钢结构（中英文）
2023年第12期专题介绍，题为“复合材料结构抗震性能及回弹能力提升研究”
特刊编辑
丁发兴
教授
博士生导师
中南大学建筑工程系副主任。获得教育部新世纪优秀人才支持计划、湖南省杰出青年基金资助。兼任中国建筑金属结构协会检测鉴定加固改建分会常委、中国建筑学会建筑结构分会理事、湖南省装配式建筑工程技术研究中心副主任。主持国家级、省级项目4项，参与各级项目10余项，发表科研论文200余篇，其中SCI论文及高水平中文论文100余篇。发表论文60余篇，出版专著2部钢结构网格墙，授权国家发明专利12项，取得软件著作权3项，参与编制行业标准2项、地方标准3项，主持行业协会科学技术一等奖2项，参与省科技进步一等奖2项（2/8）。原创《损伤比强度理论》被中央媒体科学网/中国日报网/人民网/光明网/人民论坛网及省级媒体新湖南客户端等报道，阅读量超百万次。应邀在“2022工程结构亚太学术论坛系列”——混凝土与岩石损伤比强度理论及应用做学术报告。
编者注
目前，我国第五代GB 18306-2015《中国地震动参数分区图》明确了基本、常遇、罕遇、极罕遇四个作用等级的地震动参数确定方法，完善了工程结构抗震设防标准，满足了国家新型城镇化建设的重大需求，在人口密集的城市地区和高烈度抗震设防区具有广泛的应用价值。由于钢管混凝土柱的间接约束和界面滑移特性，可以进一步挖掘其抗震性能，以增强强度高、抗震下重要工程结构的安全，或在保持性能不变的情况下节省材料。学者们通过模型试验、理论研究和关键技术研发，已将一系列成果成功应用于工程结构中。为此，《钢结构（中英文）》杂志社特邀请丁发兴教授担任主编，系统整理了两期（本期及2024年第1期）“组合结构抗震性能与韧性提升”专栏，介绍国内关于钢管混凝土柱、钢管混凝土柱-组合梁节点、组合框架、组合框架-筒体结构等方面的最新研究成果，探讨各种有效措施对抗震性能的影响，以促进组合结构技术的改进与提升。
概述
钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展
丁发兴1,2 徐云龙1 王丽萍1,2 吕飞1,2 段林丽1,2 于志武1,2
1.中南大学土木工程学院
2.湖南省装配式建筑工程技术研究中心
摘要：钢-混凝土组合结构具有抗弯刚度大、承载力高、延性好、施工便捷等优点，满足国家新型城镇化建设的重大需求，广泛应用于人口密集的城市地区和高烈度抗震设防地区。在提高工程结构抗震设防标准的背景下，研究钢-混凝土组合结构的抗震性能，进一步提高其抗震韧性，建立韧性更高的钢-混凝土组合结构的抗震设计方法，对推动建筑结构“双碳”战略目标的实现具有十分重要的意义。
因此，对钢-混凝土组合结构抗震性能的研究进展进行了综述，包括钢-混凝土组合梁、钢管混凝土柱、钢管混凝土柱-组合梁节点的滞回性能试验研究，以及钢-混凝土组合结构体系的滞回性能试验研究。通过拟静力、拟动力及振动台试验研究，对各种抗震分析模型与方法进行了讨论和比较，并提出了当前研究中存在的一些问题和需要进一步研究的方向。
综合现有研究成果，得出结论：1）组合梁主要依靠钢梁耗能，可采取增加钢梁截面尺寸等措施提高耗能能力。钢管混凝土柱主要依靠钢管和混凝土耗能，可采取配筋等约束措施提高耗能能力。约束措施直接约束混凝土，使其由脆性转变为塑性，从而提高框架柱的耗能能力。与其他类型的组合节点相比，刚接组合节点具有更好的耗能能力。2）罕遇地震下的框架结构以梁为主要耗能构件，若在超罕遇地震下仍以梁为主要耗能构件，工程造价将大幅增加。由于极罕遇地震发生的概率极低，若采取适当的加固约束措施，使柱也具备耗能能力并参与耗能，可在使结构具备抗极罕遇地震能力的同时，适当增加建设成本。此时组合结构的抗震设计理念可由罕遇地震时的“强柱弱梁、耗能梁”转变为极罕遇地震时的“以耗能为主”转变为“梁柱联合耗能”。3）基于平面截面假设的杆件纤维模型计算软件通常适用于弹性、弹塑性小变形阶段的分析，但当组合结构处于塑性大变形阶段时，结构杆件不再符合平面截面假设，组合结构体系的动力响应模拟需要克服弹塑性小变形阶段的假设。适用于大塑性变形阶段结构分析的混凝土三轴弹塑性本构模型及相应的体壳单元模型是有效的方法。4）剪力墙结构具有整体性好、侧向刚度大等优点，但在传统结构下抗震性能相对较弱，可通过提高连接梁、墙肢等吸能构件的耗能能力来加固结构，提高结构整体的耗能能力，如采用钢-混凝土组合连梁、钢-混凝土连梁或合理构造的钢板连梁，以及型钢混凝土或钢管混凝土墙肢等。5）工程结构在使用阶段面临多种灾害的考验，传统方法是根据不同的外荷载进行独立抗力设计，忽略了多灾害耦合作用的机理，结构综合抗灾性能难以满足使用要求。因此，建立安全可靠的抗多灾害方法。设计方法和结构体系是结构工程师在防灾减灾领域的主要课题。
关键词：钢-混凝土组合梁；钢管混凝土柱；钢-混凝土组合结构；抗震性能；试验研究
来源：丁发兴, 徐云龙, 王利平, 吕飞, 段林利, 余志武. 钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(12): 1-26。
DOI: 10.13206/j.gjgS23062902
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研究
多维地震作用下钢管混凝土柱-组合梁框架结构体系抗震性能分析
徐云龙1 丁发兴1,2 吕飞1,2 潘志成1 罗亮1 尹国安1 陈明1 于志武1,2
1.中南大学土木工程学院
2.湖南省装配式建筑工程技术研究中心
摘要：基于柱端配筋对钢管混凝土柱、钢管混凝土柱-组合梁节点及钢管混凝土柱-组合梁平面框架结构抗震性能影响的试验研究成果，建立了钢管混凝土柱-组合梁空间框架结构动力时变模型。采用基于过程分析的三维体壳单元模型，探究柱端配筋、主梁加高等加固约束措施、钢梁跨中减小腹高变截面组合梁及多维地震波作用对结构抗震性能的影响。研究了不同地震波强度下该类组合框架结构的位移响应、轴压比时程曲线、应力-应变曲线等抗震性能，以及结构塑性能量分配机制、塑性铰形成发展规律、结构刚度损伤演化规律指标。
有限元计算结果表明：1）柱端加固、主梁加高等加固约束措施可有效提高组合框架结构的抗震性能、减少结构刚度损伤，且地震波强度越大，效果越明显；当施加相同的地震波时，柱端加固的加固约束措施比主梁加高加固约束措施更有效，两种加固约束措施的综合作用可进一步提高组合结构的极限抗震能力。2）柱端加固的加固约束措施可减小墙体与混凝土之间的界面滑移，增强混凝土的耗能能力，降低钢管混凝土柱塑性耗能比例，增加钢梁塑性耗能比例，增加结构总的塑性耗能；此外，柱端配筋加强约束措施还可以减少组合框架柱端塑性铰数量、增加梁端塑性铰数量，延缓柱端“压铰”出现，延长“压铰”向“拉铰”转变的过程。3）减小钢梁跨中腹板高的变截面组合梁对框架结构的抗震性能基本没有影响，采用该变截面组合梁的框架模型，既能满足结构的基本功能要求，又能节省结构耗材、降低施工成本，进一步拓展了4）与单向地震波相比，多维地震波作用下组合框架结构的极限抗震能力大大降低，结构破坏模式由剪切破坏转变为剪扭破坏。此外，三维地震波中竖向加速度对组合框架结构柱端轴压比有放大作用，但对楼面最大位移、层间位移角、塑性耗能及刚度损伤影响不明显，柱端加固约束措施对组合框架结构抗震性能仍然有增强作用。
关键词：钢-混凝土组合结构；多维地震；强化约束；塑性耗能；刚度损伤
来源：徐云龙,丁发兴,吕飞,潘志成,罗亮,尹国安,陈明,余志武.多维地震作用下钢管混凝土柱-组合梁框架体系抗震性能分析[J].钢结构(中英文),2023,38(12):27-38。
DOI: 10.13204/j.gjgS23080501
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约束钢管混凝土框架-核心筒结构增强抗震性能
徐超1,2 李家福1,2 丁发兴3 尚志海1,2 严四凤1,2 辛丽娟1,2 徐云龙3
1.北京首都华宇建筑设计院有限公司
2.中冶京诚工程技术有限公司
3.中南大学土木工程学院
摘要：为充分发挥钢管混凝土框架-核心筒结构的承载和抗震潜力，提高重要工程结构在强震下的安全性，对钢管混凝土框架-核心筒结构体系采用柱端加固、“强连接梁”、“强墙肢”等加强约束措施，探究其对位移反应、塑性耗能、震后刚度损伤、第二道防线及破坏模式的影响。分析结果表明：
1）核心筒是结构的第一道防线，在结构塑性发展程度较小时，加强“强连梁、强墙肢”的约束措施对结构变形的改善效果较好；但当结构进入大塑性变形阶段时，加强柱端约束措施对底部配筋区域层间变形的改善效果也显著。
2）柱端加固约束措施对外框架第二道防线的抗震性能有显著影响，内加固施工技术提高了钢管混凝土柱的承载力钢结构网格墙，保证了在超强地震中框架柱不会发生严重的破坏，而将承受更大的地震倾覆矩和剪力，从而与内管协调抵抗地震作用，减缓内管的破坏和塑性变形，有效发挥第二道防线的抗震性能，防止结构整体倒塌。
3）柱端加固措施改善了“强筒弱架”的破坏模式，内部加固提高了钢管混凝土柱的耗能能力，有效限制了内管大塑性变形的发展，进一步扩大了核心筒墙肢的耗能范围，减小了墙肢及框架柱的塑性耗能分布更加合理，塑性发展更加均匀，形成了合理的双线防御破坏模式，最终减缓了结构整体刚度退化，提高了结构延性与抗震韧性。
关键词：钢管混凝土框架-核心筒结构；强化约束；超强地震；抗震性能
来源：许超,李家福,丁发兴,尚志海,闫思峰,辛丽娟,徐云龙.约束钢管混凝土框架-核心筒结构抗震性能增强[J].钢结构(中英文),2023,38(12):39-47。
DOI:10.13206/j.gjgS23081101
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复合周期钢结构随机地震波响应与控制
吴文忠
西安科技大学安全学院
摘要：本文基于固体物理中周期结构的基本理论，将其应用于结构隔震，研究地震动波在周期结构中的传播。
首先构建复合周期钢结构模型，以两个单元间的相位差为参数：假设钢结构至少包含两个方向周期单元，将这些单元胶合在一起，首先固定好第一个格子，按照胶合映射与方向复合的等距映射与第二个格子形成两格周期结构，且两个周期结构的方向间存在正的相位差，这两个格子向两端延伸，形成一维复合周期结构，且包含不少于2个方向周期结构。在一维复合周期结构中，每个格子按照胶合映射与方向复合的等距映射在平面和空间上延伸，形成二维的、大于两个的胶合映射与方向复合，胶合后形成周期结构间公共部分的映射，将地震运动波从第一个单元传播到第二个单元，再依次传播到整个复合周期钢结构。
接下来计算地震波在复合周期结构中的响应，影响参数有：波数、键映射数、周期结构尺度和相位差，假设响应为线性，我们先分别讨论各个参数的影响，最后将它们相加得到复合周期结构的总结构响应。
由于地震波是随机的，服从给定的随机微分方程，结构响应也是一组可能值。因此，我们首先讨论两个周期单元和一维情况的地震响应。首先，在第一层网格中输入给定的随机微分方程、初始条件和边界条件，应用集值随机过程和鞅理论进行计算，得到第一层网格的响应；然后根据第一层网格的相位差和三角函数性质，计算第二层网格的响应，一维结构中各层网格的响应。
最后对结构地震反应实施Markov控制，选取最佳相位角，实现一类多项式函数反应目标：根据周期单位反应的集值随机过程性质，将其表示为扩散过程，以及对应的Dirichlet-Poisson方程，然后构造Hamilton-Jacobi-Bellman（HJB）方程，求解最佳相位角，再代回Dirichlet-Poisson方程，再次求解即可得到控制结果。利用Monte Carlo模拟模拟给定的随机地震波，产生平稳分布，然后采样。采样序列分布服从平稳分布，计算采样序列与Markov控制的方差，然后比较随机地震波特征函数与Markov控制期望，可知Markov控制序列的波动性比采样序列的波动性要小，Markov控制也降低了地震反应的期望值。
实现了复合周期钢结构地震波响应的随机过程表示与Markov控制，为复合周期钢结构地震波响应随机预测提供参考。
关键词：自攻螺钉连接；预制；村镇住宅；轻钢框架结构
来源：吴文忠. 组合周期钢结构随机地震波响应与控制[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(12): 48-53。
DOI: 10.13206/j.gjgS23063004
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人字形支座不平衡力的放松条件
同根树
浙江大学高性能结构研究所
摘要：本文探讨了在横梁设计时取不平衡力较小值时人字形支撑架的性能及其后果，分析表明支撑架的性能取决于横梁所能承受的不平衡力。结合4个系列算例，给出了由框架和人字形支撑架组成的双重抗侧力结构按侧向承载力比1：1和1：3时的侧向力-侧向位移角曲线。人字形支撑架横梁可承受GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》规定的30%和100%的不平衡力。由于压支撑、拉支撑和框架在各自极限状态下的侧向位移角依次增大，因而压支撑先屈曲，后承载力下降。但框架的承载力是在不断发挥的，总侧向力是否下降取决于梁所能承受的不平衡力和框架与支座的承载力比。当框架的侧向承载力与支撑框架梁应承受的不平衡力之比不大于20%时，框架的侧向承载力与支撑框架梁应承受的不平衡力之比不大于20%。
关键词：二元结构体系；框架；人字形支撑；不平衡力
来源：童根树. 人字形支撑不平衡力的放松条件[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(12): 54-57。
DOI: 10.13206/j.gjgS23060620
钢结构热点分析
本期疑问：轻钢屋面活荷载可以取0.5kN/m2吗？
问题介绍：GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》（以下简称《荷载规范》）第5.3.1条“注：1对非人行屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用；对于不同类型的结构，应根据有关设计规范采用，但不应小于0.3kN/m2”。
也就是说，当其他规范规定屋盖荷载小于0.5kN/m2时，可以按照相关设计规范采用，只要不小于0.3kN/m2即可。《轻钢结构技术规范》（以下简称《规范》）规定，水平投影面积大于60m2的钢框架构件，屋盖竖向均布活荷载标准值可不小于0.3kN/m2。《河南规范》GB 55001-2021《工程结构通用规范》（以下简称《通用规范》）第4.2.8条取消了该条规定，轻钢屋盖活荷载还能取0.3kN/m2吗？
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