高层组合结构体系精细化地震灾变模拟的高效模型研究

Due to the superior comprehensive performance, the steel-concrete composite structural system has become one of the most competitive structural systems for high-rise buildings in China. As a typical structural type most widely used in high-rise composite structural systems, the composite frame-core wall structural system demonstrates complex failure mechanism in strong earthquake, and the elaborate seismic catastrophe simulation of this structural system is quite significant for the intensive understanding of its performance characteristics and the improvement of its design methods. The slab composite effect and the hysteretic energy dissipation of coupling beams are the most critical behaviors for composite frame and core wall, respectively, and thus should be focused on in the elaborate seismic catastrophe simulation. However, when the conventional models are adopted to model these two critical behaviors in the nonlinear analysis of high-rise composite structural systems, the numerical efficiency is low, the numerical precision is limited, and the numerical results are not convenient for routine engineering judgment. In order to improve these deficiencies, this research program will firstly propose a modified fiber model and a shear spring model to efficiently simulate the out-of-plane and in-plane slab composite effect, respectively, and a modified fiber model to efficiently simulate different types of coupling beams subjected to combined moment and shear based on large amounts of experimental data. Then, through the integrated study and program development, the efficient model for elaborate seismic catastrophe simulation of high-rise composite structural systems can be realized. This proposed model will be used to intensively reveal the whole-process failure mechanism of high-rise composite structural system in strong earthquake, and to provide important basis for improving the dual-defense seismic design method of this structural system.

钢-混凝土组合结构体系综合性能优越，目前已成为我国高层建筑中最具竞争力的结构类型之一。组合框架-核心筒结构作为高层组合结构体系中应用最广泛的典型结构形式，在强震作用下破坏机制复杂，对该类结构体系开展精细化地震灾变模拟对于深入掌握其性能特征并完善相关设计方法具有重要意义。"楼板组合作用"和"连梁滞回耗能"是组合框架和核心筒各自最关键的受力特征，也是高层组合结构体系精细化地震灾变模拟的重点和难点，传统模型存在计算效率低、计算精度有限、计算结果不便于工程判断等不足。本项目基于大量试验结果分别建立考虑楼板面外和面内组合作用的改进纤维模型和剪切弹簧模型，以及适用于不同构造类型连梁考虑弯-剪耦合作用的改进纤维模型，并通过集成研究和软件开发，实现高层组合结构体系精细化地震灾变模拟的高效模型。应用该模型深入揭示高层组合结构体系在强震作用下的全过程破坏机理，为完善该类体系的二道防线抗震设计方法提供重要依据。

组合框架-核心筒结构作为高层组合结构体系中应用最广泛的典型结构形式，在强震作用下破坏机制复杂，对该类结构体系开展精细化地震灾变模拟对于深入掌握其性能特征并完善相关设计方法具有重要意义。本项目重点对“楼板组合作用”和“连梁滞回耗能”精细化模拟的高效数值模型开展了深入研究，并在此基础上进一步开发了适用于高层组合结构体系精细化地震灾变模拟的高效模型和软件平台，揭示了高层组合结构体系在强震作用下的全过程破坏机理。项目主要完成的研究工作和取得的研究成果包括：（1）建立了基于极限弯矩等效的组合框架梁有效宽度计算公式和基于刚度等效的组合框架梁刚度放大系数计算公式，通过修正传统纤维模型的材料单轴本构关系，提出了考虑楼板组合作用的组合框架梁纤维模型；（2）将传统的考虑压弯非线性的纤维模型和考虑剪切非线性的宏观模型相结合，开发了考虑剪切和滑移非线性的钢筋混凝土连梁纤维模型，将单轴纤维本构拓展到二维纤维本构，提出了考虑翼缘剪切非线性贡献的钢连梁纤维模型，上述两种连梁模型成功应用于联肢剪力墙结构体系的精细化高效模拟；（3）建立了组合框架-核心筒体系抗震性能高效分析方法，开发了高层组合结构体系地震灾变模拟平台，提出了组合结构框架-核心筒体系抗侧刚度计算方法，揭示了高层组合结构框架-核心筒的地震灾变机理，对该类体系的二道防线抗震设计提出了改进建议。本项目提出了一系列新型模型和设计计算方法，并在此基础上开发了组合结构体系非线性分析软件平台，为解决大型复杂结构的抗震设计难题、提升结构设计综合品质提供了强有力的手段，同时也为结构体系层面的研究提供重要工具。项目研究成果共发表学术研究论文22篇，被国家行业标准JGJ138-2016《组合结构设计规范》采纳，在3项工程项目中得到应用，项目研究过程还培养了青年学术带头人1人和博士研究生2人。