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(xiàn)有歐洲規(guī)范EC4僅對型鋼截面PEC柱設(shè)計相應(yīng)的計算方法和構(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）在恒定軸力下進行水平低周反復(fù)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(yīng)用提供理論支撐與技術(shù)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(jié)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(huán)荷載，考慮到混凝土的穩(wěn)定性，每級加載階段力求 3個循環(huán)，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(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）混凝土強度和拉結(jié)筋的間距對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。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 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，將造成大量的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。目前國內(nèi)外針對框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌研究已相對成熟，但針對大跨空間結(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、試驗研究和理論分析3個方面評述已有的連續(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)鍵問題和基本對策。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)的機制與能力，這一點對于不同類型的結(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，針對空間結(jié)構(gòu)特有的拓撲和力學(xué)特性，綜合歸納并評述大跨空間結(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、倒塌試驗系統(tǒng)的構(gòu)建關(guān)鍵問題、空間結(jié)構(gòu)倒塌機制和抗倒塌能力的定量評估方法。結(jié)果：（1）數(shù)值模擬方面，斷裂失效與不連續(xù)位移場的描述、沖擊—接觸問題、大位移/大轉(zhuǎn)動的描述和構(gòu)件非彈性本構(gòu)模型是空間結(jié)構(gòu)倒塌過程反演的 4個關(guān)鍵問題，綜述了問題的本質(zhì)和特點、解決的技術(shù)要點，并從方法選取、計算效率等角度給出了實際應(yīng)用時的處理建議。由于倒塌過程的因（材料失效斷裂）與果（結(jié)構(gòu)倒塌）位于不同量級的空間尺度上，多尺度數(shù)值計算方法是未來連續(xù)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(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）試驗研究方面，歸類并評述已完成的連續(xù)性倒塌試驗，提出空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌系統(tǒng)構(gòu)建的4個關(guān)鍵技術(shù)問題，即模型設(shè)計精確性與外荷載隨動施加、局部初始破壞的瞬態(tài)觸發(fā)、高速高頻動態(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。建議采用機械裝置完成局部初始破壞的觸發(fā)，動態(tài)大位移測量的發(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)及部分類型空間結(jié)構(gòu)的倒塌抵抗機制，指出對應(yīng)于不同幾何拓撲和傳力機制的空間結(jié)構(gòu)體系，其倒塌機制亦不相同。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)的魯棒性定量評價多依據(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構(gòu)，因此其仍傾向于采用基于靜力計算的構(gòu)件重要性評價方法來評價結(jié)構(gòu)的冗余特性和識別關(guān)鍵構(gòu)件。結(jié)論：借助通用有限元分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)倒塌的全過程進行數(shù)值模擬是現(xiàn)階段的一個主流研究方法，此時應(yīng)注意加深對不連續(xù)位移場描述等關(guān)鍵問題的理解。多尺度數(shù)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(shù)值模擬的發(fā)展方向。連續(xù)性倒塌試驗系統(tǒng)構(gòu)建和基準模型試驗是空間結(jié)構(gòu)倒塌研究的基石，其核心是初始破壞的觸發(fā)和動態(tài)數(shù)據(jù)的測量。由于具有不同拓撲和傳力特點的空間結(jié)構(gòu)體系的抗倒塌機制有明顯差別，有必要針對不同類型的結(jié)構(gòu)評價其抗倒塌能力；目前對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的定量評估主要有魯棒性評價和構(gòu)件重要性判斷兩種方法，前者多基于能量平衡思想，后者多基于靜力計算并為空間結(jié)構(gòu)倒塌評估所采用。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)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(gòu)件采用高強度鋼材（Q460，Q690）的新型結(jié)構(gòu)體系。耗能梁段通過彈塑性變形耗散地震能量，但同時會產(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。高強度鋼材可以用于這些構(gòu)件，從而降低用鋼量，推動高強鋼在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過試驗考察這種新型結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。方法：采用單調(diào)加載和循環(huán)加載兩種試驗方法。設(shè)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(shù)，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(wěn)，專門設(shè)計一套滑板側(cè)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(jié)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(diào)加載試驗采用位移控制，循環(huán)加載試驗采荷載-位移混合控制。試件的應(yīng)力和變形分別通過應(yīng)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(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(jié)合應(yīng)力分析和試驗現(xiàn)象，得到試件的真實受力狀態(tài)和破壞機理，評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(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(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(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；此時高強鋼構(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。

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

入選年份：2016