帶暗支撐高阻尼混凝土組合核心筒結構體系的研究

帶暗支撐高阻尼混凝土核心筒結構是由內(nèi)置鋼板混凝土連梁、內(nèi)置X型鋼板暗支撐混凝土墻肢、強約束角柱與邊柱組合形成的一種新體系。本課題對該組合核心筒結構體系的抗震性能進行了試驗研究與理論分析，主要研究內(nèi)容和結果如下： (1).以本土水泥漿或砂漿為基體成功配制出ECC，在ECC中摻加聚合物得到高阻尼ECC。對各種配比的ECC進行了一系列材性試驗，通過9根大尺寸高阻尼ECC梁振動試驗，得到了高阻尼ECC的最優(yōu)聚灰比。 (2).完成了9根強約束柱抗震性能試驗，應用ABAQUS軟件建立了強約束柱（包括疊合柱）精細有限元分析模型，通過參數(shù)分析得到框架柱延性系數(shù)與配箍特征值的關系、鋼筋ECC柱的最小體積配箍率取值、疊合柱的合理構造方案。 (3).完成了8片帶暗支撐高阻尼剪力墻抗震性能試驗，完成了4片雙肢高阻尼剪力墻抗震性能試驗。應用ABAQUS軟件、MSC.MARC軟件建立了剪力墻精細有限元分析模型，通過數(shù)值模擬得到剪力墻塑性長度計算公式、墻肢和連梁含鋼率的合理取值、暗支撐的合理設置方案。 (4).完成了不同角柱型式（箍筋加密柱，型鋼疊合柱，鋼管混凝土疊合柱）、不同暗支撐布置形式（每層設暗支撐、兩層設暗支撐）、不同高寬比（1.33與1.78）、不同軸壓比（0.1與0.2）、不同加載方式（單向與斜向）共8個組合核心筒的抗震性能試驗。 (5).應用ABAQUS軟件，建立了以實體單元為基礎的組合核心筒精細有限元分析方法，應用OpenSees軟件，建立了以宏觀單元模型為基礎的組合核心筒實用有限元分析方法。完成了單向、斜向、偏心靜力荷載下組合核心筒的彈塑性分析及增量動力彈塑性分析（IDA），得到了各種工況下組合核心筒抗震性能指標及剪力滯后效應的變化規(guī)律，研究了軸壓比、高寬比、連梁跨高比、角柱型式、暗支撐布置形式等對組合核心筒彈塑性性能的影響。 (6).研究了位移反應譜、研究了組合核心筒性能指標限值，建立了基于位移的組合核心筒體系的抗震設計方法。 (7).將組合核心筒置于高層框筒結構中，通過擬靜力試驗、耐震時程法、基于能量平衡的 MPA 法，進一步論證了組合核心筒的優(yōu)越性。 2100433B

混凝土核心筒是高層混合結構的主要抗側力構件, 目前在工程中廣泛應用。研究表明：在墻肢和連梁中設置鋼筋暗支撐，可以提高核心筒的抗震能力，但鋼筋擁擠難以施工；在墻肢中內(nèi)置鋼桁架或鋼板，也可以提高核心筒的抗震能力，但太不經(jīng)濟難以推廣。為了改善混凝土核心筒的抗震能力，提出由內(nèi)置帶抗剪釘鋼板混凝土連梁、內(nèi)置焊接抗剪釘鋼斜撐混凝土墻肢與疊合柱角部組合形成一種高阻尼混凝土核心筒結構新體系。本項目擬從研究連梁、墻肢與疊合柱角部對核心筒整體抗震性能的影響入手，通過大量的試驗研究與計算機仿真分析，尋找使核心筒結構保持良好抗震性能的連梁、墻肢、疊合柱角部最優(yōu)組合設置方案，形成一種可以充分發(fā)揮核心筒空間結構特點，承載力與延性高、能耗散大量地震能量且具有多重防線特征的新體系。為了在工程中推廣應用該種結構體系，本項目進一步發(fā)展了適用于該體系的非線性分析精細與實用有限元方法，建立了適用于該體系的基于概率性能的設計方法。

混合暗支撐高阻尼剪力墻結構體系，是在混凝土中摻加一定比例的聚合物以增強混凝土的抗沖擊韌性與阻尼, 在墻肢中設置暗支撐以提高剪力墻的抗震承載能力、耗能與變形能力,在連梁中內(nèi)置帶抗剪釘鋼板以解決鋼筋暗支撐連梁的鋼筋擁擠難題。增強阻尼混凝土提高了剪力墻的開裂強度與耗能能力,墻肢中的暗支撐與連梁中內(nèi)置帶剪力釘鋼板構成的混合暗支撐起到了有效控制剪力墻合理破壞機制的作用。本課題對混合暗支撐高阻尼剪力墻結構體系的抗震性能進行了試驗研究與理論分析，主要內(nèi)容和結果如下：(1).完成了對50個不同配比、不同部位配置聚合物的砂漿試件的阻尼測試,得到了砂漿阻尼增強效果好且經(jīng)濟的聚灰比及局部添加聚合物的構件長度;完成了14組不同配比的增強阻尼混凝土的材性實驗，研究了聚灰比、乳液共混及不同纖維摻入對增強阻尼混凝土基本力學性能的影響,得到了阻尼增強效果較優(yōu)的摻料百分比;完成了9組共27個不同配比、不同部位配置聚合物的增強阻尼混凝土懸臂梁的阻尼測試，得到了高阻尼混凝土懸臂梁的阻尼比與變形的統(tǒng)計關系。(2).完成了3片帶暗支撐中高剪力墻的抗震性能試驗，得到的抗震性能指標與破壞機制均優(yōu)于普通混凝土剪力墻，同時評估了高阻尼剪力墻經(jīng)濟性指標與抗震耗能效果的關系。(3).完成了縮比為1/4的兩片不同連梁跨高比的帶鋼筋暗支撐的雙肢高阻尼剪力墻及兩片不同連梁跨高比的帶鋼板暗支撐的雙肢高阻尼剪力墻的抗震性能試驗，得出此剪力墻體系能有效提高抗震能力，而經(jīng)濟上也能被工程界所接受。(4).以試驗數(shù)據(jù)為校核基準，以ABAQUS分析軟件為平臺，提出了新的剪力墻宏觀單元模型，建立了混合暗支撐高阻尼剪力墻結構體系非線性有限元分析精確與實用分析方法; 提出了兩種精細積分方法、減縮精細積分方法，建立了混合暗支撐高阻尼剪力墻結構體系動力非線性精細計算方法并編寫了計算機程序。(5).發(fā)明了內(nèi)藏鋼板-鋼筋暗支撐高阻尼組合低剪力墻，并對其進行了抗震性能試驗與非線性數(shù)值模擬，總結了提高其耗能特性的參數(shù)取值范圍。(6).研究了位移反應譜，完成了混合暗支撐高阻尼剪力墻結構體系的非線性數(shù)值模擬與參數(shù)分析，歸納得到了不同剪跨比的剪力墻的恢復力模型，建立了基于位移的混合暗支撐高阻尼剪力墻結構體系的抗震設計方法。(7).提出了快速增量動力分析方法與結構破壞概率計算的離散格式，以此為基礎建立了基于概率性能的混合暗支撐高阻尼剪力墻結構體系的抗震設計方法。 2100433B

雙肢及多肢剪力墻是目前常用的剪力墻設計方案。研究表明：在墻肢和連梁中設置鋼筋暗支撐，可以提高剪力墻體系的抗震能力，但連梁中鋼筋擁擠難以施工；在剪力墻體系中內(nèi)置鋼桁架，也可以提高剪力墻體系的抗震能力，但太不經(jīng)濟；只在連梁中內(nèi)置鋼板，同樣可以提高剪力墻的抗震能力，但墻肢會出現(xiàn)不希望出現(xiàn)的開裂模式。為了改善鋼筋混凝土剪力墻的抗震能力，提出了在墻肢中設置暗支撐、在連梁中內(nèi)置鋼板、暗柱及墻肢底部為阻尼增強混凝土的雙肢及多肢剪力墻結構新體系。本項目擬從研究墻肢暗支撐與連梁內(nèi)置鋼板形成的混合暗支撐對剪力墻整體抗震性能影響入手，尋找使剪力墻結構體系保持良好抗震性能的混合暗支撐優(yōu)化設計方法；通過對增強阻尼混凝土柱、墻的抗震性能研究，建立將增強阻尼混凝土應用于剪力墻結構體系的經(jīng)濟且能有效減震的方案。由此形成的混合暗支撐高阻尼剪力墻體系的承載力與延性較高、能耗散大量的地震能量且具有符合多重防線特征的破壞機制。

鋼－混凝土組合結構體系能夠充分發(fā)揮鋼材與混凝土的性能，應用于超高層建筑結構具有顯著的經(jīng)濟技術效益和社會效益。目前，國內(nèi)外對組合構件已開展了大量的研究工作，但在結構體系層次上的研究還不成熟。本項目通過對超高層結構的優(yōu)化分析，提出組合筒體－組合框架結構、巨型組合框架結構、鋼－混凝土組合轉(zhuǎn)換層和組合加強層結構等新型結構體系。通過對這些新型結構體系及其關鍵部位的試驗，并結合數(shù)值計算和參數(shù)分析，將重點研究新型組合結構體系考慮滑移效應的空間計算理論，建立考慮二階效應的局部與整體穩(wěn)定分析理論，并提出系統(tǒng)的抗震設計理論。在總結上述研究成果的基礎上，將建立新型鋼－混凝土組合結構體系及其關鍵部位的設計方法，并提出相應的構造措施。項目的研究成果將有利于進一步提升我國超高層建筑結構的科技含量，對促進我國建筑行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展有所貢獻。 2100433B