强震作用下高层巨型组合框架结构塑性铰形成机制及发展规律研究

Mega composite structure systems have been widely used in high rise buildings in China. Compared to other structures, this type of structural systems has a larger cross-section with less weight. However, the study on the formation and development of their plastic hinges under severe earthquake actions is still very limited. Previously, quasi-static tests on composite components and connections and shaking table tests on high-rise mega composite structures were conducted. On this basis, the proposed project will study further the yield and failure mechanisms of high-rise mega composite components, connections, and systems under severe earthquakes analytically. The elasto-plastic restoring model for the mega composite structural member, based on the section level, will be proposed and a simulation technique for the total failure of the composite component will be presented. In addition, an improved calculation method for the range of the plastic hinge of the mega composite structure will be proposed. To better analyze the whole failure process, a simplified nonlinear finite element model for mega composite frame structures will be proposed. The formation and development of the plastic hinge mechanisms of the mega composite structure system will be studied aiming to explore the correlation and influence factors of the yield, damage, and failure among the giant composite members, connections, and the primary and secondary frame systems. The research results will serve a theoretical basis and provide technical guides for applications of mega composite structures.

具有良好受力性能的巨型组合框架结构体系在高层建筑中具有广阔的应用前景，目前国内外对高层巨型组合框架结构体系在强震作用下的塑性铰形成机制及发展规律研究尚不成熟，诸多关键科学问题亟待解决。本项目将基于组合构件和主次连接节点拟静力试验和组合框架结构体系振动台模型试验，采用理论分析与试验研究和数值模拟相结合的方法开展强震作用下高层巨型组合构件、节点及体系的屈服及失效机理研究；建立基于截面层次的巨型组合结构构件的弹塑性恢复力模型，实现组合构件的全过程失效破坏仿真分析；提出改进的巨型组合结构塑性铰长度计算方法，探讨适合于巨型组合框架结构全过程分析的非线性简化单元模型，并将其有效地应用于有限元分析；揭示巨型组合框架结构体系的塑性铰形成发展机制，探明巨型组合结构节点和主次框架体系之间屈服、损伤及失效的相关关系及影响因素。研究成果将为高层巨型组合框架结构在实际工程中的应用提供理论依据和技术支持。

具有良好受力性能的巨型组合框架结构体系在高层建筑中具有广阔的应用前景，目前国内外对高层巨型组合框架结构体系在强震作用下的塑性铰形成机制及发展规律研究尚不成熟，诸多关键科学问题亟待解决。本项目基于组合构件和主次连接节点拟静力试验和组合框架结构体系振动台模型试验，采用理论分析与试验研究和数值模拟相结合的方法开展了强震作用下高层巨型组合构件、节点及体系的屈服及失效机理研究；补充开展了巨型组合构件钢管混凝土柱的水平低周往复荷载试验，确定其在水平荷载作用下的截面应变特点及破坏模式等。结合试验结果，揭示了相关截面参数如轴压比、长细比和钢管壁厚等因素对方钢管混凝土柱的破坏形态和耗能能力的影响规律。基于试验结果，进一步对其在水平荷载作用下的荷载-位移滞回曲线及相应的骨架曲线等进行分析，探明其刚度退化、强度退化及耗能能力的影响因素及其影响规律。通过对能量系数和耗能因子的修正，在传统双参数地震损伤模型基础上建立了适用于巨型组合结构体系中钢管混凝土格构柱考虑位移损伤和能量损伤的修正后双参数地震损伤模型。在试验分析基础上，对经典的Park-Ang损伤模型进行了修正，提出了适用于四肢钢管混凝土格构柱的损伤指数和耗能因子计算公式；并根据试验现象和各阶段特征，选取了经典的Park-Ang损伤模型、基于能量的损伤模型和改进的Park-Ang模型进行了对比研究。结果表明：改进的Park-Ang模型能较好的判断四肢钢管混凝土格构柱的损伤程度，且通过损伤值可将构件损伤划分为是否可修、不可修但未破坏和不可修且将破坏三个阶段，并以损伤值0.4作为划分试件是否可修的界限。在试验研究和理论分析的基础上，考虑卸载刚度退化规律和滞回规律提出了三折线骨架曲线模型，并建立了四肢钢管混凝土格构柱的恢复力模型。在缩尺模型振动台试验基础上，建立了有效的巨型组合结构体系有限元分析模型，进行了巨型组合框架结构屈服后的试验对比验证，结合理论分析对巨型组合框架结构体系在地震作用下的屈服、损伤及失效破坏进行全过程参数分析。研究成果将为高层巨型组合框架结构在实际工程中的应用提供理论依据和技术支持。