多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)抗震機理研究

超高層巨型框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計面臨著諸多新的技術(shù)問題，超大型復雜截面巨型柱及大型復雜空間巨型節(jié)點的出現(xiàn)，給巨型框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。重大工程亟需建造亟需研發(fā)新型構(gòu)造的高性能巨型柱框架結(jié)構(gòu)抗震體系。本項目貢獻概要： 較系統(tǒng)完成了32多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱模型試件低周反復荷載試驗、12個多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱模型試件受壓性能試驗、16個巨型撐軸向往復拉壓性能試驗、2個多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架子結(jié)構(gòu)的低周反復荷載試驗。研究了不同設(shè)計參數(shù)的多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱、巨型支撐及其巨型框架結(jié)構(gòu)的損傷過程和破壞機制，揭示了抗震機理，建立了其抗震分析的力學模型和理論公式，給出了其抗震設(shè)計方法與構(gòu)造措施。 創(chuàng)新了獨特構(gòu)造的多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架，形成了高效抗震體系。將創(chuàng)新的高性能超大復雜截面多腔體鋼管混凝土巨型柱、高性能復雜巨型節(jié)點、巨型梁、巨型撐有效地連接在一起，形成了高效巨型框架-支撐抗震體系，具有多道抗震防線。獲得了較系統(tǒng)的多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)及構(gòu)件受力性能試驗成果。基于試驗研究、理論分析、數(shù)值模擬和設(shè)計方法研究，形成了多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵抗震理論與技術(shù)。 研發(fā)的多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)抗震體系，突破了超大型復雜截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)，抗震性能好，性價比合理，為解決超高層巨型框架抗震難題提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，具有重要科學意義和工程價值。研究成果在多項大型工程中成功應用，效果良好。 2100433B

針對超高層建筑異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計關(guān)鍵問題，發(fā)展鋼-混凝土組合巨型柱的截面型式與構(gòu)造，研發(fā)新型多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱及其巨型框架結(jié)構(gòu)。以重大工程為依托，較系統(tǒng)地進行兩種異形截面多腔鋼管混凝土柱、一種巨型斜撐及典型巨型框架子結(jié)構(gòu)的抗震性能試驗研究與數(shù)值模擬，分析其結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力、剛度、延性、抗震耗能及損傷破壞演化過程，研究其屈服機制，揭示其抗震機理?；诰扌涂蚣芙Y(jié)構(gòu)及構(gòu)件的試驗與理論研究，建立多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱的恢復力模型和承載力計算模型。結(jié)合超高層建筑工程實際，引入相關(guān)研究成果，進行有限元建模，計算分析巨型框架-核心筒-伸臂桁架結(jié)構(gòu)整體的地震反應，研究不同設(shè)計參數(shù)的巨型框架對巨型結(jié)構(gòu)整體抗地震倒塌能力的貢獻，給出巨型框架合理屈服機制及其構(gòu)件設(shè)計參數(shù)的確定方法。提出多腔鋼管混凝土異形截面巨型柱框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法與構(gòu)造措施，為工程應用奠定基礎(chǔ)。

以北京Z15大廈為重大工程依托，針對超高層建筑異形截面多腔鋼管混凝土巨型分叉柱框架抗震設(shè)計關(guān)鍵科學問題，即“底部超大異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱-巨型分叉節(jié)點-上部巨型分叉柱”構(gòu)成的巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)抗震性能與設(shè)計方法問題：較系統(tǒng)地進行底部超大異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱、巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)的低周反復荷載試驗，研究其在不同構(gòu)造型式、不同水平力作用方向、不同軸力作用方向下的抗震性能；采用試驗研究、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析其承載力和剛度退化過程、延性、滯回特性、耗能及損傷演化過程，揭示抗震機理；結(jié)合Z15大廈異形截面多腔鋼管混凝土巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)工程設(shè)計，兼顧類似工程共性需求，建立單元本構(gòu)關(guān)系和數(shù)值分析模型，提出承載力計算模型和恢復力模型，給出實用抗震設(shè)計方法和構(gòu)造措施；發(fā)展巨型分叉柱抗震理論與技術(shù)，為工程應用提供支撐。

依托北京“中國尊”（Z15）超高層建筑，針對異形截面多腔體鋼管混凝土巨型分叉柱框架抗震設(shè)計關(guān)鍵科學技術(shù)問題，較系統(tǒng)地進行了不同參數(shù)的底部超大異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱、巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)的低周反復荷載試驗，研究了不同構(gòu)造型式、不同水平力作用方向、不同軸力作用方向?qū)ζ淇拐鹦阅艿挠绊懀辉谠囼灮A(chǔ)上，進行了理論分析及數(shù)值模擬，分析了其承載力和剛度退化過程、延性、滯回特性、耗能及損傷演化過程，揭示了其抗震機理；結(jié)合北京“中國尊”大廈異形截面多腔鋼管混凝土巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)工程設(shè)計，兼顧類似工程共性需求，建立抗震分析模型，給出了實用抗震設(shè)計方法和構(gòu)造措施并已應用于工程。試驗及分析表明，“底部超大異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱-巨型分叉節(jié)點-上部巨型分叉柱”構(gòu)成的巨型分叉柱子結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能；工程應用表明，這種異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱性價比較好，施工方便，具有良好的應用前景。 2100433B

目前鋼管混凝土異形柱中的異形鋼管大多是由鋼板彎折后焊接而成，焊接和彎折量大，加工費用高，嚴重影響了該種構(gòu)件的推廣使用。本項目對一種新型鋼管混凝土異形柱——多室式鋼管混凝土組合異形柱進行了研究，它是先由三根矩形鋼管型材焊接形成多室式異形鋼管，再向其中澆注混凝土而成。由于該異形柱截面被鋼管分成三個分室，且制作時用矩形鋼管型材直接焊接，不需進行鋼板彎折，焊縫數(shù)量少且受力小，因此它具有受力合理、制作簡單、經(jīng)濟性好、承受荷載范圍大的優(yōu)點。因此對該種構(gòu)件在各種受力情況下的力學性能進行研究具有理論和工程價值。經(jīng)過四年的研究工作，本項目完成了預定的計劃和實現(xiàn)了預定目標。進行了多方面的研究工作，并發(fā)表了多篇中、英文學術(shù)論文。本項目通過大量試驗、數(shù)值模擬和回歸分析對這種新型異形構(gòu)件進行了研究。主要研究內(nèi)容包括T形截面和L形截面鋼管混凝土組合構(gòu)件軸壓短柱、軸壓長柱、純彎性能、單向和雙向偏壓性能、T形截面壓彎構(gòu)件滯回性能及節(jié)點形式的選擇。本研究可促進鋼管混凝土異形柱在住宅中的應用，也可為其它復雜截面形式的鋼管混凝土柱的研究提供思路。 2100433B