近断层地震作用下高层钢管混凝土框架结构抗震性能研究

地震是危及人类生命财产安全最严重的突发性自然灾害之一。震害及研究表明，位于活动断层附近的高层建筑可能受到来自近断层地震的严重危害，目前抗震设计规范对此考虑还不充分。在对近断层地震特点深入研究的基础上，本项目将进行高层钢管混凝土框架结构的抗震试验研究和理论分析。包括模拟近断层地震作用的钢管混凝土柱反复荷载试验，进行钢管混凝土梁柱节点反复荷载试验，构造并实现梁端-节点区调和耗能机制，以满足近断层地震动的高延性需求。采用精细单元及杆系单元分别对钢管混凝土框架构件及结构进行地震反应分析，对近断层地震动的工程描述方法和基于性能的结构抗震设计理论进行研究。项目构造的科学问题在于近断层地震极端灾害条件下钢管混凝土结构的损伤演化规律及破坏机理，考虑楼板组合作用后构件内力的分配及其对结构延性的影响。在试验研究和理论分析的基础上，完善高层钢管混凝土框架结构基于性能的抗震设计方法。

本项目研究包括以下5方面内容：.（1）建立了钢管混凝土框架壳-实体精细非线性有限元分析模型。有限元模型中引入基于应变的钢梁翼缘断裂准则，能够较好地模拟钢梁翼缘的断裂现象。模型的整体及局部计算结果均与试验结果吻合良好。基于模型进行了参数分析，研究了各种参数变化下钢管混凝土组合框架的抗震性能。.（2）建立端部栓钉加强方钢管混凝土柱分析模型。采用弹簧单元来模拟端部加强栓钉的受力性能。在验证了有限元模型合理性的基础上，分析了不同参数条件下端部栓钉加强方钢管混凝土柱的力学性能。.（3）推导了传统的完全组合梁以及剪滞组合梁理论模型的基本方程，并采用有限元软件Msc.Marc对理论模型进行验证，理论结果与与有限元计算结果吻合良好。然后基于两个理论模型，提出了一种物理意义更为明确的有效翼缘宽度系数的定义，直接用于组合梁的变形计算。参数分析表明，影响有效翼缘宽度系数的关键参数为楼板的宽跨比。在此基础上，提出有效翼缘宽度的计算公式。.（4）根据弹性理论推导了传统的完全组合梁模型滑移组合梁模型的基本方程，并采用有限元方法对理论模型进行验证。参数分析发现，影响组合框架梁刚度折减系数的关键参数为抗剪连接件的剪力连接程度。在此基础上，建议了考虑滑移效应的钢-混凝土框架组合梁折减刚度系数的简化公式。.（5）推导了考虑楼板组合作用的狗骨式节点的理论模型，定义了考虑楼板组合作用后狗骨式节点的弯矩放大系数，对理论模型展开参数分析，分析了楼板尺寸，钢梁尺寸以及材料强度对弯矩放大系数的影响。在参数分析的基础上，提出了弯矩放大系数的设计公式。