地震作用下型钢混凝土柱脚破坏机制及设计方法研究

The Column base of steel reinforced concrete(SRC) columns in modern tall buildings is the key component to transfer internal forces from the upper stories to the foundation. The design provisions concerning the column base in China Design Codes of SRC structures are mainly formulated on AIJ Standard for Structural Calculation of Steel Reinforced Concrete Structures（1994）, while the height of modern tall buildings at present in China is much larger than that of Japan and the magnitude of internal forces in the column base is much larger as well. Therefore, there is an urgent need to study on such column bases both in experimental research and in theoretical modeling method to keep up with their rapid applications in tall buildings. In this research program, a series of reversed cyclic loading experiments on seismic behavior of SRC column bases, that is, the embedded, the shallow embedded, and the unembedded column bases, are proposed to be carried out to investigate ultimate capacities of such column bases of different failure modes.At the same time, axial tension, compression and variable axial tension/compression forces are imposed on the SRC columns bases to simulate effect of overturning moment. Such parameters as axial force, size of anchor plate, number of anchor bolts and their development lengths,the reinforced concrete surrounding the anchor plate,and the longitudinal reinforcement ratio are taken into account to evaluate their effects on failure mechanism, plastic deformation capacity and hysteretic energy dissipation capacity. Theoretical ultimate strength models based on limit analysis in concrete plasticity are proposed and design equations are expected with much more accuracy and rational physical background, together with more effective detailing provisions.

型钢混凝土（SRC）柱脚是SRC结构高层建筑底层柱与基础连接的关键部位，承担着有效传递内力、保证结构整体性的重要作用。目前我国组合结构设计规范关于SRC柱脚的设计方法，主要是借鉴日本SRC设计计算规范（1987）方法得到的，没有考虑到我国SRC结构适用高度更高、构件尺度更大、柱脚所承受的内力更大、且内力之间的相对大小也显著不同的突出特点，迫切需要通过系统研究，有针对性地解决我国SRC柱脚设计所面临的诸多技术难题。本课题拟通过结构试验和理论研究的方法，深入系统研究地震作用下不同形式的SRC柱脚(埋入式、半埋入式、非埋入式)的抗震性能。通过在轴压力、轴拉力以及变化轴力下SRC柱脚不同破坏模式的系列抗震性能试验，研究SRC柱脚典型破坏机制、塑性变形能力以及滞回耗能能力特征；运用塑性力学极限分析方法，建立保证柱脚延性抗震设计的极限强度理论计算模型及抗震设计方法。

型钢混凝土（SRC）柱脚是SRC结构高层建筑底层柱与基础连接的关键部位，承担着有效传递内力、保证结构整体性的重要作用。目前我国组合结构设计规范关于SRC柱脚的设计方法，主要是借鉴日本SRC设计计算规范（1987）方法得到的，没有考虑到我国SRC结构适用高度更高、构件尺度更大、柱脚所承受的内力更大、且内力之间的相对大小比例也显著不同的突出特点，迫切需要通过系统研究，有针对性地解决我国SRC柱脚设计所面临的诸多技术难题。本课题通过结构试验和理论研究的方法，深入系统研究地震作用下不同形式的SRC柱脚的抗震性能。通过在轴压力、轴拉力以及变化轴力下SRC柱脚不同破坏模式的系列抗震性能试验，研究SRC柱脚典型破坏机制、塑性变形能力以及滞回耗能能力特征；运用有限元和塑性力学极限分析方法，建立保证柱脚延性抗震设计的极限强度理论计算模型及抗震设计方法。.主要完成的研究内容有：.1. 变化轴力下和轴拉力作用下具有不同形式柱脚的SRC短柱抗震性能试验研究；.2. 轴拉力作用下具有不同形式柱脚的直剪试验研究；.3. 轴拉力作用下具有不同形式柱脚的拉弯试验研究。.4. 拉弯作用下SRC柱脚的非线性有限元分析；.5. 基于极限强度分析的考虑轴拉力的非埋入式柱脚的抗剪强度计算方法。.主要研究结果表明：.1. 对于型钢率为4%的SRC短柱中的非埋入式柱脚，在轴拉力和变轴力作用下，当柱脚中的纵筋与锚栓的面积之和为被截断的型钢截面面积的66.45％，纵筋与锚栓的比例为0.67:0.33时，非埋入式柱脚的抗震性能基本等同于埋入式柱脚。.2. 对试验结果的分析表明：拉剪共同作用下非埋入式柱脚的抗剪强度，我国组合结构设计规范（征求意见稿）和日本SRC规范的预测值均偏低。南宏一建议公式虽然与他自己的试验结果吻合较好，但是在预测本课题组的型钢率为4%及以上的非埋入式柱脚在拉剪作用下的抗剪强度时误差较大。本课题建立的轴拉力作用下抗剪强度计算公式，预测结果与试验值吻合良好。.3. 在拉弯作用下，轴拉比为0.8时，埋深比为0时，即非埋入式柱脚时，其极限承载能力、塑性变形能力和耗能能力均远不及采用埋入式柱脚；此时若埋深比为1时，则其抗震性能基本等同于埋深比为2.5的SRC柱脚抗震性能。.4. 现行的我国组合结构设计规范预测的拉弯作用下非埋入式柱脚的抗弯承载力明显偏低。