出踩与面宽方向柱头科斗栱抗震性能对比试验及数值分析

为研究加载方向对斗栱抗震性能的影响,文章基于地震作用的随机性和斗栱出踩与面宽方向的构造差异,对2个足尺柱头科斗栱分别沿出踩和面宽方向进行拟静力试验,得到斗栱的破坏模式、承载力、刚度与强度退化、耗能和变形能力。结果表明:斗栱在出踩和面宽方向分别加载时,大斗均相对平板枋滑移,馒头榫挤压剪断。出踩方向受力时单昂与桃尖梁相对滑移,面宽方向受力时整体明显转动。相比面宽方向受力的斗栱,出踩方向受力的斗栱具有更高的承载力、初始刚度和耗能能力,而变形能力较差。文章开展柱头科斗栱的数值分析,模拟结果与试验结果吻合较好,研究出踩和面宽不同加载方向、轴压荷载、木构件之间摩擦系数和木材弹性模量对其抗震性能的影响。结果表明:面宽方向是柱头科斗栱的最不利受力方向,其正负向承载力比出踩方向分别低19.21%和17.03%;轴压荷载和木构件之间摩擦系数越大,斗栱承载力越大,而木材顺纹弹性模量和横纹径向弹性模量对斗栱的初始刚度和承载力影响较小。

木材老化对古建筑木梁抗弯性能的影响分析

为研究木材老化对古建筑木梁抗弯性能的影响,分析了木材的老化机理,采用等效截面法并结合国内木梁老化深度经验公式,提出了老化木梁抗弯承载力退化模型,并对某古建筑的木梁进行了承载力退化评估。对未老化与老化木梁进行了单调加载数值模拟,并通过试验验证了模型的合理性;在此基础上,进一步分析了老化均匀度与老化深度对木梁抗弯性能的影响。结合《木结构设计标准》(GB 50005—2017)中受弯构件的承载力计算公式,提出了考虑老化影响的木梁抗弯承载力折减系数计算公式。结果表明:老化对木梁抗弯承载力的影响与老化均匀度呈线性相关,与老化深度呈一元二次多项式关系。老化深度越深且老化均匀度越大,木梁承载力越低。

“古建筑结构抗震及加固保护”刊首语

中国古建筑以其极高的历史、艺术、文化和科学价值屹立于世界建筑之林,是中华文明不可分割的组成部分。文物保护功在当代,利在千秋。然而,在漫长的历史岁月中,由于本体缺陷以及外界因素的综合影响,古建筑普遍处于结构体系破坏、多种病害缠身、在地震等重大灾害下潜伏坍塌的危险状态,健康和安全状况不容乐观。在此背景下,为了实现对古建筑的传承与保护,近年来学者们在“古建筑结构抗震及加固保护”领域开展了大量工作,取得了众多的理论和技术成果,该方向也成为文物建筑预防性保护的研究热点。

开裂残损柱头科斗栱抗震性能及退化规律研究

为研究构件开裂对斗栱抗震性能的影响,以沈阳故宫颐和殿柱头科斗栱为原型,建立了大斗、正心瓜栱、单翘及散斗分别开裂的斗栱有限元模型,通过体积损失率表征构件的开裂程度,对开裂斗栱开展抗震性能模拟分析.结果表明:不同开裂程度下,斗栱的滞回曲线及骨架曲线变化规律相似.大斗、单翘和散斗体积损失率达到3%时,加载后期滞回曲线发散明显,且散斗开裂斗栱的正向峰值位移小于其他开裂斗栱.散斗开裂斗栱的正向刚度、大斗开裂斗栱的负向刚度随体积损失率变化较为明显.当构件体积损失率为3%时,散斗开裂斗栱的正向承载力和大斗开裂斗栱的负向承载力退化最严重,退化率分别为16.90%和18.61%;构件开裂尽管降低了斗栱的承载力及刚度,但其变形和耗能能力较好.

高强型钢超高性能混凝土短柱轴压性能试验及其有限元分析

为研究高强型钢超高性能混凝土短柱的轴压性能,对试件进行了轴心受压试验,设计参数包括配钢率、箍筋间距和箍筋形式。观察了试件的轴压破坏过程,获得了破坏形态及轴向荷载-位移曲线,分析了承载能力、变形能力、刚度等轴压性能指标,以及超高性能混凝土、纵筋、箍筋和型钢的应变发展规律。在试验研究基础上,采用ABAQUS建立了高强型钢超高性能混凝土短柱轴压性能有限元分析模型,计算结果与试验结果吻合较好,进而进行了参数分析。结果表明:试件发生的是典型轴压破坏,中部表面出现“锯齿形”裂缝;轴向荷载-位移曲线会出现2次荷载峰值;箍筋间距减小时,试件的承载能力和变形能力均提高,但刚度退化速率没有显著变化;配钢率增大时,试件的承载能力提高,变形能力先增大后减小,刚度退化变缓;型钢强度增大时,试件的承载能力和变形能力均提高,提高速度先快后慢;超高性能混凝土抗压强度增大时,试件的承载能力提高,变形能力降低;超高性能混凝土受拉能够达到峰值应变;纵筋在极限点之前发生受压屈服;箍筋在极限点时应变不足屈服应变的1/3,但在破坏点前达到受拉屈服;型钢翼缘在极限点前后发生屈服,腹板屈服晚于翼缘。

古建筑木结构透榫节点地震损伤演化模型研究

为定量评估古建筑木结构透榫节点的地震损伤程度与地震损伤演化过程,对Kratzig地震损伤模型进行了改进。分别基于刁波地震损伤模型、Kratzig地震损伤模型以及改进的Kratzig地震损伤模型对3组透榫节点进行了地震损伤分析,研究了3种模型的适用性。为了对实际工程中的透榫节点松动进行地震损伤评估,基于改进的Kratzig地震损伤模型,考虑了节点松动对改进的Kratzig地震损伤模型的影响。结果表明:改进的Kratzig地震损伤模型在描述透榫节点地震损伤中表征效果最好,能够克服地震损伤模型与Kratzig地震损伤模型的不足;随着松动程度的增大,透榫节点损伤指数增长减缓,最终破坏时损伤指数减小。最后根据国内抗震设防规范,结合古建筑木结构地震损伤评估,提出了透榫节点性能水准分类及每个阶段的加固建议。

平身科斗栱节点侧向荷载-位移计算模型

平身科斗栱在减小梁跨度、分配屋面荷载和协同抵抗侧向变形中发挥着重要作用.为建立面宽方向加载的平身科斗栱节点的侧向荷载-位移计算模型,在分析节点构造特征和水平往复荷载作用下斗栱的受力状态基础上,结合典型节点模型参数及木结构抗侧构件荷载-位移骨架曲线表征方法,计算了竖向荷载和面宽方向施加水平荷载共同作用下平身科斗栱骨架曲线上的弹性荷载、峰值荷载及相应位移.建立的平身科斗栱节点侧向荷载-位移计算模型与试验数据进行对比,验证了该计算模型的正确性.结果表明,建立的侧向荷载-位移力学模型弹性段与试验骨架曲线吻合良好,能较好地反映模型弹性段刚度及其侧向承载力,但对峰值荷载的计算值偏小.

传统民居木结构柱-插梁透榫插销节点抗震性能试验研究

以传统民居柱-插梁透榫插销榫卯节点为研究对象,结合节点拟静力试验和透榫插销单元剪切试验,分析节点刚度、承载能力、耗能、转动中心的非对称性及其形成机制,讨论不同加载模式对透榫插销单元抗剪性能的影响,进一步推导节点转动刚度和内应力屈服次序.结果表明:透榫插销节点正、负向转动屈服模式分别为插销连接处剪切屈服和榫头上下表面横纹嵌压屈服,对应转动初始刚度和屈服弯矩差异达3倍以上,主要受梁端对柱挤压和木销拉结作用影响;节点屈服后,木销连接处残余变形导致节点拉向转动时拔榫难以复位,梁端与柱表面脱离,仅通过榫头上下表面挤压摩擦产生抵抗弯矩;拉向、拉压循环加载模式下,透榫插销单元失效模式为插销处剪切和弯曲断裂;初始剪切刚度和屈服荷载均高于单调加载,但极限位移仅为单调加载的56%和78%,因插销连接失效对应整体节点极限转角为0.08~0.11 rad.通过分别推导榫头-卯口挤压内力和梁端-柱拉、压内力形成的弯矩,叠加获得节点弯矩-转角关系与试验值吻合良好.

型钢再生混凝土框架-再生混凝土砌块填充墙结构抗震性能分析

为研究型钢再生混凝土框架-再生混凝土砌块填充墙框架的抗震性能,通过有限元软件ABAQUS建立了型钢再生混凝土框架-再生混凝土砌块填充墙结构的有限元模型,并进行了分析,通过与已有试验结果进行对比,验证有限元建模方法和本构关系的正确性,在此基础上对框架进行了破坏模式分析,并进一步分析了填充墙对框架抗震性能的影响。研究表明,填充墙的应力分布主要是沿斜对角的受拉应力,在填充墙的角部区域应力较大,中部区域砌块发生滑移错动。在试件的加载过程中,加载初期,填充墙对框架的承载力影响较大,在加载后期,由于填充墙发生破坏,填充墙对框架承载力的贡献减弱,但填充墙的存在一定程度上约束了框架的整体变形,延缓了框架柱柱脚的塑性变形。

型钢混凝土T形柱-钢筋混凝土板新型节点冲切性能研究

为研究型钢混凝土(SRC)T形柱-钢筋混凝土(RC)板节点冲切性能,对3个T形SRC柱-RC板节点和2个方形SRC柱-RC板节点进行了竖向荷载作用下的冲切破坏试验。试验变量包括板厚、柱截面形状和有无柱帽。试验结果表明,所有试件耗能能力较弱,均发生了脆性冲切破坏。柱截面形状的变化会导致冲切剪应力的分布更为复杂,出现应力集中现象。增加板厚和设置柱帽可以有效提高板柱节点的冲切承载力和残余承载力。此外,采用ABAQUS软件进行了数值模拟分析。数值计算结果和试验结果在荷载-位移响应、混凝土应变和破坏模式方面具有良好的一致性。参数分析结果表明,柱内型钢能发挥对板内钢筋的悬挂作用,改善板柱节点的残余承载力。但配钢率的增加对残余承载力的提升并不明显。T形柱的肢高肢厚比对节点冲切承载力的影响可以忽略,增大柱帽的平面尺寸与截面高度均能够提高节点冲切承载力,相比之下柱帽截面高度对于冲切承载力的影响更为明显。

高强型钢超高性能混凝土梁受弯性能试验研究及有限元分析

为研究高强型钢超高性能混凝土梁的受弯性能,以配钢率、型钢位置和钢纤维体积分数为变化参数,设计了6个试件,并对其进行了静力加载试验,获得了试件的破坏形态和荷载-跨中挠度曲线,分析了试件的承载能力和变形能力,以及型钢、纵向钢筋和超高性能混凝土的应变变化规律。基于试验研究,建立了高强型钢超高性能混凝土梁受弯性能的有限元分析模型,计算结果与试验结果吻合较好,进而进行了参数分析。结果表明:所有试件均发生的是适筋破坏,纵向受拉钢筋和型钢下翼缘率先屈服,然后受压区超高性能混凝土被压碎;在试件的破坏阶段,所承担的荷载会依次经历陡降、波动、缓慢上升和缓慢下降四个阶段;试件的变形能力系数超过5,呈现出较强的变形能力;试件开裂前,超高性能混凝土的应变符合平截面假定,但开裂后,只有受压区和受拉区在中和轴附近的一小部分超高性能混凝土应变呈线性分布;配钢率和型钢强度增大,试件的承载能力和变形能力均提高;超高性能混凝土抗压强度增大及型钢从截面居中位置下移,试件的承载能力提高,但变形能力下降;钢纤维体积分数增加,试件的抗裂能力和变形能力均提高,但承载能力变化不显著。

钢管砂轻混凝土短柱轴压力学性能分析

为进一步了解钢管砂轻混凝土短柱的轴压力学性能,基于已有试验数据,采用混凝土塑性损伤本构模型对试件进行有限元验证和全过程分析,研究不同变化参数对钢管砂轻混凝土短柱轴压力学性能的影响,采用灰色关联理论评估参数变化对钢管砂轻混凝土短柱极限承载力的关联程度。结果表明:计算的极限承载力和峰值位移在误差内均和试验值吻合,且对照试件的模拟破坏形态和试验破坏形态基本一致;钢管和核心砂轻混凝土的受力过程表现为协同作用;钢管屈服强度超过345 MPa时,提高钢管屈服强度并不能明显提高试件的极限承载力;河砂取代率对钢管砂轻混凝土短柱的极限承载力影响最小。

聚丙烯网水泥砂浆面层加固砖砌体结构振动台试验及数值模拟

以陕西省蓝田县的单层砖砌体结构为原型,制作了1/2缩尺的试验模型,并对其进行了聚丙烯网水泥砂浆面层加固。完成了加固模型的地震模拟振动台试验,分析加固模型的地震破坏过程及破坏形态;基于试验研究,采用ABAQUS软件建立聚丙烯网水泥砂浆面层加固砖砌体结构的有限元模型,将加固模型的动力特性、动力响应和地震损伤分布的计算结果与试验结果进行对比分析,验证了有限元模型的合理性,进而对是否加固、面层水泥砂浆强度和聚丙烯网格间距进行了参数分析。结果表明,聚丙烯网水泥砂浆面层加固砖砌体结构的破坏主要发生在门窗洞口角部、纵横墙交接处及纵墙的檩条下方;有限元模型计算结果与试验结果吻合良好,能够较好地反映加固模型在地震作用下的受力性能;聚丙烯网水泥砂浆面层加固能抑制裂缝的产生和发展,减小动力响应,有效提升砖砌体结构的抗震性能;随着面层水泥砂浆强度的提高和聚丙烯网格间距的减小,加固模型的地震损伤程度不断减轻、动力响应逐渐减小。

独立式石箍窑洞地震模拟振动台试验及数值模拟

以山西省静乐县的某独立式石箍窑洞为原型,制作1/4缩尺的三跨试验模型,对其进行了地震模拟振动台试验,分析了地震作用下窑洞模型的破坏过程及破坏形态。在试验研究基础上,采用ABAQUS软件建立独立式石箍窑洞的有限元模型,将模拟得到的动力特性、动力响应和地震损伤结果与试验结果进行了对比分析,验证了有限元模型的合理性,进而基于对原型结构的有限元模拟,分析了覆土厚度、拱跨数和拱矢跨比对窑洞模型受力性能的影响。结果表明:独立式石箍窑洞在地震作用下主要发生砂浆灰缝开裂破坏,开裂最严重的部位为洞口拱顶和侧墙与背墙的连接处;有限元模拟结果与试验结果吻合较好,能够较好地反映地震作用下窑洞模型的受力性能;窑洞模型的纵墙刚度大于横墙,加速度和位移响应随输入峰值加速度的增大不断增大;随着覆土厚度变薄和拱矢跨比减小,窑洞模型的抗震性能增强,但拱跨数对窑洞模型的抗震性能影响较小。

媒体重头文章概览

传统风格建筑塔式结构振动台试验及动力分析为研究传统风格建筑塔式结构在地震作用下的动力响应和抗震性能,以西安天人长安塔为研究对象,设计制作了缩尺比为1/15的模型结构并对其开展模拟地震振动台试验。通过白噪声扫频获得该模型在不同水准地震作用后的自振频率、阻尼比等动力特性和刚度退化规律,并研究了不同水准地震作用下结构的动力放大系数、楼层位移及层间位移角、剪力等动力响应。结果表明,在罕遇地震作用后模型结构损伤范围相对较小,楼板混凝土开裂主要集中在柱脚附近;结构自振频率和刚度随输人峰值加速度的增大逐渐降低,而阻尼比逐渐增大;结构顶部的动力放大系数明显高于其他楼层;楼层剪力整体分布随高度的增加呈减小趋势,同一楼层上暗层的层间剪力较明层的大。采用OpenSees软件对模型结构建模并进行有限元分析,并对天人长安塔原型结构进行了抗震性能评估。结果表明:8度多遇地震作用下结构的最大层间位移角为1/782,两个方向上基底剪重比分别为3.57%和3.78%;8度罕遇地震作用下最大层间位移角为1/128,满足现行规范的限值要求。

考虑榫卯松动的古建筑木结构地震响应分析

通过缩尺比为1∶3.52的完好古建筑木结构当心间模型振动台试验,得到了完好古建筑木结构模型的破坏模式、加速度时程曲线及相对位移时程曲线。在验证完好结构有限元模型正确性的基础上,建立了考虑榫卯松动的残损古建筑木结构有限元模型,通过对残损古建筑木结构模型在地震作用下的模态分析和动力响应分析,探讨了榫卯松动对古建筑木结构动力特性和动力响应的影响。结果表明:榫卯松动的古建筑木结构自振频率较完好结构的低,且随榫卯连接残损程度的增大,模型自振频率显著降低;残损结构柱脚加速度响应和位移响应、柱架加速度响应及模型结构基底剪力较完好结构的小,柱架位移响应较完好结构的大,且随榫卯连接残损程度的增大,柱脚加速度响应和位移响应、柱架加速度响应及模型结构基底剪力明显变小,柱架位移响应显著变大。随PGA的增大,残损结构模型累积耗能不断变大;随榫卯连接残损程度的增大,模型各结构层的累积耗能先逐渐增大,当松动量超过一定值后,其累积耗能不断减小。

残损古建筑木结构的地震易损性分析

为评估残损古建筑木结构的抗震性能,基于完好(不考虑榫卯节点松动)古建筑木结构模拟振动台试验,获得了完好结构的破坏特征、模态参数、动力响应曲线等。采用OpenSees有限元程序建立了完好和考虑节点松动的残损结构的精细化计算模型,对比分析了完好计算模型和试验模型的模态参数和动力响应曲线。以地面峰值加速度(PGA)和最大层间位移角作为地震动强度指标和反应参数对残损模型进行增量动力分析(IDA),通过对各模型进行地震概率需求分析研究了残损模型的地震易损性。结果表明:完好计算模型与试验模型的主要模态参数相差小于10%,柱脚和柱顶动力时程响应曲线基本一致,表明了计算模型分析的合理性和正确性;残损模型回归概率地震需求函数的决定系数介于0.83578~0.85761,较接近1,表明线性回归函数与数据点具有较高的相关度;当古建筑木结构的节点残损程度达到13.3%时,残损结构已不满足现有规范对结构抗震设防的要求,必须立即对其进行加固和修复。

型钢再生混凝土梁受弯性能足尺试验

钢-再生混凝土组合梁的受力性能足尺试验研究工作目前尚少。为此,进行了6个型钢再生混凝土梁足尺试件受弯性能试验,各试件尺寸、配筋、内置型钢一致,梁长3300mm、净跨3000mm,梁截面高300mm、宽200mm,梁截面内置H型钢的型号为HN200×100×5.5×8。各试件均采用再生粗骨料混凝土,再生粗骨料取代率分为0%、50%、100%,混凝土设计强度等级分为C30、C60。采用三分点加载的方式,试验分析了各试件的承载力、变形及耗能能力,以及设计参数对试件抗弯性能的影响。结果表明:在加载过程中梁内型钢与再生混凝土共同工作性能良好;合理采用再生粗骨料取代率情况下,型钢再生混凝土梁受弯性能和破坏形态与型钢普通混凝土梁接近;提高再生混凝土强度可以显著提高型钢再生混凝土梁的承载力、变形能力和耗能能力。

单围柱重檐攒尖木结构动力特性试验及地震响应分析

为研究单围柱重檐攒尖木结构的动力特性及地震响应,以西安兴庆宫五龙坛木结构建筑为例,对其进行原位动力试验,采用峰值拾取法与随机子空间法,分析了结构的前6阶自振频率、空间振型及阻尼比。考虑单围柱、榫卯连接、斗栱铺作、抹角梁架空间构造的特征,建立了单围柱重檐攒尖木结构有限元分析模型,计算得到结构的前6阶频率、振型及五龙坛原位试验结果吻合较好。结果表明:单围柱重檐攒尖木结构一阶自振频率在1.924~1.975 Hz之间,二阶自振频率在2.146~2.15 Hz之间,一、二阶振型分别为南北平动与东西平动;三阶自振频率在2.775~2.841 Hz之间,振型为扭转振动。输入不同幅值的El Centro波、Taft波及兰州波地震激励,在罕遇地震作用下底层最大层间位移角为1/83,童柱层最大层间位移角为1/87。

基于OpenSees Navigator的子结构混合仿真试验系统及其验证

将有限元软件OpenSees Navigator应用于子结构混合仿真试验,介绍了基于OpenSees Navigator的子结构混合仿真试验方法的试验原理、试验系统组成和误差控制方法,并通过八层实腹式SRC异形柱框架子结构混合仿真试验结果和有限元软件OpenSees Navigator的数值模拟结果来验证该试验系统及方法的有效性和准确性。研究结果表明,试验预加载得到的命令位移和反馈位移时程曲线吻合程度较好,验证了该试验系统的有效性;模型结构的加速度反应、位移反应和层间剪力试验结果和模拟结果较为接近,表明该子结构混合仿真试验系统和试验方法能够较好地反映SRC异形柱框架结构在地震作用下的动力反应,将该试验系统应用于工程结构的抗震性能研究能够取得良好的效果。