地震作用下型钢混凝土柱脚破坏机制及设计方法研究

型钢混凝土（SRC）柱脚是SRC结构高层建筑底层柱与基础连接的关键部位，承担着有效传递内力、保证结构整体性的重要作用。目前我国组合结构设计规范关于SRC柱脚的设计方法，主要是借鉴日本SRC设计计算规范（1987）方法得到的，没有考虑到我国SRC结构适用高度更高、构件尺度更大、柱脚所承受的内力更大、且内力之间的相对大小比例也显著不同的突出特点，迫切需要通过系统研究，有针对性地解决我国SRC柱脚设计所面临的诸多技术难题。本课题通过结构试验和理论研究的方法，深入系统研究地震作用下不同形式的SRC柱脚的抗震性能。通过在轴压力、轴拉力以及变化轴力下SRC柱脚不同破坏模式的系列抗震性能试验，研究SRC柱脚典型破坏机制、塑性变形能力以及滞回耗能能力特征；运用有限元和塑性力学极限分析方法，建立保证柱脚延性抗震设计的极限强度理论计算模型及抗震设计方法。 主要完成的研究内容有： 1. 变化轴力下和轴拉力作用下具有不同形式柱脚的SRC短柱抗震性能试验研究； 2. 轴拉力作用下具有不同形式柱脚的直剪试验研究； 3. 轴拉力作用下具有不同形式柱脚的拉弯试验研究。 4. 拉弯作用下SRC柱脚的非线性有限元分析； 5. 基于极限强度分析的考虑轴拉力的非埋入式柱脚的抗剪强度计算方法。 主要研究结果表明： 1. 对于型钢率为4%的SRC短柱中的非埋入式柱脚，在轴拉力和变轴力作用下，当柱脚中的纵筋与锚栓的面积之和为被截断的型钢截面面积的66.45％，纵筋与锚栓的比例为0.67:0.33时，非埋入式柱脚的抗震性能基本等同于埋入式柱脚。 2. 对试验结果的分析表明：拉剪共同作用下非埋入式柱脚的抗剪强度，我国组合结构设计规范（征求意见稿）和日本SRC规范的预测值均偏低。南宏一建议公式虽然与他自己的试验结果吻合较好，但是在预测本课题组的型钢率为4%及以上的非埋入式柱脚在拉剪作用下的抗剪强度时误差较大。本课题建立的轴拉力作用下抗剪强度计算公式，预测结果与试验值吻合良好。 3. 在拉弯作用下，轴拉比为0.8时，埋深比为0时，即非埋入式柱脚时，其极限承载能力、塑性变形能力和耗能能力均远不及采用埋入式柱脚；此时若埋深比为1时，则其抗震性能基本等同于埋深比为2.5的SRC柱脚抗震性能。 4. 现行的我国组合结构设计规范预测的拉弯作用下非埋入式柱脚的抗弯承载力明显偏低。 2100433B

型钢混凝土（SRC）柱脚是SRC结构高层建筑底层柱与基础连接的关键部位，承担着有效传递内力、保证结构整体性的重要作用。目前我国组合结构设计规范关于SRC柱脚的设计方法，主要是借鉴日本SRC设计计算规范（1987）方法得到的，没有考虑到我国SRC结构适用高度更高、构件尺度更大、柱脚所承受的内力更大、且内力之间的相对大小也显著不同的突出特点，迫切需要通过系统研究，有针对性地解决我国SRC柱脚设计所面临的诸多技术难题。本课题拟通过结构试验和理论研究的方法，深入系统研究地震作用下不同形式的SRC柱脚(埋入式、半埋入式、非埋入式)的抗震性能。通过在轴压力、轴拉力以及变化轴力下SRC柱脚不同破坏模式的系列抗震性能试验，研究SRC柱脚典型破坏机制、塑性变形能力以及滞回耗能能力特征；运用塑性力学极限分析方法，建立保证柱脚延性抗震设计的极限强度理论计算模型及抗震设计方法。

汶川地震中大量钢筋混凝土框架房屋由于形成了“强梁弱柱”型破坏机制而破坏甚至倒塌，没有形成预期的“强柱弱梁”破坏机制，其中一个重要原因是现行设计中沿两个主轴方向单独进行节点“强柱弱梁”校核的抗震设计。本课题针对梁柱节点、钢筋混凝土柱、钢框架进行了斜向地震作用下的抗震性能的试验研究和理论分析，主要研究内容和结果如下：1.进行了斜向地震作用下无板梁柱节点和带板梁柱节点的试验研究，结果表明主轴方向强柱弱梁设计的梁柱节点，在斜向荷载作用下出现柱铰破坏，没有实现强柱弱梁设计；2.进行了斜向地震作用下钢筋混凝土柱及角部加强柱的抗震性能研究，得到了承载力在加载角度从22.5°到45°呈下降趋势，角部集中配筋的方式可以有效的改善构件的承载力和延性；3.对三层钢框架进行了多方向输入的振动台试验，结果表明45°时形成了明显柱铰破坏机制，且结构的自振频率随着加速度幅值的增大迅速下降。4.提出了梁端钢丝网加固方法，并对其进行了试验研究和数值模拟，总结了其耗能特性。 2100433B

汶川地震中大量钢筋混凝土框架房屋由于形成了强梁弱柱型破坏机制而破坏甚至倒塌，没有形成预期的强柱弱梁破坏机制，其中一个重要原因是现行设计中沿两个主轴方向单独进行节点强柱弱梁校核的抗震设计，没有考虑地震动输入的多维性特别是斜向地震输入时节点周边梁柱强度比的变化，即斜向地震输入时节点周边2个方向的梁参与工作，梁的强度大幅提高而柱的强度基本不变。本项目将通过理论分析、试验研究和数值模拟方法对斜向地震输入下梁柱节点破坏机制进行研究，以揭示在斜向地震输入下梁柱节点的破坏机理以及确定在斜向地震输入下实现强柱弱梁破坏机制的强柱系数等抗震设计参数，建立斜向地震作用下的抗震设计方法；在基本不改变原来沿两个主轴方向单独进行抗震设计前提下，提出一种角部集中配筋柱方法，在保证不发生钢筋粘结破坏的条件下可以大幅提高柱子斜向承载力，以实现斜向地震输入下梁柱节点强柱弱梁破坏机制的设计目标。

本项目针对典型超高层建筑结构，发展高效超高层建筑结构新体系及其高性能构件，研究它们在强地震作用下的地震灾变关键效应和地震灾变全过程，揭示结构地震破坏和倒塌的物理机制，发展相应的数值模拟和模型试验技术。进行了钢材和混凝土材料在反复荷载作用下的滞回性能试验，建立了材料在反复荷载作用下的本构关系；开发了多种新型多重组合钢-混凝土组合剪力墙及筒体，进行了新型构件和超高层建筑典型构件 (高含钢率SRC组合柱、高强超厚板钢柱、内置钢板钢筋混凝土剪力墙)抗震性能试验，建立了非线性数值计算模型，提出了抗震设计方法与构造措施；完成了可液化地基－高层结构体系相互作用的振动台试验和相邻高层结构—桩—土动力相互作用体系的振动台试验，建立了非线性数值计算模型，初步揭示了土—结动力相互作用体系的地震反应规律及其影响因素；提出了一种计算结构整体性能与局部破坏的多尺度单元耦合模型；提出了应用增量动力分析方法对超高层结构进行基于概率的抗震性能评估的方法；提出了利用屈曲约束支撑、阻尼器控制带伸臂桁架的框架—核心筒结构地震损伤的方法，并通过数值计算进行了验证；发展了可恢复功能高层抗震结构的概念，提出了一种新型带可更换连梁的剪力墙和一种新型带可更换脚部构件的剪力墙，进行了两种剪力墙的抗震性能试验，建立了其非线性数值计算模型；完成了上海中心、上海世博会中国馆等9个实际复杂高层结构整体模型的模拟地震振动台试验和非线性地震反应数值分析，研究了其地震破坏机理和抗震薄弱部位，为其抗震设计提供了技术支撑；编制了上海市《超限高层建筑工程抗震设计指南》(第二版)。本项目的研究成果为改进高层及超高层建筑的抗震设计、改善其抗震性能、有效控制其地震损伤提供了科学支撑。 2100433B