新型多层钢木混合结构抗震性能与设计方法研究

钢木混合结构利用绿色环保、轻质高强的木材和钢材作为建筑材料，预制装配化程度高，符合我国多高层建筑发展的需要。为了全面深入地了解这一新型结构体系的整体抗侧性能，对钢木混合结构体系进行了一系列的研究。本课题首先完成了单层钢木混合结构拟静力试验，揭示了钢木混合结构中钢框架和木剪力墙的协同工作机理；完成了钢木混合楼盖拟静力试验，获得了钢木混合楼盖的平面内抗侧力性能；进行了不同连接方式下钢木混合墙体试验，研究了不同连接形式对钢木混合墙体抗侧性能的影响；完成了四层钢木混合结构振动台试验，全面深入地了解了钢木混合结构抗侧力体系从弹性状态到极限状态全过程的受力机理和协同工作特性。研究结果表明，当结构侧移较小时，轻木剪力墙承担大部分剪力，随着位移增大，剪力墙强度与刚度发生退化，承载力主要由钢框架提供。侧向荷载下，钢木混合抗侧力体系的破坏都始于木剪力墙面板钉连接的破坏，且木剪力墙先于钢框架屈服。在试验研究成果的基础上，采用“HYST”算法模拟轻木剪力墙抗侧性能，建立了钢木混合结构的有限元模型，该模型可以很好模拟钢木混合结构中轻木剪力墙的捏缩特性。对不同条件的钢木混合结构进行参数化分析，结果表明木剪力墙与钢框架的抗侧刚度比对混合体系协同工作性能有重要影响，应使木剪力墙和钢框架的抗侧刚度比不小于 0.5；研究得到了混合结构自振周期的估算公式和剪力分配系数的拟合公式；通过易损性分析和响应面分析的方法，对钢木混合抗侧力体系进行了地震可靠度评估。综合钢木混合结构抗震性能的研究成果，提出了直接位移抗震设计方法，为混合结构的合理设计提供了依据。课题研究为钢木混合结构这一新型、环保、预制化体系的工程应用和推广奠定了可靠的研究基础，对于发展生态文明，倡导绿色建筑，促进多高层建筑抗震技术发展，都有着重要的意义。 2100433B

木材资源最可再生，墙体保温性能好；钢木材料均可循环利用、工厂预制和现场组装、可实现绿色施工；且钢木结构重量轻、韧性好，抗震能力强。本课题充分利用钢木结构的优点，以钢作框架、木作楼盖和墙体，构建新型绿色多层钢木混合结构体系。通过对木楼屋盖与钢框架梁组成的水平抗侧力体系、木剪力墙与钢框架组成的竖向抗侧力体系的理论分析，研究影响水平结构体系、竖向结构体系的刚度和抗侧能力的因素。通过结构整体动力试验和数值模拟，阐明钢框架与木楼屋盖、木剪力墙的协同工作机理，揭示该类结构抗侧力性能与特点，提出结构地震破坏模型和失效机理。建立结构性能目标函数，基于结构地震可靠度分析，为该类新型混合结构基于性能的抗震设计方法奠定理论基础。本研究成果对推动建筑业生态文明建设、利用再生资源、实现绿色施工、提高建筑产业化和发展新型结构基于性能的设计方法均具有重要理论意义和实用价值。

针对传统剪力墙连梁抗剪能力不足、延性变形性能差且施工复杂等问题，利用钢板良好的塑性变形能力和屈服后不同拉力场特性，替代抗剪钢筋或交叉暗柱是提高连梁受力性能的一种有效措施。设计和改进内嵌钢板混凝土组合连梁的构造措施，提出内嵌双钢板混凝土组合连梁，并对其抗震性能和设计方法展开研究。采用试验研究、理论分析和数值模拟等手段，分析钢板厚度、高厚比、栓钉布置等对组合连梁破坏机理和抗震性能的影响，提出连梁恢复力特性曲线，揭示钢板屈曲后形成的不同拉力场分布和屈曲模态对连梁延性和耗能的影响机理。在参数分析基础上，建立组合连梁受弯和受剪承载力计算公式和抗剪理论模型。研究组合连梁各性能水准下的位移角限值或其他性能指标限值。通过数值模拟和理论分析，研究不同构造措施对节点破坏模式和抗震性能的影响，提出节点区钢板锚固长度、栓钉或其他连接件设计计算方法。研究成果可为钢板混凝土组合结构的设计理论及工程应用提供科学依据。

SRC柱-钢梁混合框架是一种广泛应用于高层建筑的框架结构形式。本项目针对SRC柱-钢梁混合框架抗震理论研究落后于实践的现状，采用理论、试验和有限元模拟相结合的方法，对其抗震性能和设计方法进行了研究，探讨了该框架的破坏模式、承载力、延性、耗能等抗震性能。试验表明， 试件在加载的过程中都经历了弹性-塑性-极限承载力-破坏等四个阶段，节点核心区域剪切变形严重，且钢梁翼缘发生屈曲破坏，表现为节点剪切破坏和梁端弯曲破坏两种。试件整体的滞回曲线呈梭形，比较饱满，呈现出良好的耗能能力。全部试件的位移延性系数在3.91~6.90的范围内，约为纯钢框架节点的 2.5~4.5倍，表明钢-混凝土组合框架节点具有良好的延性，整体抗震性能优良。轴压比的增加会降低构件的位移延性；节点处增设X筋对于结构整体耗能影响不大，但能够有效地延缓混凝土的开裂，提高节点区混凝土的抗裂度。另外，是否考虑混凝土楼板空间作用对结构抗震能力影响较大，增加楼板的宽度能有效地提高构件的承载能力。最后通过试件抗剪承载力实测值与规范提供公式值比较，表明目前规范提供的抗剪承载力计算过于保守安全，建议适当增大混凝土抗剪承载力计算值，减小轴压力的有利影响。 2100433B

传统的钢筋混凝土桥墩由于自重大且延性差，在较强地震作用下易损坏，且难以修复。基于损伤控制理论，研发出新型内嵌耗能壳板的箱形钢桥墩，可提升城市抗震救灾能力，并能显著降低施工对城市生态环境和交通的不利影响。 为研究内嵌耗能壳板新型箱形钢桥墩的抗震性能，开展了新型箱形钢桥墩的拟静力试验、数值模拟和理论分析工作。分析了三向地震耦合作用、轴压比、长细比、截面高宽比、壁板宽厚比、内嵌壳板等构造对新型桥墩抗震性能的影响规律。同时探讨了新型箱形钢桥墩根部耗能区的轴压屈曲机理和变形性能，并研究了箱形偏心压弯钢柱的抗震性能。在试验研究和理论分析的基础上，提出了新型箱形钢桥墩的抗震设计建议公式。研究得出以下主要结论： （1）设置内嵌壳板后，新型箱形钢桥墩的承载能力和极限位移都有增大；骨架曲线下降段也变平缓，箱形钢桥墩的变形能力增强，延性更好。 （2）轴压比和内嵌壳板的横向加劲肋间距对新型箱形钢桥墩抗震性能的影响较为显著。轴压比和内嵌壳板的横向加劲肋间距越小，试件的承载能力和极限位移越大，骨架曲线下降段越平缓，箱形钢桥墩的变形能力和延性越好。 （3）设置壁板纵肋和增大内嵌壳板强度对箱形钢桥墩的承载能力和延性性能的影响相对较小。 （4）考虑三向地震耦合作用后，试件滞回曲线包围的面积将减小，试件耗能能力将降低。三向地震耦合作用对试件的变形能力影响较大，而对试件强度的影响相对较小。 （5）内嵌壳板可有效提高箱形钢桥墩的承载能力和变形能力，内嵌壳板厚度、壁板宽厚比、轴压比和长细比对新型钢桥墩抗震性能的影响较为显著。 （6）为便于新型箱形钢桥墩的抗震设计，在理论分析和数值模拟的基础上，建立了根部内嵌壳板耗能区的最小高度、轴力与弯矩相关稳定承载力及位移延性系数的计算公式。 通过本项目的研究，获得了内嵌耗能壳板箱形钢桥墩的屈曲传力机理、抗震性能和设计方法，为新型箱形钢桥墩的工程应用提供科学依据。 2100433B