地震作用下型鋼混凝土柱腳破壞機制及設計方法研究中文摘要

型鋼混凝土（SRC）柱腳是SRC結(jié)構(gòu)高層建筑底層柱與基礎連接的關鍵部位，承擔著有效傳遞內(nèi)力、保證結(jié)構(gòu)整體性的重要作用。目前我國組合結(jié)構(gòu)設計規(guī)范關于SRC柱腳的設計方法，主要是借鑒日本SRC設計計算規(guī)范（1987）方法得到的，沒有考慮到我國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)力之間的相對大小也顯著不同的突出特點，迫切需要通過系統(tǒng)研究，有針對性地解決我國SRC柱腳設計所面臨的諸多技術(shù)難題。本課題擬通過結(jié)構(gòu)試驗和理論研究的方法，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，研究SRC柱腳典型破壞機制、塑性變形能力以及滯回耗能能力特征；運用塑性力學極限分析方法，建立保證柱腳延性抗震設計的極限強度理論計算模型及抗震設計方法。

型鋼混凝土（SRC）柱腳是SRC結(jié)構(gòu)高層建筑底層柱與基礎連接的關鍵部位，承擔著有效傳遞內(nèi)力、保證結(jié)構(gòu)整體性的重要作用。目前我國組合結(jié)構(gòu)設計規(guī)范關于SRC柱腳的設計方法，主要是借鑒日本SRC設計計算規(guī)范（1987）方法得到的，沒有考慮到我國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)力之間的相對大小比例也顯著不同的突出特點，迫切需要通過系統(tǒng)研究，有針對性地解決我國SRC柱腳設計所面臨的諸多技術(shù)難題。本課題通過結(jié)構(gòu)試驗和理論研究的方法，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，研究SRC柱腳典型破壞機制、塑性變形能力以及滯回耗能能力特征；運用有限元和塑性力學極限分析方法，建立保證柱腳延性抗震設計的極限強度理論計算模型及抗震設計方法。 主要完成的研究內(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短柱抗震性能試驗研究； 2. 軸拉力作用下具有不同形式柱腳的直剪試驗研究； 3. 軸拉力作用下具有不同形式柱腳的拉彎試驗研究。 4. 拉彎作用下SRC柱腳的非線性有限元分析； 5. 基于極限強度分析的考慮軸拉力的非埋入式柱腳的抗剪強度計算方法。 主要研究結(jié)果表明： 1. 對于型鋼率為4%的SRC短柱中的非埋入式柱腳，在軸拉力和變軸力作用下，當柱腳中的縱筋與錨栓的面積之和為被截斷的型鋼截面面積的66.45％，縱筋與錨栓的比例為0.67:0.33時，非埋入式柱腳的抗震性能基本等同于埋入式柱腳。 2. 對試驗結(jié)果的分析表明：拉剪共同作用下非埋入式柱腳的抗剪強度，我國組合結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（征求意見稿）和日本SRC規(guī)范的預測值均偏低。南宏一建議公式雖然與他自己的試驗結(jié)果吻合較好，但是在預測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度時誤差較大。本課題建立的軸拉力作用下抗剪強度計算公式，預測結(jié)果與試驗值吻合良好。 3. 在拉彎作用下，軸拉比為0.8時，埋深比為0時，即非埋入式柱腳時，其極限承載能力、塑性變形能力和耗能能力均遠不及采用埋入式柱腳；此時若埋深比為1時，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)行的我國組合結(jié)構(gòu)設計規(guī)范預測的拉彎作用下非埋入式柱腳的抗彎承載力明顯偏低。 2100433B

汶川地震中大量鋼筋混凝土框架房屋由于形成了“強梁弱柱”型破壞機制而破壞甚至倒塌，沒有形成預期的“強柱弱梁”破壞機制，其中一個重要原因是現(xiàn)行設計中沿兩個主軸方向單獨進行節(jié)點“強柱弱梁”校核的抗震設計。本課題針對梁柱節(jié)點、鋼筋混凝土柱、鋼框架進行了斜向地震作用下的抗震性能的試驗研究和理論分析，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：1.進行了斜向地震作用下無板梁柱節(jié)點和帶板梁柱節(jié)點的試驗研究，結(jié)果表明主軸方向強柱弱梁設計的梁柱節(jié)點，在斜向荷載作用下出現(xiàn)柱鉸破壞，沒有實現(xiàn)強柱弱梁設計；2.進行了斜向地震作用下鋼筋混凝土柱及角部加強柱的抗震性能研究，得到了承載力在加載角度從22.5°到45°呈下降趨勢，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.對三層鋼框架進行了多方向輸入的振動臺試驗，結(jié)果表明45°時形成了明顯柱鉸破壞機制，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，并對其進行了試驗研究和數(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梁弱柱型破壞機制而破壞甚至倒塌，沒有形成預期的強柱弱梁破壞機制，其中一個重要原因是現(xiàn)行設計中沿兩個主軸方向單獨進行節(jié)點強柱弱梁校核的抗震設計，沒有考慮地震動輸入的多維性特別是斜向地震輸入時節(jié)點周邊梁柱強度比的變化，即斜向地震輸入時節(jié)點周邊2個方向的梁參與工作，梁的強度大幅提高而柱的強度基本不變。本項目將通過理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬方法對斜向地震輸入下梁柱節(jié)點破壞機制進行研究，以揭示在斜向地震輸入下梁柱節(jié)點的破壞機理以及確定在斜向地震輸入下實現(xiàn)強柱弱梁破壞機制的強柱系數(shù)等抗震設計參數(shù)，建立斜向地震作用下的抗震設計方法；在基本不改變原來沿兩個主軸方向單獨進行抗震設計前提下，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，以實現(xiàn)斜向地震輸入下梁柱節(jié)點強柱弱梁破壞機制的設計目標。

本項目針對典型超高層建筑結(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，研究它們在強地震作用下的地震災變關鍵效應和地震災變?nèi)^程，揭示結(jié)構(gòu)地震破壞和倒塌的物理機制，發(fā)展相應的數(shù)值模擬和模型試驗技術(shù)。進行了鋼材和混凝土材料在反復荷載作用下的滯回性能試驗，建立了材料在反復荷載作用下的本構(gòu)關系；開發(fā)了多種新型多重組合鋼-混凝土組合剪力墻及筒體，進行了新型構(gòu)件和超高層建筑典型構(gòu)件 (高含鋼率SRC組合柱、高強超厚板鋼柱、內(nèi)置鋼板鋼筋混凝土剪力墻)抗震性能試驗，建立了非線性數(shù)值計算模型，提出了抗震設計方法與構(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臺試驗和相鄰高層結(jié)構(gòu)—樁—土動力相互作用體系的振動臺試驗，建立了非線性數(shù)值計算模型，初步揭示了土—結(jié)動力相互作用體系的地震反應規(guī)律及其影響因素；提出了一種計算結(jié)構(gòu)整體性能與局部破壞的多尺度單元耦合模型；提出了應用增量動力分析方法對超高層結(jié)構(gòu)進行基于概率的抗震性能評估的方法；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，并通過數(shù)值計算進行了驗證；發(fā)展了可恢復功能高層抗震結(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，進行了兩種剪力墻的抗震性能試驗，建立了其非線性數(shù)值計算模型；完成了上海中心、上海世博會中國館等9個實際復雜高層結(jié)構(gòu)整體模型的模擬地震振動臺試驗和非線性地震反應數(shù)值分析，研究了其地震破壞機理和抗震薄弱部位，為其抗震設計提供了技術(shù)支撐；編制了上海市《超限高層建筑工程抗震設計指南》(第二版)。本項目的研究成果為改進高層及超高層建筑的抗震設計、改善其抗震性能、有效控制其地震損傷提供了科學支撐。 2100433B