新型防屈曲支撑钢框架结构抗地震倒塌分析与设计

研制开发具有自主知识产权的新型防屈曲支撑，确定新型的截面组成方式和构造措施，使其满足构造形式合理、加工制作简便、性能优良的要求，并对其抗震性能进行深入的理论与试验研究。结合汶川地震的震害调查数据，运用模态Pushover和Pushdown，IDA和竖向IDA等分析技术综合考虑结构在地震作用下的侧向增量倒塌失效模式和竖向连续倒塌失效模式。研究确定新型防屈曲支撑钢框架抗地震倒塌最为合理的结构形式、构件刚度匹配原则和支撑布置方式，并给出新型防屈曲支撑提高钢框架结构抗地震倒塌能力的定量化指标。采用能力谱法和动力能力谱法研究完整结构基于整体位移设计表达式的抗侧向增量倒塌设计方法，并研究损伤结构基于整体承载力设计表达式的抗竖向连续倒塌设计方法，给出提高结构抗倒塌能力的概念设计准则和抗震构造措施建议，从而为汶川地震后的建筑抗震设计规范修订提供理论依据和决策支持，并推动工程实际应用。

对新型十字形、工字形非屈服段防屈曲的滞回性能进行了试验研究和有限元分析，结合研究结果和试件的破坏特征，提出了设计建议。认为工字形截面无约束段可以解决十字形截面抗弯能力较弱、容易发生屈曲失稳的缺点。新型防屈曲支撑滞回性能稳定饱满，无粘结材料有效消除了拉压承载力不平衡，支撑耗能能力强，最大延性和累计延性均满足要求。两层单跨防屈曲支撑框架结构的拟静力试验标明其具有良好的抗震性能和抗倒塌性能。结构构件的屈服和破坏直至倒塌失效遵循着防屈曲支撑—梁—柱的顺序，属于支撑梁铰破坏机制，防屈曲支撑起到了保护主体结构的作用。框架结构安装防屈曲支撑后，结构的抗侧刚度、极限承载力和耗散能力可以显著提高，并且具有良好的延性、稳定的后期刚度和承载能力。我国现行的建筑结构设计规范在整体结构的安全性考虑上有所缺失,也没有考虑结构受损后的连续倒塌失效模式，没有提供相应的结构抗连续倒塌设计方法。本项目通过静力Pushover分析和时程分析，得到了防屈曲支撑与钢框架结构的合理刚度和强度匹配原则，确定了防屈曲的最优布置方式和布置原则，并获得了结构体系的塑性铰形成机制与发展规律。并认为在地震作用下，防屈曲支撑在钢框架结构中发挥耗能减振机理作用。研究了防屈曲支撑对实现钢框架结构整体协同受力及整体屈服机制，通过防屈曲支撑钢框架与纯钢框架结构的整体超强系数Rs与整体延性折减系数Rμ的对比，确定了防屈曲支撑提高钢框架结构整体稳定性、抗震承载能力、塑性变形能力（整体延性）和抗地震倒塌能力的作用。运用Pushdown分析和IDA技术，研究了完整结构以及防屈曲支撑和柱破坏后的损伤结构在地震作用下的侧向增量倒塌和竖向连续倒塌失效模式和性能点。基于冗余性系数RR明确了结构局部损伤的发生对结构抵抗倒塌能力的影响。确定了地震反应修正系数R=RsRμRR，从而实现基于结构整体承载力的抗地震连续倒塌设计方法。采用能力谱法和动力能力谱法确定结构局部受损前后“性能点”对应的地震反应修正系数的需求值，从而基于“能力需求比”实现结构的抗倒塌性能评定与设计。研究成果为相关设计规范修订提供了理论依据和技术支持，并可推动防屈曲支撑钢框架结构工程实际应用。