核电工程双钢板组合墙-筏板基础插筋式锚固节点拉拔性能试验研究

双钢板混凝土组合结构结合了钢与混凝土两种材料的优势、力学性能以及耐久性优越,且施工快速便捷,正越来越广泛地应用于核电工程中。双钢板混凝土组合墙与钢筋混凝土筏板基础的锚固节点是其优越性能充分发挥的关键之一。插筋式节点相较于传统嵌入式节点和埋件式节点可以显著提高施工效率,从而得到更多青睐,但是目前关于该类节点锚固性能的研究较少。该文设计了4个1∶2缩尺的双钢板混凝土组合墙-钢筋混凝土基础插筋锚固节点,对其进行静力单调拉伸试验。通过对试件承载力、刚度、裂缝形态、钢筋及钢板应变等开展分析,探究了搭接钢筋布置方式以及对拉钢筋配置对于节点锚固性能的影响规律,并针对可能的破坏模式提出了相应的设计方法。试验结果表明:该类节点可以实现等强连接,且延性较好;对拉钢筋对控制裂缝发展,提高节点整体性具有重要作用,且沿长度方向对拉钢筋应变呈非线性分布;随着搭接钢筋与钢板距离的增大,钢筋与钢板间的不平衡力矩增加,导致对拉钢筋应变增大,但搭接钢筋的滑移有所降低。该文研究结果为插筋式节点的锚固设计提供了重要依据。

新型海上超大型钢-混凝土组合箱式浮体平台结构设计与分析

钢-混凝土组合结构在大型海上人工岛的建设中具有重要的应用价值和发展潜力。该文针对传统钢结构和混凝土结构用于超大型海上浮式平台的不足,提出一种新型超大型钢-混凝土组合浮箱式平台结构,并总结了该类结构整体方案的设计流程。为实现设计流程中的水弹性力学分析,在开源水动力学程序包NEMOH的基础上基于Fortran语言开发了三维水弹性响应计算程序包THhydro,并采用日本学者Yago和Endo的试验结果验证了程序的准确性。通过水弹性响应分析与结构强度分析,对新型超大型钢-混凝土组合浮箱式平台进行了整体结构方案设计,并与传统钢结构方案设计结果进行了对比讨论。结果表明:组合结构应用于海上超大型浮式平台具有可行性;在吃水深度和应力控制水平相当的情况下,组合结构平台相比传统钢结构平台可显著降低结构用钢量;钢与混凝土之间的配比会显著影响结构用钢量和载重量等指标;波浪产生的结构效应占总效应的比例达20%~60%,可见可靠的水弹性力学分析对该类结构设计非常重要。最后,对组合结构应用于超大型海上浮式平台仍需进一步开展的研究工作进行了展望。

中国土木结构工程科技2035发展趋势与路径研究

中国城镇化亟须从"高速推进"转向"品质提升"的新阶段,土木结构工程作为城镇化的重要载体和标志,创造人居环境,将成为中国城镇化品质提升的核心突破口之一。从现在到2035年将是我国土木结构工程领域的关键转型期和重要机遇期。本文综述了世界上土木结构工程领域科技的先进水平,总结了面向2035年土木结构工程科技的发展方向和趋势,识别了土木结构工程领域我国需要解决的重大问题及其对工程科技的需求,提出了土木结构工程领域的关键技术与发展路径,指出了面向2035年土木结构工程领域需要国家层面部署的重大工程。

装配式板柱钢结构体系建筑产业化技术与示范

针对我国装配式钢结构建筑推广应用过程中的标准化、模块化和产业化需求,提出了一种竖向承重体系和抗侧力体系相分离的新型组合结构体系,并基于这一概念提出了一系列适用于多层和高层住宅建筑的高性能结构方案。通过大比例试验、高效数值模拟和性能评价等方法对该种新型体系的抗震性能开展了深入研究,充分证明了其在地震区应用的可行性。另外,开展了与该新型结构体系相配套的集成式楼盖和一体化外围护墙板的研究,分别围绕集成式楼盖及节点的力学机理和一体化外围护墙板的保温性能、隔声性能、受弯性能以及与结构的协同受力性能展开了系列研究。目前,与装配式板柱钢结构体系相配套的一个示范产业园区和两条示范生产线均已建成,相关研发成果已成功应用在两项示范工程中,取得了良好的示范效果。

圆形截面柱组合框架中非对称钢梁截面框架梁梁端极限状态有效翼缘宽度研究

楼板有效翼缘宽度是组合框架梁梁端极限承载力验算的关键参数之一,已有的有效翼缘宽度计算公式存在荷载模式不匹配、等效准则不匹配、无法考虑钢梁截面的非对称性等不足。为此,该文重点讨论了侧向荷载作用下采用圆形截面柱的组合框架中非对称钢梁截面框架梁端的承载力极限状态有效翼缘宽度的计算方法。在有限元软件MSC.MARC(2018)中建立精细化数值模型,通过单变量分析筛选出对有效翼缘宽度有显著影响的关键变量。在合理的取值范围内对这些关键变量进行充分的排列组合,得到一系列的数值算例结果。对这些数值结果进行回归分析,基于前人得出的对称钢梁截面情况的计算公式,保留其基本框架而修改其中相关参数,得出侧向荷载作用下非对称钢梁截面组合框架梁有效翼缘宽度的计算方法。

采用通用有限元程序的弥散裂缝模型和分层壳单元模拟钢筋混凝土构件裂缝宽度

该文基于弥散裂缝模型,采用通用有限元程序的分层壳单元计算钢筋混凝土构件裂缝宽度的方法。讨论了理论基础,Bazant和Oh提出的经典裂缝带理论主要针对素混凝土构件,严重的局部化效应导致显著的网格依赖性,而将裂缝带理论拓展到工程常用的配筋混凝土构件时,由于多裂缝分布发展的特点,裂缝带宽应修改为平均裂缝间距而使计算结果与网格无关。在理论基础讨论的基础上,给出了采用通用有限元程序的弥散裂缝模型和分层壳单元计算钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算流程,其中,平均裂缝间距将有限元分析中的“应变”概念和工程设计中的“裂缝宽度”概念紧密联系起来,是计算流程中最关键的参数。以某承受负弯矩的简支组合梁混凝土板开裂分析为例,验证并讨论了网格相关性、大软化模量导致数值收敛困难的应对策略、平均裂缝间距的决定性作用等重要问题。

装配式钢框架预制楼板栓钉抗剪连接性能试验研究

在预制装配式多层钢框架中,为方便在预制楼板与钢框架梁之间采用栓钉连接,可以先在预制楼板上栓钉对应位置留孔,现场吊装后再浇筑灌浆料补孔。通过3个栓钉抗剪连接试件在单调荷载下的推出试验,对比了整浇混凝土楼板和留孔后浇灌浆料的预制混凝土楼板中采用栓钉抗剪连接的性能差异。试验结果表明:在栓钉群受剪时各排栓钉承担的剪力差异明显;相比于栓钉与整浇混凝土楼板的连接,栓钉与留孔后浇灌浆料的预制楼板连接的抗剪刚度明显减小,滑移变形能力显著增加。验证了留孔后浇灌浆料的预制楼板与栓钉的连接可以满足抗剪要求。

内置角钢改进夹心节点抗震性能研究与抗剪承载力计算

梁柱采用不同强度混凝土的节点核心区通常采用同柱等强的高强度混凝土浇筑(传统节点),而采用同梁等强的低强度混凝土浇筑(夹心节点)可简化施工过程,但同时降低了节点的抗震性能。为研究内置角钢改进夹心节点的可行性,通过一个空间夹心节点和一个内置角钢空间夹心节点试件进行双向等幅低周往复试验研究,对比分析了破坏模式、延性、耗能、刚度、应变和抗剪承载力等方面的差异。结果表明:采取改进和不采取改进措施节点破坏模式均以梁端屈服后的节点破坏为主,但采取改进措施的试件延性和抗剪承载力明显提高,耗能能力、刚度退化和变形能力有一定改善,表明改进措施改善了节点的抗震性能。最后在此基础上,给出了与该文和其他文献试验结果吻合较好的采取或者不采取改进措施夹心节点抗剪承载力计算公式。

多层重力-侧力系统可分组合结构体系力学性能分析

针对装配式组合结构的发展需求,提出了一种多层重力-侧力系统可分组合结构体系,通过梁端铰接实现了结构的竖向承重系统与水平抗侧力系统的分离,提升了装配式组合结构的标准化程度。根据该结构体系的布置方案,设计并完成了3个大比例体系试验,与传统刚接组合框架对比,分析了新型结构体系在竖向楼面荷载和水平滞回荷载作用下的力学性能,对两种结构体系开展了抗震性能评价。利用通用有限元软件MSC.Marc建立了新型结构体系的有限元模型,通过与试验结果对照分析了节点建模方式对计算结果的影响。研究结果表明,新型结构体系在水平地震作用下的安全裕度高于传统刚接组合框架,新型结构体系的节点表现出显著半刚性,其对结构竖向承载刚度和侧向刚度均有明显影响。

基于美德联合剪切试验数据库评价中国规范钢筋混凝土无腹筋梁受剪承载力公式

在美国混凝土协会和德国结构混凝土委员会联合小组发布的剪切试验数据库的基础上,根据中国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(2015版)的设计要求对试验数据开展进一步的筛选后,对中国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(2015版)无腹筋梁受剪承载力公式的安全性进行评价。结果表明:集中荷载作用和均布荷载作用的无腹筋梁受剪承载力公式计算标准值的安全保证率分别为85.9%和81.6%,大部分不安全的预测结果出现在受拉纵筋配筋率较低(小于1.5%)和截面高度较大(大于800mm)时。最后,在剪跨比大于2.4的范围内对中国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(2015版)和美国《结构混凝土建筑规范要求》(ACI318-14)的无腹筋梁受剪承载力公式的安全系数进行对比。

高轴压比下钢管高强混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

通过在约束边缘构件位置和截面中部设置多根钢管，形成了一组不同钢管布置形式的钢管高强混凝土组合剪力墙。通过对8片剪跨比为2．08的剪力墙试件在高轴压比（0．40～0．62）下的低周往复加载试验，研究其破坏形态、承载力、变形能力、滞回性能等。试验结果表明：试件的破坏形态为压弯作用下的受弯破坏，墙体根部混凝土压溃范围为整个试件宽度和300—400mm高度，钢管与混凝土之间没有出现明显的黏结滑移；在峰值荷载前，试件的截面应变分布基本符合平截面假定；与钢筋混凝土剪力墙相比，设置钢管后在轴向压力最大增加19％的情况下，受弯承载力提高了21％～43％，试件的屈服位移角达到1／300，峰值荷载时位移角不低于1／100，极限位移角达到1／75，个别试件接近1／40，变形能力提高了约30％，试件的滞回性能明显改善，表明所设计的钢管高强混凝土剪力墙具有良好的抗震性能和抗倒塌能力。

后浇LSECC装配整体式梁受力性能试验研究

该文基于一种新型高韧性低收缩ECC材料-LSECC,提出了两种后浇LSECC装配整体式框架节点方案,以达到提升高烈度区装配整体式框架节点抗震性能并简化配筋的目标。以节点模型为基础构建了对应的梁式构件,完成了5根后浇LSECC装配整体式梁的静力单调加载试验。通过对承载力、刚度、破坏形态与裂缝发展的分析,初步论证了LSECC应用于装配整体式节点的可行性和优势,并对界面(包括热接和冷接)构造、纵筋锚固等关键基础问题进行了探究,提出了合理的构造措施,为后续大比例梁柱节点抗震性能试验奠定了基础。试验表明:采用LSECC的装配整体式梁具有等同现浇梁的承载力和延性,且裂缝宽度相比混凝土梁明显减小;梁跨中采用ECC的范围越大,初始刚度越低,在加载过程中刚度退化越缓慢;ECC与钢筋具有更好的协同工作能力和粘结强度,其锚固搭接长度相比混凝土节点可显著降低,在装配整体式节点处应用该材料能够保证足够的粘结锚固能力;适当的界面构造配筋可有效提升后浇ECC与预制混凝土界面的力学性能,确保界面不成为薄弱面。

组合节点变形机制和破坏形态的定量评价

节点的变形机制和破坏形态分析是其抗震性能评估的重要内容,但目前缺乏有效的定量评价方法。该文基于多尺度数值模型,对组合节点变形机制和破坏形态的定量评价方法开展研究。提出采用"变形分量比例图"分析组合节点的变形机制,该图可根据多尺度模型的位移结果直接计算得到。"变形分量比例图"反映了梁弯曲、柱弯曲、和节点域剪切三种主要变形分量随层间位移角以及层间位移方向角的变化规律,可直观地揭示组合节点在任意层间位移方向上的破坏形态。层间位移方向角对空间组合节点的变形机制和破坏形态影响显著,必须利用"变形分量比例图"全面验算组合节点在任意可能层间位移方向上的破坏形态,并进一步优化设计确保任意可能地震入射方向上的预期破坏机制。

基于高效精细化连梁计算单元的高层结构核心筒地震行为模拟

钢筋混凝土联肢剪力墙和核心筒在多高层结构体系中有着广泛应用。本文基于所开发的用于钢筋混凝土连梁地震反应分析的考虑非线性剪切的纤维梁单元,结合常规不考虑非线性剪切的纤维梁单元和分层壳单元,在通用有限元软件MSC.MARC(2007r1)平台上建立了一种新的联肢剪力墙和核心筒分析模型。模型分别采用所开发连梁单元、分层壳单元和常规纤维梁单元模拟钢筋混凝土连梁、剪力墙和边缘约束构件,具有高效、准确、建模方便的特点。首先利用相关联肢墙拟静力试验验证模型的准确性。随后对一31层高的核心筒结构进行地震反应模拟,重点对地震激励过程中核心筒内各处连梁的受力规律进行了详细分析,并与采用分层壳单元的计算模型进行了对比。本文提出的联肢剪力墙、核心筒计算模型为基于通用有限元软件平台的高层结构体系弹塑性分析提供了一种新的工具。

超大承载力端板连接节点螺栓施拧顺序及预拉力松弛研究

超大承载力端板连接节点共布置32颗或24颗螺栓,是一种可以应用于大跨或重载钢结构的新型节点形式。由于该节点形式的螺栓数量明显多于传统构造,节点安装时螺栓的施拧顺序以及施拧后螺栓的预拉力松弛对该节点中螺栓总体预拉力水平的影响比传统节点更为复杂。采用4种不同的施拧顺序对4个足尺超大承载力端板连接节点试件安装过程中螺栓的预拉力进行了分析,监测了施拧完成后65 h内螺栓的预拉力变化。结果表明,相关规范中规定的螺栓施工预拉力要求适用于超大承载力端板连接节点,提出了该节点螺栓施拧顺序的建议以及多螺栓接头中螺栓施工预拉力的确定方法。

牺牲-耗能型伸臂桁架的设计和试验研究

伸臂桁架是超高层建筑中的重要抗侧力构件。该文以一个超高层框架-核心筒-伸臂桁架结构为研究对象,分别采用普通伸臂桁架和防屈曲支撑(BRB)伸臂桁架进行独立设计,得到两个结构模型—普通伸臂桁架结构(CO)和BRB伸臂桁架结构(BO)。罕遇地震弹塑性分析结果表明,由于BO模型中的BRB伸臂桁架始终保持较高强度,反而导致结构中其他构件的塑性耗能比例增加,最终其塑性耗能效果不如CO模型中的普通伸臂桁架。因此,该文提出了一种新型牺牲-耗能型伸臂桁架,通过试验研究和有限元模拟分析了牺牲-耗能型伸臂桁架的主要设计参数及抗震性能。结果表明:牺牲-耗能型伸臂桁架的牺牲段和耗能段强度最优比为6∶4左右;将CO及BO模型中的伸臂桁架分别按照等刚等强原则替换成对应的牺牲-耗能型伸臂桁架后,结构中伸臂桁架的塑性耗能明显增加,剪力墙的塑性耗能明显减少,其他构件如连梁、梁的塑性耗能基本呈减少趋势,牺牲-耗能型伸臂桁架起到了保护结构中其他构件的作用。

基于混合消能减震技术的组合结构独柱高架站台抗震性能研究

结合高性能组合结构形式以及混合消能减震体系的双重技术优势,研发了适用于独柱长悬臂式高架站台结构的抗震体系。采用有限元分析软件MSC. MARC分别对该体系进行了强震作用下的静力弹塑性分析和动力弹塑性时程分析。分析结果表明基于MSC. MARC二次开发的纤维模型和采用宏观本构的一维非线性弹簧模型能高效准确地模拟站台结构的非线性动力特征以及损伤破坏规律。混合消能减震技术可显著提高结构的刚度和承载力,在降低主体构件耗能的同时增强结构的整体耗能能力。在体系层面,混合消能减震技术可明显改善结构刚度分布不均匀带来的不利影响,有效地降低结构的整体变形和层间位移角;在构件层面,消能减震体系能减少或避免主体构件的出铰,有效地降低主要承重构件的截面应力水平,降低悬臂梁所承受的扭矩。值得注意的是,在混合消能减震体系中,由于结构的各个薄弱环节均得到了加强,未受到消能减震构件保护的其他结构构件的地震响应可能会被放大。

典型框架-核心筒单重与双重抗侧力体系的抗震性能与剪力分担研究

在中国规范体系下,框架-核心筒结构应设计为双重抗侧力体系,其对二道防线的设计有明确的规定,即框架-核心筒体系的框架部分必须具有足够的抗侧刚度和承载力。国外的一些规范(如美国规范ASCE7等)则允许单重抗侧力体系,即水平荷载由剪力墙承担,框架部分只承担竖向荷载。因此,为了比较单重与双重抗侧力体系的抗震性能,该文首先根据中国规范设计一典型框架-核心筒双重抗侧力体系模型,然后在保持结构重力荷载代表值相等(混凝土用量基本不变)的前提下,基于以下调整原则设计了框架-核心筒单重抗侧力体系模型:1)在双重结构体系的基础上取消结构二道防线,即取消结构框架部分的楼层剪力调整;2)为了减小框架构件截面尺寸,该研究取消了框架构件抗震等级的要求,使筒体承受大部分的水平地震作用,而框架只承担结构的竖向荷载。该文对比分析了两种结构体系在多遇和罕遇地震作用下的响应特征和构件损伤情况,进而讨论两种体系的倒塌机理以及抗倒塌性能。最后讨论单重与双重体系在不同地震水准下,框架所承担剪力和剪力分担比的变化情况以及对应关键构件的破坏情况。研究表明:在地震作用下,双重抗侧力体系结构的响应略大于单重抗侧力体系,两者的抗倒塌能力相当。然而,单重体系的用钢量比双重体系少。

带端部阻尼器伸臂桁架的抗震性能试验研究

伸臂桁架是超高层建筑中的关键构件,改善其耗能能力对提升结构的抗震性能具有重要价值。该文在普通伸臂桁架拟静力试验研究基础上,进行了端部带阻尼器的伸臂桁架抗震性能的试验研究。研究结果表明,辅助装置是保证端部阻尼器剪切受力状态的必要构成,在端部设置的软钢阻尼器及摩擦阻尼器能够改善耗能能力,保护伸臂桁架杆件不受损伤。端部设置的摩擦阻尼器因为其刚度及强度可以解耦,具有较大的设计自由度,有利于工程中的应用和推广。该文进一步分析了在伸臂桁架中设置软钢阻尼器的可行性,结果表明由于在软钢阻尼器刚度和强度耦合,难以同时满足伸臂桁架刚度和强度的设计需求,因此在工程中的应用有待进一步研究。

地震导致外围护填充墙坠落的试验研究及伤害风险范围分析

在地震作用下,外围护填充墙破坏坠落会产生严重的次生灾害。结构层间变形和墙体面外加速度作用是导致填充墙破坏坠落的主要因素。为了研究这两种因素作用下外围护填充墙的破坏和坠落机制,本文设计了一种填充墙拟静力试验。通过将墙体置于不同倾斜角,用重力加速度分量模拟地震时填充墙受到的不同面外加速度。研究不同面外加速度、不同面内层间位移角下墙体的破坏坠落面积比,并给出拟合计算公式。之后,本文针对不同层数的带砌体填充墙框架结构,分别建立其非线性结构分析模型,计算结构每层的加速度、速度和位移时程响应。根据这些结构最大响应,结合试验得到的拟合公式,计算外围护填充墙体不同宽厚比和地震加速度下破坏造成的坠物数量,并计算坠物经平抛运动落地后的分布情况。最后根据坠物数量和坠物分布,估算出地震作用下外围护填充墙破坏坠落导致的伤害风险范围。