多腔钢管混凝土异形截面巨型柱框架结构抗震机理研究

超高层巨型框架结构抗震设计面临着诸多新的技术问题，超大型复杂截面巨型柱及大型复杂空间巨型节点的出现，给巨型框架结构抗震设计带来了巨大挑战。重大工程亟需建造亟需研发新型构造的高性能巨型柱框架结构抗震体系。本项目贡献概要： 较系统完成了32多腔钢管混凝土异形截面巨型柱模型试件低周反复荷载试验、12个多腔钢管混凝土异形截面巨型柱模型试件受压性能试验、16个巨型撑轴向往复拉压性能试验、2个多腔钢管混凝土异形截面巨型柱框架子结构的低周反复荷载试验。研究了不同设计参数的多腔钢管混凝土异形截面巨型柱、巨型支撑及其巨型框架结构的损伤过程和破坏机制，揭示了抗震机理，建立了其抗震分析的力学模型和理论公式，给出了其抗震设计方法与构造措施。 创新了独特构造的多腔钢管混凝土异形截面巨型柱框架，形成了高效抗震体系。将创新的高性能超大复杂截面多腔体钢管混凝土巨型柱、高性能复杂巨型节点、巨型梁、巨型撑有效地连接在一起，形成了高效巨型框架-支撑抗震体系，具有多道抗震防线。获得了较系统的多腔钢管混凝土异形截面巨型柱框架结构及构件受力性能试验成果。基于试验研究、理论分析、数值模拟和设计方法研究，形成了多腔钢管混凝土异形截面巨型柱框架结构关键抗震理论与技术。 研发的多腔钢管混凝土异形截面巨型柱框架结构抗震体系，突破了超大型复杂截面巨型柱框架结构抗震设计的巨大技术挑战，抗震性能好，性价比合理，为解决超高层巨型框架抗震难题提供了关键技术支撑，具有重要科学意义和工程价值。研究成果在多项大型工程中成功应用，效果良好。 2100433B

针对超高层建筑异形截面巨型柱框架结构抗震设计关键问题，发展钢-混凝土组合巨型柱的截面型式与构造，研发新型多腔钢管混凝土异形截面巨型柱及其巨型框架结构。以重大工程为依托，较系统地进行两种异形截面多腔钢管混凝土柱、一种巨型斜撑及典型巨型框架子结构的抗震性能试验研究与数值模拟，分析其结构及构件的承载力、刚度、延性、抗震耗能及损伤破坏演化过程，研究其屈服机制，揭示其抗震机理。基于巨型框架结构及构件的试验与理论研究，建立多腔钢管混凝土异形截面巨型柱的恢复力模型和承载力计算模型。结合超高层建筑工程实际，引入相关研究成果，进行有限元建模，计算分析巨型框架-核心筒-伸臂桁架结构整体的地震反应，研究不同设计参数的巨型框架对巨型结构整体抗地震倒塌能力的贡献，给出巨型框架合理屈服机制及其构件设计参数的确定方法。提出多腔钢管混凝土异形截面巨型柱框架结构的抗震设计方法与构造措施，为工程应用奠定基础。

以北京Z15大厦为重大工程依托，针对超高层建筑异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱框架抗震设计关键科学问题，即“底部超大异形截面多腔钢管混凝土巨型柱-巨型分叉节点-上部巨型分叉柱”构成的巨型分叉柱子结构抗震性能与设计方法问题：较系统地进行底部超大异形截面多腔钢管混凝土巨型柱、巨型分叉柱子结构的低周反复荷载试验，研究其在不同构造型式、不同水平力作用方向、不同轴力作用方向下的抗震性能；采用试验研究、理论分析、数值模拟相结合的方法，分析其承载力和刚度退化过程、延性、滞回特性、耗能及损伤演化过程，揭示抗震机理；结合Z15大厦异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱子结构工程设计，兼顾类似工程共性需求，建立单元本构关系和数值分析模型，提出承载力计算模型和恢复力模型，给出实用抗震设计方法和构造措施；发展巨型分叉柱抗震理论与技术，为工程应用提供支撑。

依托北京“中国尊”（Z15）超高层建筑，针对异形截面多腔体钢管混凝土巨型分叉柱框架抗震设计关键科学技术问题，较系统地进行了不同参数的底部超大异形截面多腔钢管混凝土巨型柱、巨型分叉柱子结构的低周反复荷载试验，研究了不同构造型式、不同水平力作用方向、不同轴力作用方向对其抗震性能的影响；在试验基础上，进行了理论分析及数值模拟，分析了其承载力和刚度退化过程、延性、滞回特性、耗能及损伤演化过程，揭示了其抗震机理；结合北京“中国尊”大厦异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱子结构工程设计，兼顾类似工程共性需求，建立抗震分析模型，给出了实用抗震设计方法和构造措施并已应用于工程。试验及分析表明，“底部超大异形截面多腔钢管混凝土巨型柱-巨型分叉节点-上部巨型分叉柱”构成的巨型分叉柱子结构具有良好的抗震性能；工程应用表明，这种异形截面多腔钢管混凝土巨型柱性价比较好，施工方便，具有良好的应用前景。 2100433B

目前钢管混凝土异形柱中的异形钢管大多是由钢板弯折后焊接而成，焊接和弯折量大，加工费用高，严重影响了该种构件的推广使用。本项目对一种新型钢管混凝土异形柱——多室式钢管混凝土组合异形柱进行了研究，它是先由三根矩形钢管型材焊接形成多室式异形钢管，再向其中浇注混凝土而成。由于该异形柱截面被钢管分成三个分室，且制作时用矩形钢管型材直接焊接，不需进行钢板弯折，焊缝数量少且受力小，因此它具有受力合理、制作简单、经济性好、承受荷载范围大的优点。因此对该种构件在各种受力情况下的力学性能进行研究具有理论和工程价值。经过四年的研究工作，本项目完成了预定的计划和实现了预定目标。进行了多方面的研究工作，并发表了多篇中、英文学术论文。本项目通过大量试验、数值模拟和回归分析对这种新型异形构件进行了研究。主要研究内容包括T形截面和L形截面钢管混凝土组合构件轴压短柱、轴压长柱、纯弯性能、单向和双向偏压性能、T形截面压弯构件滞回性能及节点形式的选择。本研究可促进钢管混凝土异形柱在住宅中的应用，也可为其它复杂截面形式的钢管混凝土柱的研究提供思路。 2100433B