建筑科学与技术

方小丹，魏琏，周靖

建筑科学与技术

长周期结构地震反应的特点与反应谱

方小丹，魏琏，周靖

目的：随着超高层复杂建筑的快速发展，长周期结构的抗震和减震设计面临很大挑战，备受国内外工程和学术界的关注。本文探讨长周期结构地震反应的特点，分析我国《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）中反应谱长周期段存在的主要缺陷，并提出符合长周期结构地震反应统计规律且物理意义明确的反应谱改进建议。方法：采用理论解析方法分析长周期结构地震反应的特点及其可能的安全隐范。基于《抗规》加速度谱长周期段对应的功率谱和位移谱以及不同阻尼比反应谱的走向特点论证《抗规》反应谱长周期段衰减规律设置标准的合理性。基于工程实例解析《抗规》楼层最小剪力系数规定的必要性及其抗震设计应用方法上的合理性。依据工程设计经验，提出改进设计谱表达函数及其衰减指数，并通过功率谱解析建议设计谱的合理可行性。结果：对反应谱进行人为的改变，会导地震动特性的失真，《抗规》反应谱长周期段由于人为的调整，改变了地震动的统计特性，导致加速度反应谱对应的功率谱和位移谱在长周期段异常，也导致长周期结构在地震作用下的计算位移偏大；不同阻尼比反应谱交汇后分叉，阻尼比较大的地震影响系数曲线衰减速度明显低于阻尼比较小的地震影响系数曲线的衰减，也不符合工程中不同阻尼比结构的震动衰减规律。《抗规》所规定的楼层最小地震剪力系数仅与地震影响系数的最大值相关，与场地类别无关，有悖于软土场地上结构地震反应大于硬土场地上地震反应的一般规律，可能导致Ⅰ、Ⅱ类场地的长周期结构比Ⅲ、Ⅳ类场地更难满足最小地震剪力要求；畸形、不合理的结构体系可能满足最小剪重比的要求，而规则、合理的结构却有可能不满足的情况。由加速度谱Sa、拟速度谱Sv和位移谱Sd之间的拟谱关系，给出了具有较长周期段（T延长至约10 s）的反应谱建议，改进的建议反应谱形式简单且能体现地震动的真实特性。结论：反应谱的形式应满足加速度谱、速度谱、位移谱之间的内在关系，《抗规》反应谱第一下降段可简单地按T－1的规律下降，第二下降段按T－2的规律下降，并延长至10 s。加速度反应谱平台段（αmax）应与场地类别相关，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类场地的动力系数最大值βmax可分别取为2.0、2.25、2.5和2.75，并适当延长大震级地震影响所及的Ⅲ、Ⅳ场地的特征周期。《抗规》给定的楼层最小剪力系数与设计反应谱无关，不应以加大结构刚度来满足人为设定的最小剪力系数，可直接使结构承担必要的最小地震剪力来保证结构的抗震安全性。工程算例表明，依据建议反应谱并由拟谱关系得到的相对位移谱，进行结构的位移验算是可行的。

来源出版物：建筑结构学报,2014,35(3):16-23

入选年份：2014

高强度钢材箱形柱滞回性能试验研究

施刚，邓椿森，班慧勇，等

摘要：目的：我国是一个地震灾害多发国家，高强度钢材要广泛应用于钢结构，必须充分研究其抗震性能，以保证人民生命财产安全。但是，目前国内外针对高强度钢材钢结构抗震性能的研究还较少；各国抗震设计规范对钢柱板件宽厚比限值的规定，都是基于对普通强度钢材的研究，其限值是否适用于高强度钢材钢柱，尚缺乏必要的理论和试验依据。高强度钢材与普通强度钢材相比，其力学性能指标包括强度、屈强比、强化模量、屈服平台长度等有很大不同，这对钢柱的抗震性能会有较大影响。目前国内外对普通强度钢材钢柱进行了较多的抗震试验研究，但是对高强度钢材钢柱抗震性能的试验研究还很少。本文进行了5个Q460钢材等边箱形截面足尺压弯试件在常轴力、水平循环荷载作用下的试验，以研究其抗震性能。方法：试验的试件取为一端刚接、另一端为可水平移动的铰接的悬臂柱；先施加轴向压力并保持恒定，然后在悬臂端施加水平往复荷载，以模拟地震荷载。所有试件均为等边箱形截面，部分试件的板件宽厚比满足规范限值，部分试件的则超限；试件轴压比包括0.2和0.4。试验采用2000 t电液伺服加载系统。柱端布置位移计，以测量柱端水平位移和柱底转角；此外，柱端布置应变片，以测量其在加载全过程中的应变发展。根据《建筑抗震实验方法规程》（JGJ101—96），采用荷载-位移双控制的方法，在试验过程中保持柱顶轴向力的大小不变，屈服前水平加载采用力控制，屈服后采用位移控制。结果：试件破坏过程均为翼缘首先出现局部屈曲，然后腹板局部屈曲，承载力下降至破坏。破坏形态均为翼缘呈半波形状向内凹，腹板呈半波形鼓曲，所不同的是各试件翼缘和腹板屈曲变形最大点与加劲板上表面的距离以及屈曲变形范围不同。所有试件在加载过程中，均没有发生焊缝开裂。随着宽厚比的增大，试件局部屈曲也出现得越早，最大承载力出现的位移级越小，达到破坏时的位移级也越小。所有试件的滞回曲线均呈梭形，没有明显的捏拢现象出现。滞回曲线的饱满程度随着板件宽厚比的增大而逐渐降低。结论：Q460高强度钢材箱形柱在水平往复荷载下，试件的塑性变形和板件屈曲发展充分，滞回曲线饱满，具有很好的变形能力、耗能能力和抗震性能，适用于抗震钢框架。所有试件本身及其柱脚节点在循环荷载下均未发生焊缝开裂，表明设计合理和加工制作质量合格的 Q460高强度钢材焊缝连接具有足够的承载力和抗震性能。在同一加载制度下，板件宽厚比越大，试件局部屈曲也出现得越早，最大承载力出现的位移级越小，达到破坏时的位移级也越小。随着宽厚比的增大，试件发生局部屈曲的范围及屈曲中心位置相对于试件截面高度的比值依次减小，即板件宽厚比越大，板件发生局部屈曲范围越小，最大屈曲位置距离端部越近，文中试件最大屈曲位置距固定端高度为0.25 B～0.5 B，塑性区范围距离固定端高度为0.72 B～1.06 B。建议在轴压比不大于0.2时，Q460钢材箱形截面压弯构件板件宽厚比限值不应大于30（换算 Q235钢材宽厚比为 42）。同时，轴压比对钢柱的抗震性能有较大影响，钢框架柱在进行抗震设计时，其板件宽厚比限值应与轴压比相联系，轴压比越大，板件宽厚比限值应越小。

来源出版物：建筑结构学报,2012,33(3): 42742

入选年份：2015

大跨楼盖结构减振设计与分析

李爱群，陈鑫，张志强

摘要：目的：在追求大空间的公共建筑中，楼盖通常具有大跨度、轻质量、低阻尼的特点。这导致了在人行荷载作用下，楼盖加速度响应往往无法满足人体舒适度的要求。本文通过研究考虑楼盖振动舒适度的调谐质量阻尼减振技术，有效抑制大跨楼盖的竖向振动，并通过 4个工程实例的研究完善大跨楼盖减振设计方法，为该项技术的应用提供参考。方法：首先，在调谐质量阻尼器（tuned mass damper，TMD）中用可调弹簧替代普通弹簧，设计了一种新型可调节刚度调谐质量阻尼器。随后，分析了起立、步行、跳跃和奔跑等四种人体活动的特点，建立了由这些活动而引起的动力荷载的模拟方法，并利用Matlab编制程序实现。结合结构整体精细有限元模型，建立了大跨楼盖振动舒适度的时域分析和评价方法。分析总结了大跨楼盖结构采用多重调谐质量阻尼器（multiple tuned mass dampers，MTMD）的减振机理，提出了考虑人体舒适度的大跨楼盖 MTMD减振实用设计方法。最后，在北京太平桥大街天桥、北京奥林匹克公园国家会议中心、长沙新火车站、西安火车站北站等 4个大跨结构中开展了人致动力荷载作用下MTMD减振的设计与实践，并通过部分工程的现场实测研究验证了所提出的新型TMD和减振设计方法的有效性。结果：从4个实际工程的数值模拟和现场实测的研究可知：（1）针对主跨42 m的北京太平大街天桥，每个天桥布置6套TMD减振装置；分析表明，结构在不同频率荷载下的动力响应均有不同程度的减小，其中激励主频率为2.5 Hz时跨中位移衰减达70%；经济性分析表明，采用TMD技术可比增加截面的方法节约钢材约40 t，降低了综合造价。（2）针对北京奥林匹克国家会议中心内60 m×81 m跨度的组合楼盖，共布置72套TMD减振装置；分析表明，在快走和跳动荷载作用下，加速度响应衰减分别达 49.1%和 46.7%；开展的现场实测研究表明，无论是动力特性还是动力响应，实测和理论结果基本一致，在测试工况下，安装 MTMD后楼盖加速度响应衰减最大达55%。（3）针对长沙新火车站进站平台49 m跨楼盖，布置56套TMD减振装置；分析表明，在快走和跳动荷载作用下，加速度响应衰减分别达70%和50%；各种工况下，附加MTDM的楼盖加速度峰值最大仅为0.13m/s2，满足人体舒适度的要求。（4）针对西安火车北站南站房进站平台43 m跨楼盖，布置88套减振装置；分析表明，对于峰值加速度较大的工况，响应衰减平均在50%以上，对于峰值加速度较小的工况，响应衰减平均仅有15%；减振后，各种工况下，楼盖最大加速度峰值为0.13m/s2左右，满足人体舒适度要求。结论：现代公共建筑的大跨度楼盖具有结构柔、基频低等特点，极易在人行荷载作用下产生较大的竖向振动。理论和实测结果表明，本文提出的新型TMD和减振设计方法，能够应用于大跨楼盖结构的人致振动控制设计，并可有效衰减楼盖的竖向加速度响应。研究工作可为类似的大跨楼盖的振动舒适度分析和控制系统设计提供参考和借鉴。

来源出版物：建筑结构学报,2010,31(6):160-170

入选年份：2015

Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性能研究

班慧勇，施刚，石永久，等

摘要：目的：屈服强度标准值在460 MPa及其以上同时具有良好延性、塑性和加工性能等的高强度结构钢已在国外实际工程中得到应用，并取得了良好的经济效益；国内多个工程也成功采用了国产 Q460高强度钢材。然而目前国内针对国产高强度钢材钢结构，特别是轴心受压钢柱稳定性能的试验研究还很少，工程设计仍沿用现行钢结构设计规范，但是其相关设计方法和计算公式主要基于普通强度钢材钢结构。已有研究表明，高强度钢材轴心受压构件的整体稳定性能对初始缺陷的敏感性降低，因此，现有的受压钢柱整体稳定设计方法能否适用高强钢柱，还需进行全面的试验研究和数值分析，以保证结构的安全性，充分发挥高强度结构钢的优势。本文主要对国产 Q460高强度钢材焊接箱形截面柱的整体稳定性能进行试验研究和有限元分析，并提出建议设计方法。方法：试验设计了5个国产Q460高强度钢材焊接箱形截面受压柱，所用的钢板为国产Q460C低合金高强度结构钢，每种厚度（包括10mm、12mm和14mm3种）钢板各准备了3个标准材性试件并通过静力拉伸试验获取了材料的基本力学性能。箱形截面试件采用单坡口全熔透对接焊缝，并通过了焊接工艺评定，对每种试件截面的焊接残余应力采用分割法进行了测量，并对每个试件的几何初弯曲采用光学测量设备进行了测量。试验采用500 t液压式长柱压力试验机进行竖向加载，试件两端各布置一个圆柱铰以期实现柱端单向铰接。柱中和柱端均布置了位移计和应变片，以测量柱中横向变形、柱端转角、试件轴向变形以及关键截面的应变分布。通过建立经试验验证的数值模型，进行了大量参数分析。结果：由于试件具有一定的几何初始缺陷（包括几何初弯曲和端部荷载偏心），所有试件均因发生极值点失稳而破坏，且对于长细比大的试件，其失稳时弹性变形越大，卸载后不可恢复的塑性变形越小。试验结果表明，试验采用的圆柱铰并不是理想的单面铰，可采用转动弹簧支座以模拟受压柱的边界条件。试件整体稳定承载力的试验结果与规范柱子曲线进行对比可以看出，尽管绝大部分试件的几何初始缺陷数值e明显大于柱几何长度L的1‰，但试件B1-460～B4-460的整体稳定系数φt仍高于 c类柱子曲线，仅试件 B5-460的试验值因初始缺陷较大以及有效计算长度计算误差要低于设计曲线。建立的数值模型及两种考虑几何初始缺陷的方法均可以准确模拟试验研究的国产 Q460高强度钢材焊接箱形截面轴压杆的整体稳定承载力，建立的有限元分析模型可用于进一步的参数分析。结论：国产 Q460高强度钢材焊接箱形截面轴压试件的破坏模态均为整体弯曲失稳形态，大部分试件稳定承载力高于规范设计值。建立的有限元分析模型能够考虑几何初始缺陷及截面残余应力，能够准确预测国产 Q460高强钢焊接箱形截面轴压柱的整体稳定承载力。有限元模型分析得到的整体稳定系数明显高于我国规范对应的设计曲线，表明Q460高强度钢材焊接截面柱的整体稳定系数较普通钢材钢柱有明显提高。此类国产高强钢柱的整体稳定可以统一采用我国或欧洲规范的b类曲线进行设计，而不需要按板件宽厚比进行分类。美国规范的设计公式过高估计了此类钢柱的稳定承载力，不够安全。

来源出版物：建筑结构学报,2013,34(1):22-29

入选年份：2015