1. 强震灾变性破坏特征与超低周疲劳损伤力学及防灾减灾

1.1. 强震灾变破坏特性及抗震节点、连接件的力学性能

1.1.1 强震下建筑结构灾变破坏特性

图27   房屋墙体X型破裂      柱箍筋缺失导致节点区破坏

通过四川大地震后大量的震害调查，从力学分析的角度研究了地震对建筑物及工程的损伤特征和破坏力学行为。砖木结构建造年代久远、材料强度低、变形能力小、整体性差等缺点，因此在动荷载作用下容易发生破坏甚至倒塌。框架结构自重较轻、变形能力大、整体性能好等优点因此在这次地震中，框架结构房屋表现良好。框架柱是框架结构的重要组成部分，地震作用下框架结构的整体安全首先取决于柱，只要柱端不出现塑性铰，框架结构就不会出现整体坍塌。

1.1.2 新型3D板墙体抗震性能试验研究

针对国内生产的3D板基本由钢丝网架和水泥砂浆构成，只能作为非结构构件用于隔墙系统，应用范围有限，提出一种结构性能优良，施工快捷便利，造价合理，同时又能满足抗震、节能、防火、环保等要求的新型3D板抗震节能农居结构形式。通过对3片新型3D板进行低周反复加载试验，获得试件的破坏特征、承载力、荷载—位移滞回曲线、荷载—应变曲线等，以研究该类墙体的承载能力、变形性能和耗能能力。试验结果表明：新型3D板墙体结构受力性能良好，整体性较强，具有良好的延性性能和耗能能力。高宽比和墙端构造对墙体的抗震性能具有较大影响。高宽比较大时，地震作用时墙体更趋于发生弯曲破坏，结构延性好，耗能能力增强。墙端采取构造加强措施，可以有效提高墙体整体刚度、承载能力、延性和耗能能力，有利于结构抗震，但对延缓墙体裂缝出现作用不大。 

（1）试件最终破坏图

（2）试件滞回曲线图

图 28 试验结果

1.1.3 循环荷载作用下框架梁柱组合节点的滞回特性及损伤机理研究

基于现有试验数据和规范对框架梁柱组合节点进行系统研究。采用子结构以及多点约束模拟技术的三维非线性有限元模型能较好的模拟典型的滞回弯矩-转角曲线和结构薄弱局部的劣化发展趋势；数值模拟得出与加载历程对应的总体节点破坏模式与欧洲规范建议的预测结果拟合较好，包括：负弯矩作用下的延性破坏现象以及部分延性破坏现象，正向弯矩作用下混凝土板的部分延性破坏。低周疲劳损伤模型分析表明：能量耗散和延性的损伤参量可较好的用于节点的积累损伤分析，由此建立的损伤演化方程可较好的描述节点的破坏模式发展及滞回性能劣化过程。

图29 钢-混凝框架梁柱组合作用模拟及滞回特性

1.1.4 PBL剪力连接件及CFRP加固件的动态力学性能

结合工程背景，参照欧洲规范Eurocode4进行了PBL剪力连接件的静载和动载推出试验，分析了不同腹板厚度和开孔直径的PBL剪力连接件的荷载-粘结滑移关系、破坏机理和极限承载力。结果表明：不同腹板厚度和开孔直径的PBL剪力连接件有相似的粘结滑移趋势。在静载加载初期，试件承载力呈稳步增长，当达到极限荷载后，试件静载承载力出现明显下降，滑移量明显增大。而相对开孔小的试件表现出较好的延性。疲劳荷载作用下PBL剪力连接件的剪力幅值越小，滑移量越小，裂缝的发展越慢，疲劳寿命越长。针对汶川地震中大量存在的抗弯承载力和抗剪承载力不足的构件，还进行了抗弯和抗剪加固梁的静载和疲劳试验研究。

图30 裂缝发展与疲劳寿命关系

1.1.5  波形钢腹板组合箱梁的疲劳性能研究及寿命预测

在钢梁研究的基础上，根据试验和测试数据研究复杂应力条件下波形钢腹板组合箱梁的应力强度特征、疲劳损伤演化规律，与钢试件模型翼缘板疲劳损伤演化规律进行对比，研究了结构在损伤过程中的动荷载下损伤的机理，确定极有可能出现疲劳的薄弱位置。波纹钢腹板组合箱梁疲劳试验现象显示，裂缝首先出现于混凝土底板，工程实际中建议通过布置预应力筋施加预压应力提高混凝土的抗裂性，避免或减少底板混凝土裂缝的出现，而且支座、端部及箱梁中应间隔设横隔板，加强结构整体性和各部分共同作用。通过波纹钢腹板组合箱梁的疲劳数值分析发现，决定分析结果可靠性的关键因素是反映材料或构件疲劳性能的S-N曲线、ε-N曲线、循环应力-应变曲线等准确定义，提出的疲劳寿命预测方法可对焊接波形钢腹板钢梁的疲劳寿命下限值提供偏于安全并不太保守的寿命预测分析。

图31 典型的疲劳裂纹示意图

图32 焊接波形钢腹板梁试验数据与寿命预测曲线对比

1.2 建筑钢低周及超低周疲劳行为

采用轴向应变及横向应变控制方法，对Q235钢、低屈服点钢、HRB400III钢等建筑用钢的低周、超低周疲劳性能进行了研究，测定了试验钢低周、超低周疲劳过程中的循环应力响应特征、循环应力与应变、能量-寿命关系。研究表明，由低周疲劳数据拟合得到的公式，超低周疲劳实验值将会远远低于该公式的预测值，这种情况与一些文献的结论相一致。但对于低周及超低周疲劳的全部数据，Coffin-Manso公式则能较好的预测其疲劳寿命。建立了高强结构钢基于能量的低周疲劳寿命预测模型。断口扫描发现，这几种建筑用钢的低周、超低周疲劳裂纹均起源于试样表面，形成微孔洞和微裂纹，互相连接形成疲劳断裂。

（a）Q235钢                     （b）Q345钢

图33 试验材料的应变-寿命关系：(a)Q235钢；(b)Q345钢