钢框架-混凝土核心筒结构三维弹塑性地震反应分析

作为钢框架-混凝土核心筒结构的主要抗侧力构件，钢筋混凝土核心筒的性能直接关系到整个结构的抗震性能。本项目通过理论分析、模型试验和数值模拟对其抗震性能和分析方法进行了研究。1）通过水平双向荷载作用下大高宽比的混凝土核心筒拟静力模型试验，并与单向加载时的情况进行对比，明确其在多维地震作用下的抗震性能，包括破坏机理、耗能能力、延性、刚度退化过程、破坏机制、剪力滞后效应等。两种加载方式下核心筒的最后破坏形态基本相同，墙肢竖向钢筋屈服后，根部混凝土被压碎，均为整体弯曲破坏，，但双向荷载作用下两个方向的损伤相互影响导致了筒体最大承载力减小，变形能力降低，扭转效应显著增大，并且由于剪力滞后的叠加效应，加重了单向墙肢角部的剪力滞后效应，导致水平双向加载筒体根部墙肢转角处混凝土破坏严重；2）在此基础上，通过数值模拟展开参数分析，揭示影响钢筋混凝土核心筒在水平双向荷载作用下抗震性能的重要参数及影响规律。可知，随着轴压比的增加，筒体的破坏形态发生改变，由受拉钢筋屈服控制的延性破坏向脆性破坏转变，筒体的最大承载力先增大后减小，扭转效应减小；随着高宽比的增加，筒体破坏形态由剪切破坏向弯曲破坏转变，延性增加，整体弯曲作用更加明显；随着连梁跨高比的增大，连梁的破坏形态由剪切破坏向弯曲破坏转变，筒体转动能力提高，耗能能力增强；3）采用空间桁架理论，考虑核心筒的空间扭转效应，以及筒体加载方式、洞口大小以及混凝土强度对其承载力的影响，得到压弯剪扭复合作用下核心筒的承载力近似计算公式，并与试验及文献结果均符合较好。项目成果对于进一步认识这种新型结构体系的性能、丰富高层建筑的抗震理论和方法，具有重要的理论意义和工程应用价值；并可为钢框架-混凝土核心筒结构的设计施工及规范的制定提供参考。 2100433B

本项目拟针对钢框架-混凝土核心筒结构的抗震性能和分析方法进行研究。通过理论分析、模型试验和数值模拟，明确核心筒在水平双向荷载作用下的损伤破坏机理和抗震性能，得到能够较好反映结构受力和变形特性的恢复力模型；考虑核心筒的空间扭转效应，建立核心筒三维多竖线非线性分析模型，进一步考虑外框架与核心筒协同工作，给出钢框架-混凝土核心筒结构的三维弹塑性地震反应分析方法，并在非线性反应分析程序DRAIN-2D的基础上，编制程序实现；再通过弹塑性地震反应的时程分析，进行影响结构抗震性能的各种因素的参数研究，用以评价结构性能，并给出混合结构的设计建议，确保在强震作用下体系存在二道抗震防线，保证结构的后期性能。项目成果对于进一步认识这种新型结构体系的性能、丰富高层建筑的抗震理论和方法，具有重要的理论意义和工程应用价值；并可为钢框架-混凝土核心筒结构的设计施工及规范的制定提供参考。

“911”事件世贸大厦发生连续倒塌后，多高层建筑结构的抗连续倒塌研究已成为近期建筑结构研究的热点，但是现阶段抗连续倒塌研究中，框架-楼板三维整体结构体系研究成果有限，尤其是钢-混凝土组合结构体系，考虑三维整体效应的抗连续倒塌力学性能与计算方法研究有待进一步深入。申请人拟以钢框架-组合楼板结构体系在中间柱失效后的三维整体效应研究为切入点，以“试验研究—有限元模拟及影响参数分析—理论计算模型探索”的研究方法为手段，探索一种位移控制均布荷载下抗连续倒塌的三维整体效应试验方法，并运用能量原理获得考虑动力效应的伪静态三维结构响应，揭示三维整体效应的力学性能和传力路径，阐明三维整体效应中钢框架悬链线效应与组合楼板受拉薄膜效应等传力机制，提出一种考虑三维整体效应的钢框架-组合楼板结构抗连续倒塌理论计算方法。项目研究成果可为提高我国多高层钢-混凝土组合结构建筑抗连续倒塌性能和编制相关设计规范提供理论依据。

带暗支撑高阻尼混凝土核心筒结构是由内置钢板混凝土连梁、内置X型钢板暗支撑混凝土墙肢、强约束角柱与边柱组合形成的一种新体系。本课题对该组合核心筒结构体系的抗震性能进行了试验研究与理论分析，主要研究内容和结果如下： (1).以本土水泥浆或砂浆为基体成功配制出ECC，在ECC中掺加聚合物得到高阻尼ECC。对各种配比的ECC进行了一系列材性试验，通过9根大尺寸高阻尼ECC梁振动试验，得到了高阻尼ECC的最优聚灰比。 (2).完成了9根强约束柱抗震性能试验，应用ABAQUS软件建立了强约束柱（包括叠合柱）精细有限元分析模型，通过参数分析得到框架柱延性系数与配箍特征值的关系、钢筋ECC柱的最小体积配箍率取值、叠合柱的合理构造方案。 (3).完成了8片带暗支撑高阻尼剪力墙抗震性能试验，完成了4片双肢高阻尼剪力墙抗震性能试验。应用ABAQUS软件、MSC.MARC软件建立了剪力墙精细有限元分析模型，通过数值模拟得到剪力墙塑性长度计算公式、墙肢和连梁含钢率的合理取值、暗支撑的合理设置方案。 (4).完成了不同角柱型式（箍筋加密柱，型钢叠合柱，钢管混凝土叠合柱）、不同暗支撑布置形式（每层设暗支撑、两层设暗支撑）、不同高宽比（1.33与1.78）、不同轴压比（0.1与0.2）、不同加载方式（单向与斜向）共8个组合核心筒的抗震性能试验。 (5).应用ABAQUS软件，建立了以实体单元为基础的组合核心筒精细有限元分析方法，应用OpenSees软件，建立了以宏观单元模型为基础的组合核心筒实用有限元分析方法。完成了单向、斜向、偏心静力荷载下组合核心筒的弹塑性分析及增量动力弹塑性分析（IDA），得到了各种工况下组合核心筒抗震性能指标及剪力滞后效应的变化规律，研究了轴压比、高宽比、连梁跨高比、角柱型式、暗支撑布置形式等对组合核心筒弹塑性性能的影响。 (6).研究了位移反应谱、研究了组合核心筒性能指标限值，建立了基于位移的组合核心筒体系的抗震设计方法。 (7).将组合核心筒置于高层框筒结构中，通过拟静力试验、耐震时程法、基于能量平衡的 MPA 法，进一步论证了组合核心筒的优越性。 2100433B