鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)三維彈塑性地震反應(yīng)分析

作為鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，鋼筋混凝土核心筒的性能直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的抗震性能。本項目通過理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬對其抗震性能和分析方法進行了研究。1）通過水平雙向荷載作用下大高寬比的混凝土核心筒擬靜力模型試驗，并與單向加載時的情況進行對比，明確其在多維地震作用下的抗震性能，包括破壞機理、耗能能力、延性、剛度退化過程、破壞機制、剪力滯后效應(yīng)等。兩種加載方式下核心筒的最后破壞形態(tài)基本相同，墻肢豎向鋼筋屈服后，根部混凝土被壓碎，均為整體彎曲破壞，，但雙向荷載作用下兩個方向的損傷相互影響導(dǎo)致了筒體最大承載力減小，變形能力降低，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著增大，并且由于剪力滯后的疊加效應(yīng)，加重了單向墻肢角部的剪力滯后效應(yīng)，導(dǎo)致水平雙向加載筒體根部墻肢轉(zhuǎn)角處混凝土破壞嚴重；2）在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬展開參數(shù)分析，揭示影響鋼筋混凝土核心筒在水平雙向荷載作用下抗震性能的重要參數(shù)及影響規(guī)律?？芍S著軸壓比的增加，筒體的破壞形態(tài)發(fā)生改變，由受拉鋼筋屈服控制的延性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變，筒體的最大承載力先增大后減小，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)減??；隨著高寬比的增加，筒體破壞形態(tài)由剪切破壞向彎曲破壞轉(zhuǎn)變，延性增加，整體彎曲作用更加明顯；隨著連梁跨高比的增大，連梁的破壞形態(tài)由剪切破壞向彎曲破壞轉(zhuǎn)變，筒體轉(zhuǎn)動能力提高，耗能能力增強；3）采用空間桁架理論，考慮核心筒的空間扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，以及筒體加載方式、洞口大小以及混凝土強度對其承載力的影響，得到壓彎剪扭復(fù)合作用下核心筒的承載力近似計算公式，并與試驗及文獻結(jié)果均符合較好。項目成果對于進一步認識這種新型結(jié)構(gòu)體系的性能、豐富高層建筑的抗震理論和方法，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值；并可為鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工及規(guī)范的制定提供參考。 2100433B

本項目擬針對鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的抗震性能和分析方法進行研究。通過理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬，明確核心筒在水平雙向荷載作用下的損傷破壞機理和抗震性能，得到能夠較好反映結(jié)構(gòu)受力和變形特性的恢復(fù)力模型；考慮核心筒的空間扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，建立核心筒三維多豎線非線性分析模型，進一步考慮外框架與核心筒協(xié)同工作，給出鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的三維彈塑性地震反應(yīng)分析方法，并在非線性反應(yīng)分析程序DRAIN-2D的基礎(chǔ)上，編制程序?qū)崿F(xiàn)；再通過彈塑性地震反應(yīng)的時程分析，進行影響結(jié)構(gòu)抗震性能的各種因素的參數(shù)研究，用以評價結(jié)構(gòu)性能，并給出混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計建議，確保在強震作用下體系存在二道抗震防線，保證結(jié)構(gòu)的后期性能。項目成果對于進一步認識這種新型結(jié)構(gòu)體系的性能、豐富高層建筑的抗震理論和方法，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值；并可為鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工及規(guī)范的制定提供參考。

“911”事件世貿(mào)大廈發(fā)生連續(xù)倒塌后，多高層建筑結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌研究已成為近期建筑結(jié)構(gòu)研究的熱點，但是現(xiàn)階段抗連續(xù)倒塌研究中，框架-樓板三維整體結(jié)構(gòu)體系研究成果有限，尤其是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，考慮三維整體效應(yīng)的抗連續(xù)倒塌力學(xué)性能與計算方法研究有待進一步深入。申請人擬以鋼框架-組合樓板結(jié)構(gòu)體系在中間柱失效后的三維整體效應(yīng)研究為切入點，以“試驗研究—有限元模擬及影響參數(shù)分析—理論計算模型探索”的研究方法為手段，探索一種位移控制均布荷載下抗連續(xù)倒塌的三維整體效應(yīng)試驗方法，并運用能量原理獲得考慮動力效應(yīng)的偽靜態(tài)三維結(jié)構(gòu)響應(yīng)，揭示三維整體效應(yīng)的力學(xué)性能和傳力路徑，闡明三維整體效應(yīng)中鋼框架懸鏈線效應(yīng)與組合樓板受拉薄膜效應(yīng)等傳力機制，提出一種考慮三維整體效應(yīng)的鋼框架-組合樓板結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌理論計算方法。項目研究成果可為提高我國多高層鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)建筑抗連續(xù)倒塌性能和編制相關(guān)設(shè)計規(guī)范提供理論依據(jù)。

帶暗支撐高阻尼混凝土核心筒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)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(guān)系、鋼筋ECC柱的最小體積配箍率取值、疊合柱的合理構(gòu)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(yīng)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(shè)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(shè)暗支撐、兩層設(shè)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(yīng)用ABAQUS軟件，建立了以實體單元為基礎(chǔ)的組合核心筒精細有限元分析方法，應(yīng)用OpenSees軟件，建立了以宏觀單元模型為基礎(chǔ)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(yīng)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(yīng)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(shè)計方法。 (7).將組合核心筒置于高層框筒結(jié)構(gòu)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