张向冈，陈宗平，薛建阳，等

建筑科学与技术

钢管再生混凝土轴压长柱试验研究及力学性能分析

张向冈，陈宗平，薛建阳，等

目的：随着我国大规模的城镇化发展，尤其是近年来基础设施改造和升级，大量的废弃混凝土相应产生，如何科学合理地处理这些建筑废弃物，成为摆在科研工作者面前的一大难题。近年来，再生混凝土技术有效地实现了建筑废弃物的再生资源化利用。为了充分利用再生混凝土和钢管混凝土各自的优点，将再生混凝土替代钢管内部的天然混凝土，形成钢管再生混凝土结构，成为国内外学者研究的一大热点，但对这种新型结构的研究尚处于起步阶段。本文对圆、方钢管再生混凝土长柱的轴压性能进行了试验研究和分析，以期推动钢管再生混凝土结构的进一步研究和应用。方法：选取截面形式、再生粗骨料取代率和长细比三种变化参数，对5个圆钢管再生混凝土和5个方钢管再生混凝土长柱试件进行试件的轴压性能试验。观察了试件受力的全过程和破坏形态，捕捉了试件屈服应变、峰值变形、极限承载力等重要特征点数据，绘制出荷载-变形、荷载-应变、轴压刚度-变形等一系列重要关系曲线，并分析了变化参数对试件极限承载力的影响规律，采用数部相关规程计算两种截面形式的钢管再生混凝土轴压长柱的极限承载力以及在正常使用极限状态下的刚度。结果：钢管再生混凝土轴压长柱受力过程均经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，破坏形态主要有材料强度破坏和弹塑性失稳破坏。再生粗骨料取代率对钢管再生混凝土轴压长柱的承载力影响不大，取代率50%的钢管再生混凝土试件比取代率为0%、100%的试件，极限承载力有小幅度的提升。在长细比等于31.30、38.26和52.17情况下，其对圆钢管再生混凝土试件极限承载力影响较大，随长细比的增加，试件的极限承载力逐渐降低；在长细比等于34.64、43.30和51.96情况下，其对方钢管再生混凝土试件极限承载力影响较小，这是因为方钢管再生混凝土试件由于外部钢管对核心混凝土的约束较弱，在长细比对方钢管再生混凝土试件极限承载力产生较大影响之前，端部钢管的鼓曲模态已经非常明显，试件因失去承载力而发生破坏。建议采用CECS28：90、DBJ13-51-2003设计圆钢管再生混凝土轴压长柱的极限承载力，建议采用规程GJB4142-2000、DBJ13-51-2003设计方钢管再生混凝土轴压长柱的极限承载力；建议采用规程DBJ13-51-2003）CECS28：90设计圆钢管再生混凝土长柱的轴压刚度，采用规程DBJ13-51-2003）CECS159：2004设计方钢管再生混凝土长柱的轴压刚度。结论：10根圆形、方钢管再生混凝土轴压长柱受力过程和破坏形态基本相似；再生粗骨料取代率对钢管再生混凝土轴压长柱的承载力影响不大，总体看来，再生混凝土应用于钢管混凝土结构中对极限承载力影响不大，可应用于工程实践之中；在现有参数变化范围内，长细比对圆钢管再生混凝土试件极限承载力影响较大，而对方钢管再生混凝土试件极限承载力影响较小。

来源出版物：建筑结构学报, 2012, 33(9)： 43089

入选年份：2015

高强超薄壁冷弯型钢低层住宅抗震设计方法

沈祖炎，刘飞，李元齐

摘要：目的：目前国内外对于低层冷弯薄壁型钢结构体系抗震性能的研究不够充分，主要局限于足尺模型结构试验的层面，且无明确的抗震分析方法和设计方法。本文利用国内外试验研究的成果，研究低层冷弯薄壁型钢结构抗震性能的分析方法，并对其抗震设计方法提出建议。方法：在综合国内外足尺模型结构试验研究的基础上，采用简化的宏观等效计算模型研究低层冷弯薄壁型钢结构的抗震分析和设计方法。首先，对冷弯薄壁型钢结构的主要受力单元即龙骨式复合墙体系采用单等效斜支撑计算模型建立与复合墙体等效的抗震分析用恢复力模型。该模型的骨架曲线采用四折线模型，滞回特性采用定点指向模型。基于国内外各种类型龙骨式复合墙体抗震性能足尺试验的结果，确定恢复力模型中各参数值。然后，用有限元软件计算采用单等效斜支撑计算模型的低层冷弯薄壁型钢结构在多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震作用下的地震响应，并与足尺结构模型的地震模拟振动台试验结果比较，分析研究低层冷弯薄壁型钢结构在多遇地震和罕遇地震作用下最简捷和最有效的分析方法，并提出抗震设计建议。结果：通过理论分析和试验结果的对比，得到了以下结果：（1）冷弯薄壁型钢龙骨式复合墙体的抗震性能可用单等效斜支撑的恢复力计算模型模拟，其骨架曲线为四线型，滞回特性采用定点指向模型。（2）单等效斜支撑计算模型可用于低层冷弯薄壁型钢结构在多遇地震和罕遇地震作用下的地震响应分析，具有概念清晰、计算简便、精度可靠等优点。（3）多遇地震抗震分析时，可采用基底剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法，分析得到的地震响应都与试验结果接近。对于结构平面布置规则的结构，可采用基底剪力法，在各主轴方向分别作抗震分析。（4）在罕遇地震作用下可采用静力弹塑性分析法，整体结构的分析结果表明，在性能点的基底剪力和位移值与足尺模型振动台试验的结果吻合较好。（5）通过分析，对此类体系的抗震设计方法提出建议如下：（a）建筑结构体系宜规则布置，以形成有效的抗侧力系统。抗剪墙体应布置在建筑结构的两个主方向，形成明确的抗震体系。（b）在多遇水平地震作用下，可采用基底剪力法和振型分解反应谱法进行抗震分析，在建筑结构的两个主方向分别计算水平荷载。每个主轴方向的水平荷载应由该方向墙体承担，可根据其抗剪刚度大小按比例分配，并应考虑门窗洞口对墙体承载力和刚度的削弱作用。（c）在进行多遇地震作用的弹性设计后，可对复合墙体等抗侧力结构采取合理的抗震构造措施，以满足罕遇地震作用下的抗震设防要求。（d）对于体型复杂、刚度和质量分布不均匀的低层冷弯薄壁型钢结构体系，应进行双向地震作用分析。如需进行罕遇地震作用下的分析和设计，可采用静力弹塑性分析法。结论：（1）低层冷弯薄壁型钢结构一般只需要考虑多遇地震作用的弹性设计。通过采取合理的墙体抗震构造措施，能够满足罕遇地震作用下的抗震设防要求。（2）进行抗震分析时，采用单等效斜支撑简化模型模拟复合墙体的抗震性能是合理可行的。（3）在多遇地震作用下，规则结构的抗震分析可采用底部剪力法；不规则结构宜采用双向地震作用下的时程分析法；（4）对于需要进行罕遇地震分析的结构，阻尼比可采用4%～6%，可采用静力弹塑性分析法，结构的最大控制层间位移角限值取1/100 rad。

来源出版物：建筑结构学报, 2013, 34(1)： 44-51

入选年份：2014

保温模块单排配筋再生混凝土低矮剪力墙抗震性能试验研究

曹万林，程娟，张勇波，等

摘要：目的：历次大地震村镇低层及多层房屋损毁严重，房屋倒塌造成大量人员伤亡。传统村镇低层及多层房屋以粘土砖房屋为主，粘土砖禁用以后，亟需研发适于村镇低层及多层住宅的新型结构体系。提出了一种适于村镇低层及多层房屋的保温空腔模块单排配筋再生混凝土剪力墙结构体系，该结构体系的墙体由单排配筋再生混凝土剪力墙、带燕尾槽的模塑聚苯乙烯（EPS）保温空腔模块和面层砂浆组合而成，保温空腔模块的腔内燕尾槽与灌注于腔内的再生混凝土剪力墙咬合，保温空腔模块腔外燕尾槽与抹于面层的砂浆咬合。设计并制作了典型试件，进行了低周反复荷载试验，研究了抗震性能和承载力计算方法。方法：（1）结合工程实际，设计并制作典型试件。设计并制作了2个槽型截面保温模块单排配筋再生混凝土剪力墙原型试件，两个试件的剪跨比均为1.0，区别在于是否有EPS保温空腔模块及面层砂浆。带EPS保温空腔模块试件制作时，先将EPS模块进行企口拼接，形成130 mm厚空腔，然后在空腔内布置单排钢筋并浇筑再生混凝土，最后在EPS模块外抹20 mm防裂砂浆。再生混凝土的粗骨料全部为再生粗骨料，细骨料为天然砂。（2）采用试验研究和理论分析相结合的方法。首先进行低周反复荷载下抗震性能试验，研究破坏特征、承载力、位移与延性、刚度退化及耗能性能，分析应力应变变化规律，明晰损伤演化过程；在试验研究基础上，深化理论研究，揭示其抗震机理，建立承载力模型，提出承载力计算方法。结果：（1）从各试件破坏形态可知，由于本次试验各试件剪跨比较小，各试件均出现了沿对角线开裂的剪切破坏，EPS保温模块及其面层砂浆对延缓墙体开裂有一定作用。从墙体取芯样本可知，再生混凝土墙体、EPS保温模块、面层砂浆各界面未见明显滑移，可很好地共同工作。（2）从各试件滞回特性、承载力、位移、刚度及耗能对比可知，EPS保温模块及其面层砂浆对可显著提高墙体的承载力、变形和耗能能力，对延缓试件的刚度退化有一定作用。（3）从钢筋应变分析可知，相同位移角下同一钢筋应变测点处，带EPS保温模块和面层砂浆试件钢筋应变明显小于不带保温模块试件。结论：（1）EPS保温空腔模块单排配筋再生混凝土剪力墙与普通单排配筋再生混凝土剪力墙相比，承载力明显提高，刚度退化减慢，耗能能力大幅度提高；（2）提出的保温空腔模块单排配筋再生混凝土剪力墙承载力计算模型与公式，考虑了面层砂浆贡献，可用于该剪力墙结构体系组合墙体的抗震承载力计算；（3）保温空腔模块单排配筋再生混凝土剪力墙结构，具有抗震保温一体、施工简便易行的优势，可用于村镇低层及多层房屋抗震设计。

来源出版物：建筑结构学报, 2015, 36(1)： 51-58

入选年份：2015

两边连接屈曲约束钢板剪力墙受力机理与等效支撑模型

李国强，刘文洋，陆烨，等

摘要：目的：普通钢板墙和四边连接屈曲约束钢板墙的受力规律已经较为明确，但两边连接屈曲约束钢板墙的受力机理研究较少，且已有的钢板墙简化分析模型尚不能完全准确地模拟屈曲约束钢板墙的受力行为，有些模型仅适用于单调加载受力分析，有些模型仅在特定的高宽比范围内适用。本文利用理论分析和有限元方法对两边连接矩形屈曲约束钢板墙的受力机理和传力规律进行研究，提出两边连接屈曲约束钢板墙等效交叉支撑模型，实现框架-屈曲约束钢板墙结构在单调和往复荷载作用下准确的弹塑性分析，且不受高宽比等参数的限制。方法：利用有限元方法对不同宽度、高度和厚度的两边连接屈曲约束钢板墙进行受力分析，研究边缘约束区宽度与上述各参数的关系。借鉴美国和加拿大规范对于四边连接普通钢板墙竖向边缘构件的刚度规定，得到边缘约束区的宽度，并与有限元结果进行对比。利用有限元方法，对两边连接屈曲约束钢板墙进行建模分析，研究其中间剪切区和两侧边缘约束区的应力流分布规律。通过对边缘约束区进行受力分析，研究边缘约束区在中间剪切区发生剪切屈服时沿水平和竖直方向的塑性发展宽度和高度。利用有限元参数分析方法，通过对比框架-两边连接屈曲约束钢板墙与框架-等效支撑结构的承载力和刚度，研究不同偏心距的影响。结果：针对边缘约束区宽度的有限元参数分析结果表明：当钢板墙高宽比小于1.5时，无论是仅对屈曲约束钢板墙本身进行分析，还是将钢板墙放在框架结构中进行整体分析，以及无论是采用梁单元还是壳单元来模拟框架，钢板墙边缘约束区的宽度均接近于墙高的1/3，且与高宽比、厚度无关。根据美国和加拿大规范中对于四边连接钢板墙竖向边缘构件的刚度要求反推得到：在常用高宽比范围内，边缘约束区宽度也约为墙高的1/3。有限元结果同样表明：中间剪切区的主拉应力和主压应力方向与竖向均成45°，且主拉压应力相等，该区域呈纯剪状态；而边缘约束区主拉应力远小于主压应力或主压应力远小于主拉应力，主拉应力或主压应力方向与竖向夹角从16°逐渐过渡到40°左右，平均值为25°。根据上述特征，当钢板墙高宽比小于1.5时，两边连接屈曲约束钢板墙传给边缘构件（梁）的力可按中间剪切区和边缘构件区分别进行分析。中间剪切区处于纯剪状态，钢板墙在该范围内与梁只传递剪力，在设计该区域的连接时可按满足受剪承载力要求进行设计。两侧边缘约束区同时存在剪力和拉力（压力），但剪力相对较小，在设计该区域连接时，可按满足拉压承载力要求进行设计。当钢板墙高宽比大于等于1.5时，钢板墙以弯曲受力为主，不存在中间剪切区，因此在设计连接时按照满足拉压承载力要求进行设计。通过对边缘约束区的受力分析，由竖向力平衡方程得到：当中间剪切区发生剪切屈服时，边缘约束区端部屈服的区域沿水平方向向内发展宽度约为0.2倍墙高，沿竖直方向向内发展高度约为0.1倍墙高，有限元分析结果与此理论推导相符。通过有限元参数分析，考虑了等效支撑模型的支撑点取在墙边缘以及0.1倍墙高（钢板墙高宽比小于1.5时）处或者距钢板墙边缘六分之一墙宽处（钢板墙高宽比大于等于1.5时），分析结果表明：将支撑点取在墙边缘虽可较好地模拟屈曲约束钢板墙的承载力，但初始刚度的误差较大，而支撑点按照本文方法取在边缘约束区竖向合力点，则能很好地模拟屈曲约束钢板墙的刚度和承载力，无论是对于单层结构还是多层结构都具有较好的精度，尤其是在常用的层高范围内，误差均在10%以内。通过对其中3层结构模型的分析，结果表明：本文提出的等效支撑模型可以更好地模拟框架-两边连接屈曲约束钢板墙结构在往复荷载作用下的受力行为，同时对于框架的应力分布、变形形态和塑性铰位置，也与钢板墙模型一致。结论：（1）两边连接屈曲约束钢板墙在左右两侧宽度为1/3墙高范围内形成了边缘约束区，该区域对中间部分形成了有效约束，使得中间部分的受力类似于四边连接屈曲约束钢板墙，形成纯剪区。（2）当钢板墙高宽比小于1.5时，两边连接屈曲约束钢板墙的屈服区呈I形分布，I型区外伸端部高度约为墙高的1/10，与高宽比、厚度无关。（3）中间剪切区与梁之间只传递剪力，该区域的连接可按满足受剪承载力要求进行设计，并按内嵌钢板的抗剪强度来确定。两侧边缘约束区与梁之间主要传递竖向拉力或压力，该区域的连接可按满足拉压承载力要求进行设计，并按内嵌钢板的抗拉强度进行确定。（4）钢板墙高宽比小于1.5时，边缘约束区竖向力的合力点可取在距钢板墙边缘0.1倍墙高处；钢板墙高宽比大于等于1.5时，不存在中间剪切区，竖向力的合力点可取在距钢板墙边缘的墙宽六分之一处。（5）本文提出了支撑点取在边缘约束区竖向力合力点的等效支撑模型，分析结果表明：该等效支撑模型在刚度和承载力方面具有更好的准确性，无论是单调加载还是往复加载均能准确地模拟两边连接屈曲约束钢板墙结构的受力行为。

来源出版物：建筑结构学报, 2015, 36(4)： 33-41

入选年份：2015