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四川5·12汶川大地震牵动了全国人民的心,广大的结构工作者更是多了一份使命感。他们中的很多同志第一时间奔赴灾区,深入一线进行现场考察,掌握了大量珍贵的震害资料。《建筑结构》杂志作为结构与土木工程界的一份重要的专业期刊,非常关注对此次地震震害的调研工作,并积极参与由此引发的土木工程界的广泛思考。编辑部同仁加班加点,查阅资料,采访专家,在很短的时间内推出了本期的地震专栏。需要说明的是,在初步调查研究阶段,由于地震本身的复杂性及各种错综复杂的因素影响,研究者可能对某些问题存在不同的见解,也可能存在偏差,这就需要不断地探索研究,我们也希望借此栏目,吸引更多的专业人士秉着科学严谨的态度和怀着对生命的热爱,参与我们的讨论。最后感谢中国建筑科学研究院、清华大学、东南大学等单位的多位同志对本栏目的大力支持和帮助。
根据我国79系列规范设计的某钢筋混凝土高层建筑,由于使用功能的改变需要对结构进行抗震评估和加固。引入基于性能的抗震评估与加固方法,以结构层间位移和构件承载力需求作为性能目标,通过基于地震加速度记录的非线性快速时程积分(FNA)方法进行结构分析。论证了该既有钢筋混凝土高层建筑在控制加固费用的前提下采用增设粘滞耗能支撑的方法,加固后结构满足"小震不坏、中震可修、大震不倒"的抗震设防目标。
提出了烂尾楼工程续改建时的工作程序,探讨了此类工程续改建时应注意的几个问题,即设计规范的选用、后续设计使用年限的确定、地震作用的取值、场地类别的划分、结构布置和结构体系的修改、剪力墙约束边缘构件配筋及加固和借助抗震性能化设计减少烂尾楼工程的加固量等。
通过对某中学学生食堂的加层改造设计,分析了此类工程设计中遇到的难点。针对原结构体系不明确、层高超标的问题,分别采用新增防震缝、设钢筋网夹板墙的方法进行加固。还采用框-剪结构的方案减小梁柱的加固工作量,用静载试验来提高设计单桩承载力、减少补桩。
针对两种品种的胶和两种粘结长度进行了混凝土植筋试件的约束拉拔试验。所有试件均发生了钢筋与胶体之间的界面破坏,与试验预期目标一致。但部分试件出现了钢筋屈服现象,说明植筋粘结长度过长。试验结果表明,钢筋-胶体界面结合力与滑移的关系可以简化为三阶段模型:粘结阶段、滑移阶段、拔出阶段。粘结阶段为线弹性段,界面结合力以化学粘结力为主,其特征是钢筋自由端位移为零。滑移阶段为抛物线段,界面结合力以机械啮合力为主。拔出阶段为下降段,界面结合力以摩擦力为主。通过对试验结果的回归分析可得到钢筋-胶体界面粘结滑移本构关系。
FRP与混凝土之间的粘结性能是控制外贴FRP加固混凝土结构成败的关键,在外贴CFRP加固钢筋混凝土梁试验中,在纯弯段内沿CFRP受力方向连续粘贴了应变片,进行了CFRP与混凝土的粘结性能的试验研究,并在试验数据的基础上分析了CFRP应变以及粘结剪应力的发展和沿粘结长度的分布规律。研究结果表明初始裂缝的存在对粘结性能的影响主要表现在加载初期和裂缝附近的局部范围。
采用外贴U形碳纤维布条的方法对12根低强度(fcu≤15MPa)混凝土梁进行了抗剪加固试验。结果表明,外贴碳纤维布能够明显改善低强度混凝土梁的抗剪性能,梁破坏主要源于纤维布剥离,如果布条端部设置压条,加固梁破坏前有明显先兆。基于断裂力学模型,由拉剪粘结试验确定碳纤维布剥离时所能承受的有效拉力;利用平面桁架模型,提出加固梁外贴U形碳纤维布条剥离时抗剪承载力的计算方法。计算和试验结果的比较分析表明,所提方法可用于低强度混凝土梁的抗剪加固设计。
介绍了某钢筋混凝土排架结构的厂房根据工艺要求,按现行规范进行的加固设计。厂房基础采用锚杆静压桩加固,柱采用外包钢、KL高强无收缩灌浆料配合混凝土灌浆包裹加固,并对屋架、支撑等构件进行了必要的整修、防腐处理。
对薄柔钢框架中的延伸端板式梁柱节点进行了试验。将节点置于足尺薄柔钢框架中进行加载测试,使节点的边界条件和受力状态符合实际结构状况。从结构刚度和节点区变形两方面对节点抗弯刚度和节点域剪切刚度进行了分析,结果表明薄柔钢框架中的端板式节点在一定条件下可以满足刚性连接的要求。
对4个H型钢梁试件进行了火灾试验研究。H型钢梁端部采用柔性连接的梁柱节点形式,探讨了H型钢梁在火灾作用下的变形、温度内力和梁的外表面温度分布,并给出了荷载和跨度对采用柔性连接节点形式的H型钢梁抗火性能的影响。为柔性连接钢梁火灾行为的理论研究提供了依据。
对工字钢短柱在轴向约束的情况下进行了高温强度试验。研究结果表明,在弹性阶段,温度越高,增加的温度应力越大,温度应力的增量只与温度的增量有关,而与初始载荷无关。在超静定结构中,温度应力是导致构件屈服破坏的主要原因,因此钢结构的耐火设计应该考虑温度应力的影响。
通过对冷弯薄壁圆钢管的截面特点进行分析,针对轴压构件所用钢材级别及柔度范围的不同,分别推导了近似柔度λ0的计算公式。该公式简捷直观,能避免繁琐的试算过程,可直接计算出满足稳定性要求的截面尺寸,使设计结果更趋合理。
针对输煤栈桥及支架用钢量偏大的问题,提出用等截面圆钢替代工字钢用于合理选取优化变量,及分段设置优化参数的方法,减少了栈桥及灯笼架结构优化所需要的优化变量。利用ANSYS软件中的优化技术,对某煤场输煤栈桥及支架方案的用钢情况进行了优化,分析了优化结果的静、动力特性,并与原方案进行了比较。优化后方案在最大变形、最大应力及动态特性等方面同原方案无明显差别或优于原方案,但各构件的承载能力得到更好的发挥,用钢总量较原方案明显减少。
现有的变翼缘宽度钢梁的设计方法只适用于梁受均布荷载的情况。为找到最优的变截面位置,推导了变翼缘宽度钢梁截面优化设计的步骤及通用公式,编写了相应的钢梁截面优化计算机程序。算例表明,变翼缘宽度钢梁的最优截面变更位置是在离梁支座约l/6~l/4的地方,用文中程序设计的钢梁可比手算法节省钢材10%左右。
推导了有侧移等截面钢框架柱计算长度系数的迭代计算公式,编制了相应的计算机程序。算例表明,方法可求得满足规定精度要求的钢框架柱计算长度系数。指出了现行钢结构设计规范和钢结构设计手册表格中该计算长度系数部分数值的不准确性。
完成了对持续荷载作用下锈蚀梁、加载后卸载锈蚀梁、持续加载不锈蚀梁在使用阶段的对比试验。通过交替喷洒3.5%的盐水来模拟海洋潮汐环境,采用外加电流来加速钢筋锈蚀,整个试验过程中检测梁的锈蚀电流和跨中挠度。结果表明,荷载对钢筋锈蚀有明显影响,荷载作用使梁锈蚀加速,钢筋出现不均匀锈蚀。随着时间的增长,持续荷载作用下锈蚀梁的跨中挠度比没有锈蚀梁的挠度增长速度快。因此锈蚀钢筋混凝土结构在使用阶段的性能对耐久性能研究和使用寿命预测都非常重要。
与钢筋均匀锈蚀相比,钢筋坑蚀具有显著的不确定性和截面损失等特点,对混凝土构件的抗弯性能具有一定的影响。结合国内外相关资料,通过实际工程中钢筋坑蚀的试验统计,验证了坑蚀系数服从极值I型的分布。基于钢筋的坑蚀概率模型,借助MonteCarlo模拟,分析了锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯承载力,研究了钢筋坑蚀对混凝土受弯构件承载能力的影响。结果表明,钢筋坑蚀的随机性对梁的可靠性有很大影响,钢筋坑蚀构件抗弯承载力的下降速度比均匀锈蚀更快,对梁的耐久性具有潜在危害。
浇注了5个钢筋混凝土柱式大试件,养护三个月后通过电化学方法加速其锈蚀,得出了锈胀开裂时钢筋的锈蚀率。基于电化学锈蚀试验结果,并结合已有的试验资料,建立了考虑电化学锈蚀速度、相对保护层厚度及粗钢筋影响的锈裂模型,该模型具有较强的通用性。
按1∶2缩尺模型,设计了一榀用于多层住宅的新型人字支撑复合结构模型试件。根据理论计算结果,确定了该试件在竖向荷载作用下的试验加载方案。通过试验,分析了复合结构在正常使用阶段和承载力极限状态时梁柱及支撑的各控制截面应力、裂缝、变形和破坏形态。结果表明,当荷载达到按"恒载+活荷载"计算的住宅竖向荷载标准值、设计值时,梁的最大裂缝宽度和挠度均远小于规范限值,直至破坏,支撑和柱截面的应力均较小。将计算值和试验结果比较,梁的裂缝宽度、挠度和支撑轴力均符合较好。
静力弹塑性分析是一种评估结构抗震能力的方法。针对其在不对称结构中的应用进行探讨,提出侧向荷载模式的选择。采用文[3]改进方法二的原理,利用小震下振型分解反应谱法计算结果,引入修正系数,得到了能力谱的修正方法。最后通过一实例说明这种方法的应用。
保利国际广场是带斜撑的超高框架-剪力墙结构体系,属于不规则的结构。采用静力弹塑性分析法对结构在地震作用下的受力特点进行了全过程分析。计算结果表明,结构在小震作用下,所有构件未屈服,最大层间变形为1/1250;结构在大震作用下,有一部分杆件已经屈服,最大层间变形为1/155,满足规范规定的变形要求,但部分边角部位的墙和柱出现拉力,应采取必要的抗震措施予以加强。
结合我国现行抗震规范中的弹性反应谱,给出了基于结构Push-over曲线的目标位移的确定方法,并据此对结构抗震性能进行了评估。经对比分析,列举了确定等效单自由度体系粘滞阻尼比的实用公式。此外,以规范反应谱为目标谱,合成人工地震波对结构进行弹塑性时程分析,检验简化计算结果。实例分析表明,所给出的目标位移的确定方法有较好的精度,便于工程技术人员掌握,是进行抗震性能设计的实用方法。
介绍了标准JGJ99—98,GB50011—2001,CECS160:2004,EC8,ANSI/AISC341—02和日本极限状态设计指南中关于钢结构"强节点弱构件"的抗震设计方法,包括梁柱刚性连接、支撑与框架连接和连接部分设计抗力的计算方法。通过归一化后的Φ值比较,评价了各标准的设计方法。分析表明,按JGJ99—98,GB50011—2001设计的节点最弱,按CECS160:2004设计的最强,按ANSI/AISC341—02设计的略弱于CECS160:2004。考虑到大震下要求节点不坏,GB50011—2001和JGJ99—98中有关节点部分的设计有待进一步研究。
不同截面形状的钢管混凝土在不同的压弯条件下所表现出来的承载力性质是不同的,当给定压弯设计荷载后不同截面形状的钢管混凝土具有不同的经济性。通过计算和分析不同形状钢管混凝土的承载能力,找出了一种实用的优选截面形状的方法,使构件在满足承载力要求的前提下经济性最佳,对钢管混凝土截面选型具有参考价值。
对11个具有不同截面尺寸、粘结长度、混凝土强度等级、保护层厚度、配箍率的型钢混凝土短柱进行了试验研究。测量的关键参数是型钢混凝土之间的粘结应力和滑移。型钢的粘结长度、混凝土强度等级、混凝土保护层厚度、配箍率是影响粘结性能和粘结强度的主要因素。提出了型钢翼缘和腹板处的粘结应力分布模式及极限粘结强度的计算公式。
简要介绍了近年沿海地区台风引发的膜结构风损事故,说明了风场的复杂性。建议采用抗风多级设防原则合理进行膜结构抗风设计。针对膜面撕裂是膜结构风损的主要形态,具体分析了膜面撕裂破损的原因。从设计、制作、安装到使用等方面提出了相应的防范措施,以增强膜结构防御灾害的能力。
介绍了利用弹性工程磁学进行索张力测试的基本原理,设计了基于弹性工程磁学原理测试索张力的仪器。进行了索张力测试的试验研究,并对试验结果进行了整理分析。试验结果表明,不同应力下磁导率有明显变化,说明通过测试不同拉力下的拉索材料的磁导率反应可以测量拉索所受拉力的大小。
针对一海岛上的重要高层建筑,根据目前国际上主流国家荷载规范的相关规定,对考虑地形影响的风压/风速增大系数取值进行了深入比较和分析。同时,参照日本新颁布的荷载规范分析了地形变化对阵风系数的影响。通过分析和讨论可以看出国际上主流国家的荷载规范在考虑地形影响时风荷载增大系数的取值方面与中国规范的差别及其发展方向,同时为工程主体结构和围护结构的抗风设计中风荷载的取值提供了较为可信的参考。
从调查中原地区城镇住宅楼面活荷载出发,阐述了建立持久性及临时性活荷载概率模型的过程。根据统计得到的房间单位面积的重量,按不同使用功能将房间分类,绘制各类房间荷载分布折线图,根据折线图形状呈左偏态的特点,假设统计荷载服从极值Ⅰ型分布,采用χ2检验法对假设的分布进行检验。结果表明,各种情况下均没有理由拒绝统计荷载服从极值Ⅰ型分布。给出了代表中原地区城镇住宅楼面持久性活荷载和临时性活荷载最大值的概率分布函数和统计参数,对编制荷载新规范具有参考价值。
中环世贸中心属深基坑的钢筋混凝土超高层建筑,其主楼、裙房均采用天然地基,在北京地区同类建筑中尚无先例。针对相关地基承载力及沉降、抗浮等问题作了分析与探讨。介绍了地基承载力的确定和减小主楼与裙房沉降差及主楼核心筒内外差异沉降所采取的措施。不同区域分别采用增加自重或结构抗浮措施,解决了深基础抗浮问题。
对位于邯郸市中心的招贤大厦地基沉降与上部结构共同作用分析研究显示,用有限元方法计算地基沉降能够取得良好的结果。与分层总和法比较,有限元方法更适合计算机使用,能得到复杂条件时的地基沉降计算值及地基土反力分布。分析研究还显示,由于考虑了地基土、基础与上部结构共同作用,在基础筏板的全部弯矩中,整体弯矩占主要部分。整体变形类似锅底状,以底部受拉为主要受力状态,同时与基础相接的框架柱根部有很大的弯矩,设计时要充分注意。