強震下鋼板混凝土聯(lián)肢墻雙重抗震防線機制與性能控制

鋼板混凝土組合剪力墻軸向承載力高，適用于底部樓層軸壓大的高層建筑，但強震時易發(fā)生壓彎破壞，底部塑性鉸區(qū)的單一耗能機制導致局部墻體損傷集中，不利于災后修復加固。本項目提出鋼板混凝土聯(lián)肢組合剪力墻新型結(jié)構(gòu)體系，通過引入耦合機制，將地震引起的結(jié)構(gòu)損傷均勻分散到結(jié)構(gòu)全高，通過鋼連梁的塑性耗能能力，降低剪力墻的承載力和變形能力的需求?？紤]焊接和螺栓連接方式，設(shè)計并制作了五個連梁-組合墻肢連接節(jié)點的試件，通過試驗證明了該連接的可靠性；考慮了鋼板直接與鋼框架焊接以及鋼板間螺栓連接兩種構(gòu)造形式，分別設(shè)計、制作了1:4的縮尺試件進行了低周往復加載試驗研究。結(jié)果表明，提出的組合鋼板聯(lián)肢剪力墻能夠?qū)崿F(xiàn)先連梁后剪力墻的預定屈服耗能機制,且剪力墻屈服后,鋼連梁仍然具備足夠的塑性變形能力，通過鋼連梁的剪切變形和墻肢底部的塑性鉸變形來耗散能量，達到連梁-墻肢雙重抗震防線機制的目的。采用ABAQUS軟件建立數(shù)值分析模型，基于試驗實測數(shù)據(jù)，驗證了數(shù)值模型和分析方法的可靠性。為了彌補試驗數(shù)量的不足，利用已獲驗證的數(shù)值分析模型，考慮剪力墻軸壓比、截面配鋼率和鋼連梁彎剪比等進行了參數(shù)分析，結(jié)果表明:軸壓比對承載力、剛度和耗能能力影響不明顯,但延性卻先增加后減??；配鋼率提高對承載力和耗能能力提升作用明顯,但需避免發(fā)生脆性破壞；鋼連梁的剪切塑性變形的延性和耗能能力優(yōu)于彎曲塑性變形,鋼連梁的設(shè)計應符合“剪切弱于彎曲”要求,同時保證鋼連梁充分發(fā)揮剪切塑性變形能力。最后針對組合聯(lián)肢剪力墻的抗震設(shè)計方法，首先解決耦聯(lián)比這一參數(shù)在初設(shè)階段難以應用的困難，以連梁跨高比和墻肢高寬比為關(guān)鍵參數(shù)，遵循中心復合設(shè)計的CCF方案準則并嚴格按照中國現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計建立結(jié)構(gòu)模型，提出了鋼筋混凝土聯(lián)肢剪力墻的優(yōu)化設(shè)計方法。引入基于能量原理的塑性設(shè)計理論，提出了混合聯(lián)肢剪力墻和聯(lián)肢鋼板組合剪力墻的抗震設(shè)計方法，并通過數(shù)值分析手段，驗證了所提出設(shè)計方法的有效性與合理性。 2100433B

鋼板混凝土組合剪力墻軸向承載力高，適用于底部樓層軸壓大的超高層建筑，但強震時易發(fā)生壓彎破壞，且底部塑性鉸區(qū)的單一耗能機制導致局部墻體損傷集中，不利于災后修復加固。根據(jù)超高層建筑核心筒需要較大面積開洞的建筑形式，提出鋼板混凝土聯(lián)肢組合剪力墻新型結(jié)構(gòu)體系，利用其連梁-墻肢雙重抗震防線機制，強震下的承載力、側(cè)向剛度、耗能機制和災后可修復性等均優(yōu)于其單肢實體形式。采用內(nèi)藏鋼板或鋼骨的鋼-混凝土組合連梁，考慮焊接和端板螺栓連接兩種方式連接連梁和組合墻肢，驗證組合連梁及其與墻肢的連接作為第一道抗震防線的受力、變形與耗能能力。自主研發(fā)能反映連梁-墻肢整體受力和變形特征的試驗加載裝置，進一步考察鋼板混凝土組合墻肢作為第二道抗震防線性能的連梁-墻肢內(nèi)力傳遞機制、損傷分布、剛度與承載力退化以及耗能能力等。結(jié)合非線性有限元參數(shù)分析，提出合理量化雙重抗震防線機制為目標的鋼板混凝土聯(lián)肢墻的性能化抗震設(shè)計理論方法。

本項目針對高層建筑結(jié)構(gòu)地震災變的核心科學問題，系統(tǒng)地開展其在強震下的破壞倒塌機制與災變過程控制理論與方法研究。從材料、構(gòu)件、子結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)整體多個層次上研究強震下高層建筑結(jié)構(gòu)非線性反應建模理論和高效的計算分析方法，考慮多個強非線性因素的影響，實現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)由構(gòu)件損傷、局部破壞直至倒塌的動力災變過程模擬，建立強震下高層建筑構(gòu)件失效破壞準則及整體倒塌破壞準則，研究構(gòu)件損傷、局部破壞與整體倒塌的內(nèi)在聯(lián)系，揭示高層建筑結(jié)構(gòu)在強震下的破壞倒塌機制；深入研究高層建筑結(jié)構(gòu)的地震失效模式，發(fā)展高層建筑結(jié)構(gòu)失效模式優(yōu)化及采取減震控制措施的地震災變過程控制理論和方法，建立高層建筑結(jié)構(gòu)在強震下提高整體抗倒塌能力的控制措施，為提升高層建筑的抗震能力提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，本項目的研究具有重大的理論意義和工程應用價值。 2100433B

針對傳統(tǒng)剪力墻連梁抗剪能力不足、延性變形性能差且施工復雜等問題，利用鋼板良好的塑性變形能力和屈服后不同拉力場特性，替代抗剪鋼筋或交叉暗柱是提高連梁受力性能的一種有效措施。設(shè)計和改進內(nèi)嵌鋼板混凝土組合連梁的構(gòu)造措施，提出內(nèi)嵌雙鋼板混凝土組合連梁，并對其抗震性能和設(shè)計方法展開研究。采用試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬等手段，分析鋼板厚度、高厚比、栓釘布置等對組合連梁破壞機理和抗震性能的影響，提出連梁恢復力特性曲線，揭示鋼板屈曲后形成的不同拉力場分布和屈曲模態(tài)對連梁延性和耗能的影響機理。在參數(shù)分析基礎(chǔ)上，建立組合連梁受彎和受剪承載力計算公式和抗剪理論模型。研究組合連梁各性能水準下的位移角限值或其他性能指標限值。通過數(shù)值模擬和理論分析，研究不同構(gòu)造措施對節(jié)點破壞模式和抗震性能的影響，提出節(jié)點區(qū)鋼板錨固長度、栓釘或其他連接件設(shè)計計算方法。研究成果可為鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論及工程應用提供科學依據(jù)。