建筑科學(xué)與技術(shù)

方小丹，魏璉，周靖

建筑科學(xué)與技術(shù)

長周期結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn)與反應(yīng)譜

方小丹，魏璉，周靖

目的：隨著超高層復(fù)雜建筑的快速發(fā)展，長周期結(jié)構(gòu)的抗震和減震設(shè)計(jì)面臨很大挑戰(zhàn)，備受國內(nèi)外工程和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。本文探討長周期結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn)，分析我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）中反應(yīng)譜長周期段存在的主要缺陷，并提出符合長周期結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律且物理意義明確的反應(yīng)譜改進(jìn)建議。方法：采用理論解析方法分析長周期結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn)及其可能的安全隱范?；凇犊挂?guī)》加速度譜長周期段對(duì)應(yīng)的功率譜和位移譜以及不同阻尼比反應(yīng)譜的走向特點(diǎn)論證《抗規(guī)》反應(yīng)譜長周期段衰減規(guī)律設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的合理性。基于工程實(shí)例解析《抗規(guī)》樓層最小剪力系數(shù)規(guī)定的必要性及其抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用方法上的合理性。依據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)譜表達(dá)函數(shù)及其衰減指數(shù)，并通過功率譜解析建議設(shè)計(jì)譜的合理可行性。結(jié)果：對(duì)反應(yīng)譜進(jìn)行人為的改變，會(huì)導(dǎo)地震動(dòng)特性的失真，《抗規(guī)》反應(yīng)譜長周期段由于人為的調(diào)整，改變了地震動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性，導(dǎo)致加速度反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的功率譜和位移譜在長周期段異常，也導(dǎo)致長周期結(jié)構(gòu)在地震作用下的計(jì)算位移偏大；不同阻尼比反應(yīng)譜交匯后分叉，阻尼比較大的地震影響系數(shù)曲線衰減速度明顯低于阻尼比較小的地震影響系數(shù)曲線的衰減，也不符合工程中不同阻尼比結(jié)構(gòu)的震動(dòng)衰減規(guī)律?！犊挂?guī)》所規(guī)定的樓層最小地震剪力系數(shù)僅與地震影響系數(shù)的最大值相關(guān)，與場(chǎng)地類別無關(guān)，有悖于軟土場(chǎng)地上結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)大于硬土場(chǎng)地上地震反應(yīng)的一般規(guī)律，可能導(dǎo)致Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)地的長周期結(jié)構(gòu)比Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地更難滿足最小地震剪力要求；畸形、不合理的結(jié)構(gòu)體系可能滿足最小剪重比的要求，而規(guī)則、合理的結(jié)構(gòu)卻有可能不滿足的情況。由加速度譜Sa、擬速度譜Sv和位移譜Sd之間的擬譜關(guān)系，給出了具有較長周期段（T延長至約10 s）的反應(yīng)譜建議，改進(jìn)的建議反應(yīng)譜形式簡單且能體現(xiàn)地震動(dòng)的真實(shí)特性。結(jié)論：反應(yīng)譜的形式應(yīng)滿足加速度譜、速度譜、位移譜之間的內(nèi)在關(guān)系，《抗規(guī)》反應(yīng)譜第一下降段可簡單地按T－1的規(guī)律下降，第二下降段按T－2的規(guī)律下降，并延長至10 s。加速度反應(yīng)譜平臺(tái)段（αmax）應(yīng)與場(chǎng)地類別相關(guān)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類場(chǎng)地的動(dòng)力系數(shù)最大值βmax可分別取為2.0、2.25、2.5和2.75，并適當(dāng)延長大震級(jí)地震影響所及的Ⅲ、Ⅳ場(chǎng)地的特征周期?！犊挂?guī)》給定的樓層最小剪力系數(shù)與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜無關(guān)，不應(yīng)以加大結(jié)構(gòu)剛度來滿足人為設(shè)定的最小剪力系數(shù)，可直接使結(jié)構(gòu)承擔(dān)必要的最小地震剪力來保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性。工程算例表明，依據(jù)建議反應(yīng)譜并由擬譜關(guān)系得到的相對(duì)位移譜，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的位移驗(yàn)算是可行的。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2014,35(3):16-23

入選年份：2014

高強(qiáng)度鋼材箱形柱滯回性能試驗(yàn)研究

施剛，鄧椿森，班慧勇，等

摘要：目的：我國是一個(gè)地震災(zāi)害多發(fā)國家，高強(qiáng)度鋼材要廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)，必須充分研究其抗震性能，以保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全。但是，目前國內(nèi)外針對(duì)高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的研究還較少；各國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼柱板件寬厚比限值的規(guī)定，都是基于對(duì)普通強(qiáng)度鋼材的研究，其限值是否適用于高強(qiáng)度鋼材鋼柱，尚缺乏必要的理論和試驗(yàn)依據(jù)。高強(qiáng)度鋼材與普通強(qiáng)度鋼材相比，其力學(xué)性能指標(biāo)包括強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、強(qiáng)化模量、屈服平臺(tái)長度等有很大不同，這對(duì)鋼柱的抗震性能會(huì)有較大影響。目前國內(nèi)外對(duì)普通強(qiáng)度鋼材鋼柱進(jìn)行了較多的抗震試驗(yàn)研究，但是對(duì)高強(qiáng)度鋼材鋼柱抗震性能的試驗(yàn)研究還很少。本文進(jìn)行了5個(gè)Q460鋼材等邊箱形截面足尺壓彎試件在常軸力、水平循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn)，以研究其抗震性能。方法：試驗(yàn)的試件取為一端剛接、另一端為可水平移動(dòng)的鉸接的懸臂柱；先施加軸向壓力并保持恒定，然后在懸臂端施加水平往復(fù)荷載，以模擬地震荷載。所有試件均為等邊箱形截面，部分試件的板件寬厚比滿足規(guī)范限值，部分試件的則超限；試件軸壓比包括0.2和0.4。試驗(yàn)采用2000 t電液伺服加載系統(tǒng)。柱端布置位移計(jì)，以測(cè)量柱端水平位移和柱底轉(zhuǎn)角；此外，柱端布置應(yīng)變片，以測(cè)量其在加載全過程中的應(yīng)變發(fā)展。根據(jù)《建筑抗震實(shí)驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ101—96），采用荷載-位移雙控制的方法，在試驗(yàn)過程中保持柱頂軸向力的大小不變，屈服前水平加載采用力控制，屈服后采用位移控制。結(jié)果：試件破壞過程均為翼緣首先出現(xiàn)局部屈曲，然后腹板局部屈曲，承載力下降至破壞。破壞形態(tài)均為翼緣呈半波形狀向內(nèi)凹，腹板呈半波形鼓曲，所不同的是各試件翼緣和腹板屈曲變形最大點(diǎn)與加勁板上表面的距離以及屈曲變形范圍不同。所有試件在加載過程中，均沒有發(fā)生焊縫開裂。隨著寬厚比的增大，試件局部屈曲也出現(xiàn)得越早，最大承載力出現(xiàn)的位移級(jí)越小，達(dá)到破壞時(shí)的位移級(jí)也越小。所有試件的滯回曲線均呈梭形，沒有明顯的捏攏現(xiàn)象出現(xiàn)。滯回曲線的飽滿程度隨著板件寬厚比的增大而逐漸降低。結(jié)論：Q460高強(qiáng)度鋼材箱形柱在水平往復(fù)荷載下，試件的塑性變形和板件屈曲發(fā)展充分，滯回曲線飽滿，具有很好的變形能力、耗能能力和抗震性能，適用于抗震鋼框架。所有試件本身及其柱腳節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載下均未發(fā)生焊縫開裂，表明設(shè)計(jì)合理和加工制作質(zhì)量合格的 Q460高強(qiáng)度鋼材焊縫連接具有足夠的承載力和抗震性能。在同一加載制度下，板件寬厚比越大，試件局部屈曲也出現(xiàn)得越早，最大承載力出現(xiàn)的位移級(jí)越小，達(dá)到破壞時(shí)的位移級(jí)也越小。隨著寬厚比的增大，試件發(fā)生局部屈曲的范圍及屈曲中心位置相對(duì)于試件截面高度的比值依次減小，即板件寬厚比越大，板件發(fā)生局部屈曲范圍越小，最大屈曲位置距離端部越近，文中試件最大屈曲位置距固定端高度為0.25 B～0.5 B，塑性區(qū)范圍距離固定端高度為0.72 B～1.06 B。建議在軸壓比不大于0.2時(shí)，Q460鋼材箱形截面壓彎構(gòu)件板件寬厚比限值不應(yīng)大于30（換算 Q235鋼材寬厚比為 42）。同時(shí)，軸壓比對(duì)鋼柱的抗震性能有較大影響，鋼框架柱在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其板件寬厚比限值應(yīng)與軸壓比相聯(lián)系，軸壓比越大，板件寬厚比限值應(yīng)越小。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2012,33(3): 42742

入選年份：2015

大跨樓蓋結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)與分析

李愛群，陳鑫，張志強(qiáng)

摘要：目的：在追求大空間的公共建筑中，樓蓋通常具有大跨度、輕質(zhì)量、低阻尼的特點(diǎn)。這導(dǎo)致了在人行荷載作用下，樓蓋加速度響應(yīng)往往無法滿足人體舒適度的要求。本文通過研究考慮樓蓋振動(dòng)舒適度的調(diào)諧質(zhì)量阻尼減振技術(shù)，有效抑制大跨樓蓋的豎向振動(dòng)，并通過 4個(gè)工程實(shí)例的研究完善大跨樓蓋減振設(shè)計(jì)方法，為該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用提供參考。方法：首先，在調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（tuned mass damper，TMD）中用可調(diào)彈簧替代普通彈簧，設(shè)計(jì)了一種新型可調(diào)節(jié)剛度調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。隨后，分析了起立、步行、跳躍和奔跑等四種人體活動(dòng)的特點(diǎn)，建立了由這些活動(dòng)而引起的動(dòng)力荷載的模擬方法，并利用Matlab編制程序?qū)崿F(xiàn)。結(jié)合結(jié)構(gòu)整體精細(xì)有限元模型，建立了大跨樓蓋振動(dòng)舒適度的時(shí)域分析和評(píng)價(jià)方法。分析總結(jié)了大跨樓蓋結(jié)構(gòu)采用多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（multiple tuned mass dampers，MTMD）的減振機(jī)理，提出了考慮人體舒適度的大跨樓蓋 MTMD減振實(shí)用設(shè)計(jì)方法。最后，在北京太平橋大街天橋、北京奧林匹克公園國家會(huì)議中心、長沙新火車站、西安火車站北站等 4個(gè)大跨結(jié)構(gòu)中開展了人致動(dòng)力荷載作用下MTMD減振的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，并通過部分工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究驗(yàn)證了所提出的新型TMD和減振設(shè)計(jì)方法的有效性。結(jié)果：從4個(gè)實(shí)際工程的數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究可知：（1）針對(duì)主跨42 m的北京太平大街天橋，每個(gè)天橋布置6套TMD減振裝置；分析表明，結(jié)構(gòu)在不同頻率荷載下的動(dòng)力響應(yīng)均有不同程度的減小，其中激勵(lì)主頻率為2.5 Hz時(shí)跨中位移衰減達(dá)70%；經(jīng)濟(jì)性分析表明，采用TMD技術(shù)可比增加截面的方法節(jié)約鋼材約40 t，降低了綜合造價(jià)。（2）針對(duì)北京奧林匹克國家會(huì)議中心內(nèi)60 m×81 m跨度的組合樓蓋，共布置72套TMD減振裝置；分析表明，在快走和跳動(dòng)荷載作用下，加速度響應(yīng)衰減分別達(dá) 49.1%和 46.7%；開展的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究表明，無論是動(dòng)力特性還是動(dòng)力響應(yīng)，實(shí)測(cè)和理論結(jié)果基本一致，在測(cè)試工況下，安裝 MTMD后樓蓋加速度響應(yīng)衰減最大達(dá)55%。（3）針對(duì)長沙新火車站進(jìn)站平臺(tái)49 m跨樓蓋，布置56套TMD減振裝置；分析表明，在快走和跳動(dòng)荷載作用下，加速度響應(yīng)衰減分別達(dá)70%和50%；各種工況下，附加MTDM的樓蓋加速度峰值最大僅為0.13m/s2，滿足人體舒適度的要求。（4）針對(duì)西安火車北站南站房進(jìn)站平臺(tái)43 m跨樓蓋，布置88套減振裝置；分析表明，對(duì)于峰值加速度較大的工況，響應(yīng)衰減平均在50%以上，對(duì)于峰值加速度較小的工況，響應(yīng)衰減平均僅有15%；減振后，各種工況下，樓蓋最大加速度峰值為0.13m/s2左右，滿足人體舒適度要求。結(jié)論：現(xiàn)代公共建筑的大跨度樓蓋具有結(jié)構(gòu)柔、基頻低等特點(diǎn)，極易在人行荷載作用下產(chǎn)生較大的豎向振動(dòng)。理論和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本文提出的新型TMD和減振設(shè)計(jì)方法，能夠應(yīng)用于大跨樓蓋結(jié)構(gòu)的人致振動(dòng)控制設(shè)計(jì)，并可有效衰減樓蓋的豎向加速度響應(yīng)。研究工作可為類似的大跨樓蓋的振動(dòng)舒適度分析和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010,31(6):160-170

入選年份：2015

Q460高強(qiáng)鋼焊接箱形截面軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能研究

班慧勇，施剛，石永久，等

摘要：目的：屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值在460 MPa及其以上同時(shí)具有良好延性、塑性和加工性能等的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼已在國外實(shí)際工程中得到應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；國內(nèi)多個(gè)工程也成功采用了國產(chǎn) Q460高強(qiáng)度鋼材。然而目前國內(nèi)針對(duì)國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)，特別是軸心受壓鋼柱穩(wěn)定性能的試驗(yàn)研究還很少，工程設(shè)計(jì)仍沿用現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，但是其相關(guān)設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式主要基于普通強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)。已有研究表明，高強(qiáng)度鋼材軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能對(duì)初始缺陷的敏感性降低，因此，現(xiàn)有的受壓鋼柱整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法能否適用高強(qiáng)鋼柱，還需進(jìn)行全面的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，以保證結(jié)構(gòu)的安全性，充分發(fā)揮高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)勢(shì)。本文主要對(duì)國產(chǎn) Q460高強(qiáng)度鋼材焊接箱形截面柱的整體穩(wěn)定性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和有限元分析，并提出建議設(shè)計(jì)方法。方法：試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5個(gè)國產(chǎn)Q460高強(qiáng)度鋼材焊接箱形截面受壓柱，所用的鋼板為國產(chǎn)Q460C低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，每種厚度（包括10mm、12mm和14mm3種）鋼板各準(zhǔn)備了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)材性試件并通過靜力拉伸試驗(yàn)獲取了材料的基本力學(xué)性能。箱形截面試件采用單坡口全熔透對(duì)接焊縫，并通過了焊接工藝評(píng)定，對(duì)每種試件截面的焊接殘余應(yīng)力采用分割法進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)每個(gè)試件的幾何初彎曲采用光學(xué)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)采用500 t液壓式長柱壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行豎向加載，試件兩端各布置一個(gè)圓柱鉸以期實(shí)現(xiàn)柱端單向鉸接。柱中和柱端均布置了位移計(jì)和應(yīng)變片，以測(cè)量柱中橫向變形、柱端轉(zhuǎn)角、試件軸向變形以及關(guān)鍵截面的應(yīng)變分布。通過建立經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)值模型，進(jìn)行了大量參數(shù)分析。結(jié)果：由于試件具有一定的幾何初始缺陷（包括幾何初彎曲和端部荷載偏心），所有試件均因發(fā)生極值點(diǎn)失穩(wěn)而破壞，且對(duì)于長細(xì)比大的試件，其失穩(wěn)時(shí)彈性變形越大，卸載后不可恢復(fù)的塑性變形越小。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)采用的圓柱鉸并不是理想的單面鉸，可采用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧支座以模擬受壓柱的邊界條件。試件整體穩(wěn)定承載力的試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范柱子曲線進(jìn)行對(duì)比可以看出，盡管絕大部分試件的幾何初始缺陷數(shù)值e明顯大于柱幾何長度L的1‰，但試件B1-460～B4-460的整體穩(wěn)定系數(shù)φt仍高于 c類柱子曲線，僅試件 B5-460的試驗(yàn)值因初始缺陷較大以及有效計(jì)算長度計(jì)算誤差要低于設(shè)計(jì)曲線。建立的數(shù)值模型及兩種考慮幾何初始缺陷的方法均可以準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)研究的國產(chǎn) Q460高強(qiáng)度鋼材焊接箱形截面軸壓桿的整體穩(wěn)定承載力，建立的有限元分析模型可用于進(jìn)一步的參數(shù)分析。結(jié)論：國產(chǎn) Q460高強(qiáng)度鋼材焊接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)定承載力高于規(guī)范設(shè)計(jì)值。建立的有限元分析模型能夠考慮幾何初始缺陷及截面殘余應(yīng)力，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)國產(chǎn) Q460高強(qiáng)鋼焊接箱形截面軸壓柱的整體穩(wěn)定承載力。有限元模型分析得到的整體穩(wěn)定系數(shù)明顯高于我國規(guī)范對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線，表明Q460高強(qiáng)度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。此類國產(chǎn)高強(qiáng)鋼柱的整體穩(wěn)定可以統(tǒng)一采用我國或歐洲規(guī)范的b類曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不需要按板件寬厚比進(jìn)行分類。美國規(guī)范的設(shè)計(jì)公式過高估計(jì)了此類鋼柱的穩(wěn)定承載力，不夠安全。

來源出版物：建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2013,34(1):22-29

入選年份：2015