異形截面多腔鋼管混凝土巨型分叉柱抗震機(jī)理研究

依托北京“中國尊”（Z15）超高層建筑，針對異形截面多腔體鋼管混凝土巨型分叉柱框架抗震設(shè)計關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，較系統(tǒng)地進(jìn)行了不同參數(shù)的底部超大異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱、巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)的低周反復(fù)荷載試驗，研究了不同構(gòu)造型式、不同水平力作用方向、不同軸力作用方向?qū)ζ淇拐鹦阅艿挠绊懀辉谠囼灮A(chǔ)上，進(jìn)行了理論分析及數(shù)值模擬，分析了其承載力和剛度退化過程、延性、滯回特性、耗能及損傷演化過程，揭示了其抗震機(jī)理；結(jié)合北京“中國尊”大廈異形截面多腔鋼管混凝土巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)工程設(shè)計，兼顧類似工程共性需求，建立抗震分析模型，給出了實用抗震設(shè)計方法和構(gòu)造措施并已應(yīng)用于工程。試驗及分析表明，“底部超大異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱-巨型分叉節(jié)點(diǎn)-上部巨型分叉柱”構(gòu)成的巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能；工程應(yīng)用表明，這種異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱性價比較好，施工方便，具有良好的應(yīng)用前景。 2100433B

以北京Z15大廈為重大工程依托，針對超高層建筑異形截面多腔鋼管混凝土巨型分叉柱框架抗震設(shè)計關(guān)鍵科學(xué)問題，即“底部超大異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱-巨型分叉節(jié)點(diǎn)-上部巨型分叉柱”構(gòu)成的巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)抗震性能與設(shè)計方法問題：較系統(tǒng)地進(jìn)行底部超大異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱、巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)的低周反復(fù)荷載試驗，研究其在不同構(gòu)造型式、不同水平力作用方向、不同軸力作用方向下的抗震性能；采用試驗研究、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析其承載力和剛度退化過程、延性、滯回特性、耗能及損傷演化過程，揭示抗震機(jī)理；結(jié)合Z15大廈異形截面多腔鋼管混凝土巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)工程設(shè)計，兼顧類似工程共性需求，建立單元本構(gòu)關(guān)系和數(shù)值分析模型，提出承載力計算模型和恢復(fù)力模型，給出實用抗震設(shè)計方法和構(gòu)造措施；發(fā)展巨型分叉柱抗震理論與技術(shù)，為工程應(yīng)用提供支撐。

針對超高層建筑異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計關(guān)鍵問題，發(fā)展鋼-混凝土組合巨型柱的截面型式與構(gòu)造，研發(fā)新型多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱及其巨型框架結(jié)構(gòu)。以重大工程為依托，較系統(tǒng)地進(jìn)行兩種異形截面多腔鋼管混凝土柱、一種巨型斜撐及典型巨型框架子結(jié)構(gòu)的抗震性能試驗研究與數(shù)值模擬，分析其結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力、剛度、延性、抗震耗能及損傷破壞演化過程，研究其屈服機(jī)制，揭示其抗震機(jī)理?；诰扌涂蚣芙Y(jié)構(gòu)及構(gòu)件的試驗與理論研究，建立多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱的恢復(fù)力模型和承載力計算模型。結(jié)合超高層建筑工程實際，引入相關(guān)研究成果，進(jìn)行有限元建模，計算分析巨型框架-核心筒-伸臂桁架結(jié)構(gòu)整體的地震反應(yīng)，研究不同設(shè)計參數(shù)的巨型框架對巨型結(jié)構(gòu)整體抗地震倒塌能力的貢獻(xiàn)，給出巨型框架合理屈服機(jī)制及其構(gòu)件設(shè)計參數(shù)的確定方法。提出多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法與構(gòu)造措施，為工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

超高層巨型框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計面臨著諸多新的技術(shù)問題，超大型復(fù)雜截面巨型柱及大型復(fù)雜空間巨型節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)，給巨型框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。重大工程亟需建造亟需研發(fā)新型構(gòu)造的高性能巨型柱框架結(jié)構(gòu)抗震體系。本項目貢獻(xiàn)概要： 較系統(tǒng)完成了32多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱模型試件低周反復(fù)荷載試驗、12個多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱模型試件受壓性能試驗、16個巨型撐軸向往復(fù)拉壓性能試驗、2個多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架子結(jié)構(gòu)的低周反復(fù)荷載試驗。研究了不同設(shè)計參數(shù)的多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱、巨型支撐及其巨型框架結(jié)構(gòu)的損傷過程和破壞機(jī)制，揭示了抗震機(jī)理，建立了其抗震分析的力學(xué)模型和理論公式，給出了其抗震設(shè)計方法與構(gòu)造措施。 創(chuàng)新了獨(dú)特構(gòu)造的多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架，形成了高效抗震體系。將創(chuàng)新的高性能超大復(fù)雜截面多腔體鋼管混凝土巨型柱、高性能復(fù)雜巨型節(jié)點(diǎn)、巨型梁、巨型撐有效地連接在一起，形成了高效巨型框架-支撐抗震體系，具有多道抗震防線。獲得了較系統(tǒng)的多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)及構(gòu)件受力性能試驗成果?；谠囼炑芯俊⒗碚摲治?、數(shù)值模擬和設(shè)計方法研究，形成了多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵抗震理論與技術(shù)。 研發(fā)的多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)抗震體系，突破了超大型復(fù)雜截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)，抗震性能好，性價比合理，為解決超高層巨型框架抗震難題提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，具有重要科學(xué)意義和工程價值。研究成果在多項大型工程中成功應(yīng)用，效果良好。 2100433B

目前鋼管混凝土異形柱中的異形鋼管大多是由鋼板彎折后焊接而成，焊接和彎折量大，加工費(fèi)用高，嚴(yán)重影響了該種構(gòu)件的推廣使用。本項目對一種新型鋼管混凝土異形柱——多室式鋼管混凝土組合異形柱進(jìn)行了研究，它是先由三根矩形鋼管型材焊接形成多室式異形鋼管，再向其中澆注混凝土而成。由于該異形柱截面被鋼管分成三個分室，且制作時用矩形鋼管型材直接焊接，不需進(jìn)行鋼板彎折，焊縫數(shù)量少且受力小，因此它具有受力合理、制作簡單、經(jīng)濟(jì)性好、承受荷載范圍大的優(yōu)點(diǎn)。因此對該種構(gòu)件在各種受力情況下的力學(xué)性能進(jìn)行研究具有理論和工程價值。經(jīng)過四年的研究工作，本項目完成了預(yù)定的計劃和實現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)。進(jìn)行了多方面的研究工作，并發(fā)表了多篇中、英文學(xué)術(shù)論文。本項目通過大量試驗、數(shù)值模擬和回歸分析對這種新型異形構(gòu)件進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容包括T形截面和L形截面鋼管混凝土組合構(gòu)件軸壓短柱、軸壓長柱、純彎性能、單向和雙向偏壓性能、T形截面壓彎構(gòu)件滯回性能及節(jié)點(diǎn)形式的選擇。本研究可促進(jìn)鋼管混凝土異形柱在住宅中的應(yīng)用，也可為其它復(fù)雜截面形式的鋼管混凝土柱的研究提供思路。 2100433B