高层建筑钢管混凝土斜交网格筒混合结构体系地震损伤机制与设计理论研究

ABSTRACT:Aiming at the concrete filled steel tubular (CFST) diagrid tube hybrid structural system according to the development trend of high rise buildings, the elastic characteristics and optimization methodology for preliminary are proposed through theory and parameter analysis. The damage evolution, damage mechanism, failure pattern and seismic behavior of CFST column and its intersecting connection are studied under reversal loading, the relevant bearing capacity model and design method are put forward. The element model of the intersecting connection and the efficient, elaborate non-linear spatial modeling technique of structural system are established, the rule of seismic damage evolution, damage mechanism, failure pattern, interaction behavior and force redistributions between diagrid tube and core walls are revealed through parameter and seismic energy analysis. The concept and determining method for the seismic importance level of structural members are suggested. The optimization of damage mechanism, failure pattern and its rational evaluation criterion are established for structural system. The effective measures to enhance seismic behavior of the structures are studied. Seismic performance level and performance targets of the structure are established. The structural damage control mechanism under various performance levels is researched. The damage control mechanism based seismic design theory and method are put forward. The project research is of great importance for improving the seismic behavior and application of this new type structure.

本项目瞄准高层建筑的发展趋势，针对钢管混凝土斜交网格筒混合结构体系，采用理论分析、模型试验和数值模拟，通过理论和影响参数分析，建立其弹性受力性能变化规律和初步设计优化方法；研究钢管混凝土斜柱及其相贯节点在往复荷载下的损伤演化、破坏机理、破坏模式和抗震性能，提出其承载力计算模型与设计方法；研究相贯节点单元模型和此类结构体系高效、精细化的空间非线性建模理论与方法，通过影响参数和地震能量反应分析，揭示结构体系地震损伤演化规律、损伤机制、破坏模式、内外筒协同工作性能和内力分配规律；提出结构构件抗震重要性层次的概念和确定方法，建立结构体系损伤机制和破坏模式的优化方法以及其合理性的评价标准，研究能有效提升结构抗震性能的有效措施；建立结构体系的抗震性能水准和性能目标，研究各性能水准结构损伤控制机制，提出基于损伤机制控制的抗震设计理论与方法。研究成果对提升此类新型结构的抗震性能和推广应用具有重要的意义。

本项目瞄准高层建筑研究前沿，通过理论分析、模型试验和数值模拟，对钢管混凝土斜交网格筒混合结构体系的地震损伤机制与设计理论展开深入研究。首先，采用连续化方法，建立了斜交网格筒抗侧力单元的等效连续体模型，基于能量变分原理，提出了水平荷载下结构体系弹性受力性能的分析方法，明确了斜交网格筒结构的剪力滞后效应，建立了水平荷载下框架-斜交网格筒结构分析方法，研究了框架-斜交网格筒的协同工作性能、内力和变形分布规律。其次，研究了钢管混凝土斜柱及其相贯节点在低周往复荷载下的损伤演化、破坏机理、破坏模式和抗震性能，分析了不同因素的影响规律，建立了两类关键构件的承载力计算模型与设计方法。结果表明：钢管混凝土斜柱具有较好的弹塑性变形能力，加载路径、循环次数和材料强度对柱受压方向的性能影响较大；节点受拉刚度退化速率快于受压方向，构造措施和加载制度是影响节点承载力和延性的主要因素，所提出的计算模型和方法具有较好的适用性，可供工程实际参考。再次，提出了钢管混凝土斜交网格筒结构体系精细化空间非线性建模理论与方法，通过结构体系弹塑性地震反应、地震能量反应、相应参数分析，研究了该类结构体系的屈服路径、地震损伤机制、内外筒协同工作性能及其剪力分配规律，结果表明，此类结构体系传力途径明确、空间工作性能好，结构最优屈服顺序为连梁—斜柱—剪力墙。为便于工程应用，建立了此类结构受力层间位移的弹性解析解和弹塑性阶段简化计算方法，分析表明，受力层间位移沿高度方向呈现先增大后减小的趋势。最后，提出了高层斜交网格筒结构的地震需求模型，从损伤角度建立了结构抗震性能水准和性能目标，提出了该类结构基于目标风险反应谱的静力推覆和弹塑性时程分析方法的抗震性能评估理论框架，分析表明，所提方法计算结果精确，可为结构抗震性能评估提供新的思路。项目研究成果对提升此类新型结构的抗震性能和推广应用具有重要的意义。