自复位方钢管混凝土框架-密肋网格钢板剪力墙结构的抗震性能与设计方法研究

This proposal is aimed at self-centering concrete-filled square steel tubular (CFST) frame-multi-ribbed steel plate shear walls (SPSW) is a new type lateral load-resisting system. The system strategically combines the benefits of self-centering CFST frame and multi-ribbed SPSWs technologies to create a robust, ductile and easily repairable system which has the potential to reduce the postevent residual deformation of the structure and life-cycle costs for buildings. This new structural system may be the effective way to attain the target of “repairable under moderate earthquake”..Employing experimental study, numerical simulation and theoretical analysis, the proposed plan focuses on the behavior of the self-centering joint of CFST frame, self-centering frame and the self-centering structural system, the key factors which affect the self-centering capacity and the coordination mechanism, the matching relationship of the strength and stiffness, internal conversion and energy dissipation mechanism between the self-centering CFST frame and the multi-ribbed SPSWs. The mechanical performance and seismic failure mechanism of self-centering CFST frame-multi-ribbed SPSWs are analyzed. Simplified calculation models of this new structural system, seismic force modification factor and the corresponding seismic design methods may be put forward. The results are expected to provide theoretical and experimental basis for the seismic design and to achieve the resilient capability of the building and “repairable under moderate earthquake”.

项目提出一种新型抗侧力结构——自复位方钢管混凝土框架-密肋网格钢板剪力墙，该结构将强度和刚度大、自复位能力强的自复位方钢管混凝土框架与抗侧和耗能能力优异的密肋网格钢板剪力墙结合，以期从根本上解决震后结构残余变形大，难以修复的难题，为实现结构“中震可修”提供方法和途径。.项目拟采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，研究自复位方钢管混凝土框架节点、自复位框架和该新型结构的性能，以及影响其自复位性能的关键因素，探索自复位方钢管混凝土框架与密肋网格钢板剪力墙协同工作时的强度、刚度匹配关系、内力转换机制和耗能机理等关键技术问题，揭示该新型结构受力机制和抗震破坏机理，建立自复位方钢管混凝土框架-密肋网格钢板剪力墙结构简化计算模型，确定地震力调整系数，提出抗震设计方法。研究成果将为该新型结构体系的抗震设计提供理论依据和试验基础，对实现结构可恢复功能和“中震可修”具有重要的理论意义及工程应用价值。

传统的强度-延性抗震设计体系通过控制结构构件的塑性发展满足延性需求，但发生延性破坏的多数建筑结构因永久变形过大而难以修复。近年来，国内外学者提出可恢复功能结构防震理念，自复位结构作为可恢复功能结构的一种形式，通过引入预应力、设置可更换损伤元，实现摇摆机制、自复位机制、耗能机制和可更换机制的有机结合。然而，现有自复位结构普遍存在难以满足结构空间变形、节点构造复杂、损伤元产生较大卸载抗力、现场施工难度大、框架扩展效应、复位机制对楼板产生不利影响等问题与不足。.针对自复位结构的特点和存在的问题，本项目基于前期方钢管混凝土框架-钢板墙研究成果，以钢管混凝土构件为竖向受力构件，以梁柱节点、柱脚节点、框架结构、钢板墙结构为研究维度，以实现优异的抗震性能和可恢复功能特性为研究目标，形成了带楔形装置的自复位梁柱节点、带开槽耗能板的自复位梁柱节点、外张拉式自复位方钢管混凝土柱脚、带耗能钢板的自复位方钢管混凝土框架、带开槽耗能板的自复位方钢管混凝土框架、自复位方钢管混凝土框架内置薄钢板墙、自复位钢板墙结构体系等成果。.采用试验研究、数值分析及理论研究相结合的方式，对其关键技术、抗震机理和设计方法开展研究。对上述自复位节点、框架及框架-钢板墙进行拟静力试验，研究其抗震性能、自复位性能、承载能力、受力机理及破坏机制；采用有限元软件ABAQUS对试验试件进行数值模拟分析，对比试验与有限元得到的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、钢绞线应力变化等指标，验证有限元模拟的正确性；采用有限元软件ABAQUS进行参数分析，进一步明确不同参数对其抗震性能及自复位性能的影响规律；结合试验研究和有限元分析，对其受力性能进行理论分析，提出自复位节点、框架及框架-钢板墙的的设计方法。研究成果为我国抗震结构的可修复设计提供了解决思路，并为“韧性城市”理念的实践创造新的可能。