新型防屈曲支撐鋼框架結(jié)構(gòu)抗地震倒塌分析與設(shè)計(jì)

對新型十字形、工字形非屈服段防屈曲的滯回性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析，結(jié)合研究結(jié)果和試件的破壞特征，提出了設(shè)計(jì)建議。認(rèn)為工字形截面無約束段可以解決十字形截面抗彎能力較弱、容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)的缺點(diǎn)。新型防屈曲支撐滯回性能穩(wěn)定飽滿，無粘結(jié)材料有效消除了拉壓承載力不平衡，支撐耗能能力強(qiáng)，最大延性和累計(jì)延性均滿足要求。兩層單跨防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)標(biāo)明其具有良好的抗震性能和抗倒塌性能。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服和破壞直至倒塌失效遵循著防屈曲支撐—梁—柱的順序，屬于支撐梁鉸破壞機(jī)制，防屈曲支撐起到了保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)安裝防屈曲支撐后，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、極限承載力和耗散能力可以顯著提高，并且具有良好的延性、穩(wěn)定的后期剛度和承載能力。我國現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在整體結(jié)構(gòu)的安全性考慮上有所缺失,也沒有考慮結(jié)構(gòu)受損后的連續(xù)倒塌失效模式，沒有提供相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目通過靜力Pushover分析和時(shí)程分析，得到了防屈曲支撐與鋼框架結(jié)構(gòu)的合理剛度和強(qiáng)度匹配原則，確定了防屈曲的最優(yōu)布置方式和布置原則，并獲得了結(jié)構(gòu)體系的塑性鉸形成機(jī)制與發(fā)展規(guī)律。并認(rèn)為在地震作用下，防屈曲支撐在鋼框架結(jié)構(gòu)中發(fā)揮耗能減振機(jī)理作用。研究了防屈曲支撐對實(shí)現(xiàn)鋼框架結(jié)構(gòu)整體協(xié)同受力及整體屈服機(jī)制，通過防屈曲支撐鋼框架與純鋼框架結(jié)構(gòu)的整體超強(qiáng)系數(shù)Rs與整體延性折減系數(shù)Rμ的對比，確定了防屈曲支撐提高鋼框架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、抗震承載能力、塑性變形能力（整體延性）和抗地震倒塌能力的作用。運(yùn)用Pushdown分析和IDA技術(shù)，研究了完整結(jié)構(gòu)以及防屈曲支撐和柱破壞后的損傷結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)向增量倒塌和豎向連續(xù)倒塌失效模式和性能點(diǎn)?；谌哂嘈韵禂?shù)RR明確了結(jié)構(gòu)局部損傷的發(fā)生對結(jié)構(gòu)抵抗倒塌能力的影響。確定了地震反應(yīng)修正系數(shù)R=RsRμRR，從而實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)整體承載力的抗地震連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法。采用能力譜法和動(dòng)力能力譜法確定結(jié)構(gòu)局部受損前后“性能點(diǎn)”對應(yīng)的地震反應(yīng)修正系數(shù)的需求值，從而基于“能力需求比”實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能評定與設(shè)計(jì)。研究成果為相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范修訂提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，并可推動(dòng)防屈曲支撐鋼框架結(jié)構(gòu)工程實(shí)際應(yīng)用。 2100433B

研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型防屈曲支撐，確定新型的截面組成方式和構(gòu)造措施，使其滿足構(gòu)造形式合理、加工制作簡便、性能優(yōu)良的要求，并對其抗震性能進(jìn)行深入的理論與試驗(yàn)研究。結(jié)合汶川地震的震害調(diào)查數(shù)據(jù)，運(yùn)用模態(tài)Pushover和Pushdown，IDA和豎向IDA等分析技術(shù)綜合考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)向增量倒塌失效模式和豎向連續(xù)倒塌失效模式。研究確定新型防屈曲支撐鋼框架抗地震倒塌最為合理的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件剛度匹配原則和支撐布置方式，并給出新型防屈曲支撐提高鋼框架結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力的定量化指標(biāo)。采用能力譜法和動(dòng)力能力譜法研究完整結(jié)構(gòu)基于整體位移設(shè)計(jì)表達(dá)式的抗側(cè)向增量倒塌設(shè)計(jì)方法，并研究損傷結(jié)構(gòu)基于整體承載力設(shè)計(jì)表達(dá)式的抗豎向連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法，給出提高結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的概念設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和抗震構(gòu)造措施建議，從而為汶川地震后的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范修訂提供理論依據(jù)和決策支持，并推動(dòng)工程實(shí)際應(yīng)用。

《新型空間結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)與施工》是由浙江大學(xué)和上海交通大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心長期從事空間結(jié)構(gòu)教學(xué)、科研和工程實(shí)踐的科技工作者，根據(jù)所取得的科技成果撰寫的一本專著?！缎滦涂臻g結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)與施工》分新型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、新型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、索桿張力結(jié)構(gòu)、和膜結(jié)構(gòu)四篇，論述了多種傳統(tǒng)和新型空間結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)與施工中的基礎(chǔ)理論和共性技術(shù)問題，結(jié)構(gòu)分析中包含計(jì)算方法、強(qiáng)度、抗震、抗風(fēng)、穩(wěn)定、軟件編制應(yīng)用和工程實(shí)例；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中包括一般設(shè)計(jì)原則、選型、桿件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)施工中包括施工方法、步驟和全過程分析。注重理論與應(yīng)用相結(jié)合，力求做到系統(tǒng)性、完整性、實(shí)用性和可讀性。在內(nèi)容上與我國相應(yīng)的國家規(guī)范和規(guī)程相一致，并吸取國內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)的最新科技成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。全書共分四篇三十七章，按空間結(jié)構(gòu)類型和形式順序編寫，第一篇共十四章，闡述傳統(tǒng)以及新型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；第二篇共十一章，介紹傳統(tǒng)以及新型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；第三篇共八章，介紹新型的索桿張力結(jié)構(gòu)；第四篇共四章，介紹膜結(jié)構(gòu)?！缎滦涂臻g結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)與施工》可供建筑空間結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)、科研、施工和管理人員使用，也可作為高等院校土建相關(guān)專業(yè)師生的教材和參考書。2100433B

防屈曲支撐是一種集抗側(cè)力與消能減震于一體的新型構(gòu)件，具有廣闊應(yīng)用前景。本課題將圍繞一組創(chuàng)新型裝配式組合防屈曲支撐，對其設(shè)計(jì)理論展開全面深入的研究。這種裝配式組合防屈曲支撐與一般防屈曲支撐的最大區(qū)別在于外圍約束構(gòu)件的組成及受力機(jī)理不同，前者由多個(gè)鋼制約束組件通過螺栓裝配而成，其構(gòu)造特點(diǎn)使得構(gòu)件加工與精度控制更簡便，利于現(xiàn)場組裝，而且震后修復(fù)拆裝也僅需更換內(nèi)核構(gòu)件，維護(hù)成本低。本研究將借助理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的手段，揭示這種裝配式組合防屈曲支撐的外圍約束機(jī)理與構(gòu)件破壞模式，確定不同類型支撐的約束比限值要求；由于螺栓連接對外圍約束構(gòu)件形成有效的捆綁作用是此類構(gòu)件正常工作的前提，因而將對連接捆綁作用的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行獨(dú)創(chuàng)性的研究。為配合與推廣這類新型支撐的工程應(yīng)用，本課題還將通過剖析防屈曲支撐與框架結(jié)構(gòu)間的相互作用關(guān)系，確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的取值，并輔以試驗(yàn)研究，建立防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

隨著鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)以及民用建筑中的應(yīng)用日益廣泛，在恐怖主義爆炸襲擊頻繁的今天，研究鋼結(jié)構(gòu)建筑，特別是重要建筑，在偶然荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及抗倒塌性能，具有重大意義。本項(xiàng)目主要針對鋼框架結(jié)構(gòu)在中柱失效工況下的魯棒性了研究。利用試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法，考察了無樓板以及帶樓板三維剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌性能，并分析兩大力學(xué)機(jī)制，即彎曲效應(yīng)以及懸鏈線效應(yīng)對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的貢獻(xiàn)；在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用能量法估算結(jié)構(gòu)體系在中柱突然失效后的動(dòng)力響應(yīng)。通過對比分析，揭示了樓板體系對鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能的影響，并分析了混凝土強(qiáng)度、樓板厚度以及配筋率等參數(shù)對鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能的影響。研究結(jié)果表明，剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性以及抗倒塌性能；樓板對與結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能以及結(jié)構(gòu)體系中抗倒塌力學(xué)機(jī)制的形成和發(fā)展都有著十分重要的影響；樓板體系可以提高結(jié)構(gòu)體系的承載力，但是結(jié)構(gòu)的延性有所降低；不帶樓板和帶樓板的試驗(yàn)?zāi)Ｐ途粫谥兄蝗皇Ш蟀l(fā)生連續(xù)性倒塌；美國國防部頒布的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范（UFC 4-023-03）所給出的計(jì)算動(dòng)力放大系數(shù)的方法不夠準(zhǔn)確也不夠保守。在以上研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了能夠提高鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能的加固方法，即梁柱節(jié)點(diǎn)附近鋼梁下翼緣加蓋板；利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的有效性并討論了該方法的經(jīng)濟(jì)性?？傊?，本研究對闡明鋼框架結(jié)構(gòu)在失效工況下的倒塌機(jī)理，從而進(jìn)一步發(fā)展鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌分析、設(shè)計(jì)與加固方法具有理論意義，指導(dǎo)作用和實(shí)用價(jià)值。 2100433B