地震作用下型鋼混凝土柱腳破壞機(jī)制及設(shè)計(jì)方法研究

型鋼混凝土（SRC）柱腳是SRC結(jié)構(gòu)高層建筑底層柱與基礎(chǔ)連接的關(guān)鍵部位，承擔(dān)著有效傳遞內(nèi)力、保證結(jié)構(gòu)整體性的重要作用。目前我國(guó)組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于SRC柱腳的設(shè)計(jì)方法，主要是借鑒日本SRC設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范（1987）方法得到的，沒(méi)有考慮到我國(guó)SRC結(jié)構(gòu)適用高度更高、構(gòu)件尺度更大、柱腳所承受的內(nèi)力更大、且內(nèi)力之間的相對(duì)大小比例也顯著不同的突出特點(diǎn)，迫切需要通過(guò)系統(tǒng)研究，有針對(duì)性地解決我國(guó)SRC柱腳設(shè)計(jì)所面臨的諸多技術(shù)難題。本課題通過(guò)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和理論研究的方法，深入系統(tǒng)研究地震作用下不同形式的SRC柱腳的抗震性能。通過(guò)在軸壓力、軸拉力以及變化軸力下SRC柱腳不同破壞模式的系列抗震性能試驗(yàn)，研究SRC柱腳典型破壞機(jī)制、塑性變形能力以及滯回耗能能力特征；運(yùn)用有限元和塑性力學(xué)極限分析方法，建立保證柱腳延性抗震設(shè)計(jì)的極限強(qiáng)度理論計(jì)算模型及抗震設(shè)計(jì)方法。 主要完成的研究?jī)?nèi)容有： 1. 變化軸力下和軸拉力作用下具有不同形式柱腳的SRC短柱抗震性能試驗(yàn)研究； 2. 軸拉力作用下具有不同形式柱腳的直剪試驗(yàn)研究； 3. 軸拉力作用下具有不同形式柱腳的拉彎試驗(yàn)研究。 4. 拉彎作用下SRC柱腳的非線(xiàn)性有限元分析； 5. 基于極限強(qiáng)度分析的考慮軸拉力的非埋入式柱腳的抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法。 主要研究結(jié)果表明： 1. 對(duì)于型鋼率為4%的SRC短柱中的非埋入式柱腳，在軸拉力和變軸力作用下，當(dāng)柱腳中的縱筋與錨栓的面積之和為被截?cái)嗟男弯摻孛婷娣e的66.45％，縱筋與錨栓的比例為0.67:0.33時(shí)，非埋入式柱腳的抗震性能基本等同于埋入式柱腳。 2. 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析表明：拉剪共同作用下非埋入式柱腳的抗剪強(qiáng)度，我國(guó)組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（征求意見(jiàn)稿）和日本SRC規(guī)范的預(yù)測(cè)值均偏低。南宏一建議公式雖然與他自己的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但是在預(yù)測(cè)本課題組的型鋼率為4%及以上的非埋入式柱腳在拉剪作用下的抗剪強(qiáng)度時(shí)誤差較大。本課題建立的軸拉力作用下抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好。 3. 在拉彎作用下，軸拉比為0.8時(shí)，埋深比為0時(shí)，即非埋入式柱腳時(shí)，其極限承載能力、塑性變形能力和耗能能力均遠(yuǎn)不及采用埋入式柱腳；此時(shí)若埋深比為1時(shí)，則其抗震性能基本等同于埋深比為2.5的SRC柱腳抗震性能。 4. 現(xiàn)行的我國(guó)組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范預(yù)測(cè)的拉彎作用下非埋入式柱腳的抗彎承載力明顯偏低。 2100433B

型鋼混凝土（SRC）柱腳是SRC結(jié)構(gòu)高層建筑底層柱與基礎(chǔ)連接的關(guān)鍵部位，承擔(dān)著有效傳遞內(nèi)力、保證結(jié)構(gòu)整體性的重要作用。目前我國(guó)組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于SRC柱腳的設(shè)計(jì)方法，主要是借鑒日本SRC設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范（1987）方法得到的，沒(méi)有考慮到我國(guó)SRC結(jié)構(gòu)適用高度更高、構(gòu)件尺度更大、柱腳所承受的內(nèi)力更大、且內(nèi)力之間的相對(duì)大小也顯著不同的突出特點(diǎn)，迫切需要通過(guò)系統(tǒng)研究，有針對(duì)性地解決我國(guó)SRC柱腳設(shè)計(jì)所面臨的諸多技術(shù)難題。本課題擬通過(guò)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和理論研究的方法，深入系統(tǒng)研究地震作用下不同形式的SRC柱腳(埋入式、半埋入式、非埋入式)的抗震性能。通過(guò)在軸壓力、軸拉力以及變化軸力下SRC柱腳不同破壞模式的系列抗震性能試驗(yàn)，研究SRC柱腳典型破壞機(jī)制、塑性變形能力以及滯回耗能能力特征；運(yùn)用塑性力學(xué)極限分析方法，建立保證柱腳延性抗震設(shè)計(jì)的極限強(qiáng)度理論計(jì)算模型及抗震設(shè)計(jì)方法。

汶川地震中大量鋼筋混凝土框架房屋由于形成了“強(qiáng)梁弱柱”型破壞機(jī)制而破壞甚至倒塌，沒(méi)有形成預(yù)期的“強(qiáng)柱弱梁”破壞機(jī)制，其中一個(gè)重要原因是現(xiàn)行設(shè)計(jì)中沿兩個(gè)主軸方向單獨(dú)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)“強(qiáng)柱弱梁”校核的抗震設(shè)計(jì)。本課題針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)、鋼筋混凝土柱、鋼框架進(jìn)行了斜向地震作用下的抗震性能的試驗(yàn)研究和理論分析，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：1.進(jìn)行了斜向地震作用下無(wú)板梁柱節(jié)點(diǎn)和帶板梁柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明主軸方向強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)的梁柱節(jié)點(diǎn)，在斜向荷載作用下出現(xiàn)柱鉸破壞，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)；2.進(jìn)行了斜向地震作用下鋼筋混凝土柱及角部加強(qiáng)柱的抗震性能研究，得到了承載力在加載角度從22.5°到45°呈下降趨勢(shì)，角部集中配筋的方式可以有效的改善構(gòu)件的承載力和延性；3.對(duì)三層鋼框架進(jìn)行了多方向輸入的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明45°時(shí)形成了明顯柱鉸破壞機(jī)制，且結(jié)構(gòu)的自振頻率隨著加速度幅值的增大迅速下降。4.提出了梁端鋼絲網(wǎng)加固方法，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，總結(jié)了其耗能特性。 2100433B

汶川地震中大量鋼筋混凝土框架房屋由于形成了強(qiáng)梁弱柱型破壞機(jī)制而破壞甚至倒塌，沒(méi)有形成預(yù)期的強(qiáng)柱弱梁破壞機(jī)制，其中一個(gè)重要原因是現(xiàn)行設(shè)計(jì)中沿兩個(gè)主軸方向單獨(dú)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)強(qiáng)柱弱梁校核的抗震設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮地震動(dòng)輸入的多維性特別是斜向地震輸入時(shí)節(jié)點(diǎn)周邊梁柱強(qiáng)度比的變化，即斜向地震輸入時(shí)節(jié)點(diǎn)周邊2個(gè)方向的梁參與工作，梁的強(qiáng)度大幅提高而柱的強(qiáng)度基本不變。本項(xiàng)目將通過(guò)理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方法對(duì)斜向地震輸入下梁柱節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)制進(jìn)行研究，以揭示在斜向地震輸入下梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理以及確定在斜向地震輸入下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁破壞機(jī)制的強(qiáng)柱系數(shù)等抗震設(shè)計(jì)參數(shù)，建立斜向地震作用下的抗震設(shè)計(jì)方法；在基本不改變?cè)瓉?lái)沿兩個(gè)主軸方向單獨(dú)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)前提下，提出一種角部集中配筋柱方法，在保證不發(fā)生鋼筋粘結(jié)破壞的條件下可以大幅提高柱子斜向承載力，以實(shí)現(xiàn)斜向地震輸入下梁柱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)柱弱梁破壞機(jī)制的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本項(xiàng)目針對(duì)典型超高層建筑結(jié)構(gòu)，發(fā)展高效超高層建筑結(jié)構(gòu)新體系及其高性能構(gòu)件，研究它們?cè)趶?qiáng)地震作用下的地震災(zāi)變關(guān)鍵效應(yīng)和地震災(zāi)變?nèi)^(guò)程，揭示結(jié)構(gòu)地震破壞和倒塌的物理機(jī)制，發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)技術(shù)。進(jìn)行了鋼材和混凝土材料在反復(fù)荷載作用下的滯回性能試驗(yàn)，建立了材料在反復(fù)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系；開(kāi)發(fā)了多種新型多重組合鋼-混凝土組合剪力墻及筒體，進(jìn)行了新型構(gòu)件和超高層建筑典型構(gòu)件 (高含鋼率SRC組合柱、高強(qiáng)超厚板鋼柱、內(nèi)置鋼板鋼筋混凝土剪力墻)抗震性能試驗(yàn)，建立了非線(xiàn)性數(shù)值計(jì)算模型，提出了抗震設(shè)計(jì)方法與構(gòu)造措施；完成了可液化地基－高層結(jié)構(gòu)體系相互作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和相鄰高層結(jié)構(gòu)—樁—土動(dòng)力相互作用體系的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，建立了非線(xiàn)性數(shù)值計(jì)算模型，初步揭示了土—結(jié)動(dòng)力相互作用體系的地震反應(yīng)規(guī)律及其影響因素；提出了一種計(jì)算結(jié)構(gòu)整體性能與局部破壞的多尺度單元耦合模型；提出了應(yīng)用增量動(dòng)力分析方法對(duì)超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于概率的抗震性能評(píng)估的方法；提出了利用屈曲約束支撐、阻尼器控制帶伸臂桁架的框架—核心筒結(jié)構(gòu)地震損傷的方法，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證；發(fā)展了可恢復(fù)功能高層抗震結(jié)構(gòu)的概念，提出了一種新型帶可更換連梁的剪力墻和一種新型帶可更換腳部構(gòu)件的剪力墻，進(jìn)行了兩種剪力墻的抗震性能試驗(yàn)，建立了其非線(xiàn)性數(shù)值計(jì)算模型；完成了上海中心、上海世博會(huì)中國(guó)館等9個(gè)實(shí)際復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)整體模型的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和非線(xiàn)性地震反應(yīng)數(shù)值分析，研究了其地震破壞機(jī)理和抗震薄弱部位，為其抗震設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐；編制了上海市《超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南》(第二版)。本項(xiàng)目的研究成果為改進(jìn)高層及超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)、改善其抗震性能、有效控制其地震損傷提供了科學(xué)支撐。 2100433B