量抗震設(shè)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)設(shè)計(jì)得到的鋼支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行10條地震記錄作用下的彈塑性時(shí)程分析，以檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形和累積滯回耗能分布的準(zhǔn)確性。結(jié)果：在基于能量抗震設(shè)計(jì)的地震作用方面，按照結(jié)構(gòu)一階周期所對(duì)應(yīng)的彈塑性SDOF體系的總輸入能量EI譜來確定彈塑性MDOF體系的輸入能量EI，MDOF可以滿足工程設(shè)計(jì)的要求。另一方面，鑒于屈服后剛度對(duì)結(jié)構(gòu)變形模式和損傷機(jī)制有明顯的影響，建議在基于能量抗震設(shè)計(jì)中保證屈服后剛度系數(shù)g≥0.5。這樣的屈服后剛度系數(shù)也能夠使累積滯回耗能EH與結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值量之間有較好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，5層和14層的鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的算例分析表明，MPA方法確定罕遇地震作用下支撐和框架梁延性系數(shù)沿結(jié)構(gòu)高度的分布與典型El Centro EW地震輸入下時(shí)程分析結(jié)構(gòu)基本吻合。MPA方法同時(shí)可以確定各樓層中各構(gòu)件的累積滯回耗能分布。最后，15層鋼支撐框架結(jié)構(gòu)基于能量抗震設(shè)計(jì)算例表明，本文建議的平均能量譜偏于安全，按本文方法計(jì)算得到的總累積滯回耗能和累積滯回耗能沿結(jié)構(gòu)高度和水平方向的分布為由10條地震動(dòng)記錄彈塑性時(shí)程分析結(jié)果的偏大值，對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說偏于保守。結(jié)論：本文提出了基于能量抗震設(shè)計(jì)與損傷耗能分布控制的關(guān)系，給出了MDOF體系地震輸入能量EI，MDOF譜和累積滯回耗能比的確定方法，研究了屈服后剛度系數(shù)g對(duì)EH分布的影響規(guī)律。以鋼支撐框架結(jié)構(gòu)為例，介紹了基于能量抗震設(shè)計(jì)方法的具體應(yīng)用。本文研究表明，基于能量抗震設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)，需與結(jié)構(gòu)損傷耗能機(jī)制控制相結(jié)合，以更全面地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)的抗震安全。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2012, 33(11): 36-45

入選年份：2015

960 MPa高強(qiáng)度鋼材軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究

班慧勇，施剛，石永久

摘要：目的：現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程對(duì)結(jié)構(gòu)材料高強(qiáng)化的要求日益顯著，已有一批建筑和橋梁結(jié)構(gòu)成功采用了強(qiáng)度等級(jí)在460 MPa以上的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材，并實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，在結(jié)構(gòu)安全、建筑使用、節(jié)能環(huán)保等方面均體現(xiàn)出了較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。然而各國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范均沒有專門針對(duì)高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條款，相關(guān)工程設(shè)計(jì)仍沿用適用于普通強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，無法保證設(shè)計(jì)結(jié)果的安全性和經(jīng)濟(jì)性，也不利于充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。因此，高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和理論是目前工程界和學(xué)術(shù)界亟待解決的課題之一。目前，針對(duì)高強(qiáng)度鋼材軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能的相關(guān)研究主要針對(duì)690～700 MPa、460 MPa高強(qiáng)度鋼材，尚沒有開展更高強(qiáng)度等級(jí)鋼材兩端鉸支軸壓構(gòu)件的試驗(yàn)研究。為研究不同強(qiáng)度等級(jí)高強(qiáng)度鋼材軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能，本文對(duì)6個(gè)960 MPa焊接工字形和箱形截面兩端鉸支受壓鋼柱進(jìn)行試驗(yàn)研究和有限元分析，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。方法：試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)960 MPa鋼材焊接工字形截面試件，其編號(hào)為H1-960、H2-960、H3-960，3個(gè)焊接箱形截面試件，其編號(hào)為B1-960、B2-960、B3-960。試件所用鋼板均為14 mm厚960 MPa高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。通過3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)材性試樣的靜力拉伸試驗(yàn)，得到鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及相關(guān)材性數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采用500 t液壓式長(zhǎng)柱壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行豎向加載，為實(shí)現(xiàn)兩端鉸支的約束條件，柱端設(shè)置了單刀鉸。加載制度為預(yù)加載至承載力設(shè)計(jì)值的10%后卸載至零，以消除加載裝置連接空隙可能造成的影響，之后按力控制加載，超過試件的極限承載力后按位移控制加載。柱端荷載初偏心采用柱兩端應(yīng)變片讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算，幾何初彎曲采用光學(xué)設(shè)備測(cè)量，截面殘余應(yīng)力采用作者之前的研究成果確定。通過布置位移計(jì)和應(yīng)變片，測(cè)量柱橫向和軸向變形以及柱端轉(zhuǎn)角、柱中截面應(yīng)變分布等。建立了三維有限元數(shù)值模型。結(jié)果：試件均發(fā)生極值點(diǎn)整體彎曲失穩(wěn)，且沒有出現(xiàn)板件局部屈曲現(xiàn)象，構(gòu)件沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形；其中工字形截面按照設(shè)計(jì)預(yù)期繞截面弱軸失穩(wěn)。試件長(zhǎng)細(xì)比越大，彈性失穩(wěn)變形越大，即卸載后不可恢復(fù)的塑性變形越小；對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較小的試件H1-960，失穩(wěn)時(shí)跨中截面最大應(yīng)變超過鋼材屈服應(yīng)變約1倍，屬于塑性失穩(wěn)；對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的試件B3-960，失穩(wěn)時(shí)截面最大應(yīng)變遠(yuǎn)小于鋼材屈服應(yīng)變，屬于彈性失穩(wěn)。柱端轉(zhuǎn)角變形曲線光滑，變形發(fā)展平穩(wěn)，表明試驗(yàn)采用的單刀鉸支座轉(zhuǎn)動(dòng)非常靈活，柱端約束條件可以認(rèn)為是理想鉸接。除試件H1-960和B1-960（荷載初偏心人為設(shè)置得偏大，總幾何初始缺陷甚至超過柱長(zhǎng)的10‰）外，其他試件的整體穩(wěn)定系數(shù)明顯高于相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線。有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬該類構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能，參數(shù)分析表明該類構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)由明顯提高。結(jié)論：960 MPa鋼材焊接工字形和箱形截面軸壓試件的破壞模態(tài)均為整體彎曲失穩(wěn)形態(tài)，大部分試件穩(wěn)定承載力顯著高于規(guī)范設(shè)計(jì)值。建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬960 MPa鋼材焊接工字形和箱形截面軸壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能。有限元模型計(jì)算得到的整體穩(wěn)定系數(shù)明顯高于我國(guó)規(guī)范相應(yīng)設(shè)計(jì)曲線，表明960 MPa鋼材焊接截面柱的整體穩(wěn)定系數(shù)較普通鋼材鋼柱有明顯提高。建議采用我國(guó)規(guī)范的a類柱子曲線設(shè)計(jì)960 MPa鋼材焊接工字形和箱形截面軸壓構(gòu)件。提出的新柱子曲線可以用于設(shè)計(jì)960 MPa鋼材焊接工字形和箱形截面軸壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定承載力。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2014, 35(1): 117-125

入選年份：2015

噴涂保溫材料冷彎薄壁型鋼組合墻體抗震性能試驗(yàn)研究

劉斌，郝際平，鐘煒輝，等

摘要：目的：為了簡(jiǎn)化傳統(tǒng)冷彎薄壁型鋼組合墻體的構(gòu)造形式，改善墻體的保溫、隔音、防火以及抗沖擊等性能，解決敲擊墻面出現(xiàn)的空鼓感以及墻面吊掛受限等問題，本文提出一種新型噴涂保溫材料冷彎薄壁型鋼組合墻體，即在冷彎薄壁型鋼骨架區(qū)格內(nèi)設(shè)置聚苯乙烯泡沫板（EPS板），EPS板與型鋼骨架之間留有30 mm空隙，并在空隙中噴涂新型輕質(zhì)保溫材料，使型鋼骨架被輕質(zhì)保溫材料完全包裹，隨后在型鋼骨架兩側(cè)噴涂40 mm厚的輕質(zhì)保溫材料和10 mm厚的墻體抹灰。為了探討這種新型冷彎薄壁型鋼組合墻體的抗震性能，本文開展相關(guān)試驗(yàn)研究。方法：通過對(duì)1個(gè)冷彎薄壁型鋼骨架和2個(gè)噴涂保溫材料冷彎薄壁型鋼組合墻體1︰1足尺試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，觀察型鋼骨架和組合墻體的受力過程和破壞模式，分析試件的滯回曲線、骨架曲線、承載能力、抗側(cè)剛度及延性等，并與已有的傳統(tǒng)兩側(cè)掛板組合墻體受力性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為該新型組合墻體的工程應(yīng)用和理論分析提供依據(jù)。結(jié)果：研究結(jié)果表明：（1）冷彎薄壁型鋼骨架的破壞形式為剛性橫撐與斜撐節(jié)點(diǎn)處自攻螺釘?shù)倪B接破壞和與斜撐連接處剛性橫撐翼緣的局部屈曲。型鋼骨架的承載能力和抗側(cè)剛度較低，在設(shè)計(jì)中不可忽略輕質(zhì)保溫材料與型鋼骨架的相互作用。（2）噴涂保溫材料冷彎薄壁型鋼組合墻體的主要破壞模式是邊立柱底部的受壓屈曲以及兩側(cè)輕質(zhì)保溫材料與冷彎薄壁型鋼骨架之間的粘結(jié)滑移，當(dāng)試件處于極限狀態(tài)時(shí)，墻體雖有開裂但整體性較好。（3）輕質(zhì)保溫材料與型鋼骨架之間的相互作用可以顯著提高墻體的抗剪承載力、抗側(cè)剛度和延性，該墻體單位屈服承載力為19.52～20.57 kN/m，單位受剪承載力為22.35～25.25 kN/m，墻體1/300側(cè)移角對(duì)應(yīng)的割線剛度為4456～4608 kN/m，墻體骨架曲線0.4對(duì)應(yīng)處的割線剛度為8638～11938 kN/m，墻體的延性系數(shù)為2.534～3.397。（4）與兩側(cè)掛板冷彎薄壁型鋼組合墻體相比，輕質(zhì)保溫材料的連續(xù)噴涂提高了新型組合墻體的整體性，該組合墻體的單位屈服荷載較兩側(cè)掛板組合墻體提高了48.0%～96.6%，單位受剪承載力提高了40.1%～106.0%。結(jié)論：墻體中使用的輕質(zhì)保溫材料主要由石膏基灰漿混合料、聚苯乙烯顆粒和礦物基礎(chǔ)黏合劑等組成，該材料利用工業(yè)固體廢棄物，取材方便，既綠色環(huán)保，又可提高居住舒適度，亦能降低二氧化碳的排放量。輕質(zhì)保溫材料通過噴涂方式，與冷彎薄壁型鋼骨架相結(jié)合，形成新型噴涂保溫材料冷彎薄壁型鋼組合墻體。這種新型組合墻體不僅具有傳統(tǒng)兩側(cè)掛板組合墻體自重輕、材料綠色環(huán)保、施工簡(jiǎn)便快速等優(yōu)點(diǎn)，而且顯著提高墻體的承載能力、抗側(cè)剛度和延性，改善了建筑的保溫、隔音、防火以及抗沖擊等性能，避免了敲擊墻面出現(xiàn)的空鼓感，解決了墻面吊掛受限的問題，十分符合我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)和城鎮(zhèn)化建設(shè)的基本要求。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2014, 35(1): 85-92

入選年份：2015