基于应力监测的异形钢管混凝土柱框架-RC核心筒混合结构抗震性能及失效机理研究

Taking the failure mechanism under seismic action of concrete-filled special-section steel tubular columns frame-RC core hybrid structure under seismic action as a primary clue for research, this project plans to conduct a pseudo-dynamic test of concrete-filled special-section steel tubular columns, joints and structure, using smart aggregate to monitor time-varying stress of concrete in key part of structure. Based on monitoring results, the mathematical model will be established between time-varying stress and components' performance degradation. Then a plastic damage model of core concrete, failure criterion and restoring force model will be presented based on stress monitoring. A finite element analysis model will be established on concrete-filled special-section steel tubular columns frame-RC core hybrid structures applying the proposed plastic damage model of core concrete and failure criterion based on measured stress in ABAQUS software, and the main factors affecting the seismic performance of the hybrid structure will be analyzed. The structural performance degeneration rule and the failure mechanism under earthquake disaster of concrete-filled special-section steel tubular columns frame-RC core hybrid structures will be revealed combining experimental and numerical analysis results, which lay the foundation of improving the calculation theory and design specification.

本项目拟以异形钢管混凝土柱框架-RC核心筒混合结构在地震作用下结构灾变失效机理为研究主线，采用智能骨料监测结构关键部位混凝土时变应力，进行异形钢管混凝土构件、节点与结构拟动力试验。根据试验监测结果，建立实测时变应力与结构性能退化关系模型，提出基于应力监测的核心混凝土塑性损伤模型、破坏准则和恢复力模型。利用ABAQUS软件嵌入基于实测应力的混凝土塑性损伤模型和破坏准则，建立异形钢管混凝土柱框架-RC核心筒混合结构地震灾变失效全过程有限元分析模型，对影响结构抗震性能的主要因素进行灵敏度分析。结合试验和数值分析结果，揭示异形钢管混凝土柱框架-RC核心筒混合结构性能退化规律和地震灾变失效机理，为完善相关计算理论和设计规范奠定基础。

异形钢管混凝土框架-RC 核心筒混合结构体系具有优良的抗震性能和合理的协同工作机制，既能增加结构体系的抗震防线，又能减小柱截面尺寸，提高空间利用率，满足高层建筑独特的造型需要。在地震作用下，异形钢管混凝土结构体系协调受力机理、关键结构构件和部位受力复杂，通过监测结构局部时变应力，获取局部损伤信息，从材料和结构层次分析结构体系的破坏形态，构建动力损伤模型，揭示结构的性能演化规律和失效机理，对提高异形钢管混凝土框架-RC 核心筒混合结构抗震减灾能力具有重要意义。本项目将压电智能骨料作为传感器，采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，对核心混凝土的时变应力进行监测，分析结构损伤过程和灾变机理。本项目取得的主要成果如下：1）使用基于压电的主动传感法对木结构损伤、木材含水率检测进行试验研究，为压电智能骨料结构损伤监测奠定了研究基础。2）采用机电阻抗法进行木结构含水率变化和土壤冻融循环过程监测试验研究，为掌握压电陶瓷传感器监测结构损伤的性能和试验方法奠定了研究基础。3）利用压电智能骨料作为传感器，对木结构柱和异形钢管混凝土结构在荷载作用下的时变应力和损伤识别监测进行模型试验，验证了利用压电智能骨料监测结构时变应力和损伤识别的可行性。4）基于试验结果，考虑材料非线性、核心混凝土的损伤退化特性，以及钢管和核心混凝土之间的相互作用的影响，建立了异形钢管混凝土柱、节点和框架结构地震灾变全过程的精细化数值模型，确定了影响结构性能退化的主要参数，为分析异形钢管混凝土结构性能演化规律提供依据。5）结合试验和数模结果，分析了核心混凝土时变应力与结构强度、刚度退化的规律，建立了核心混凝土动力塑性损伤模型，考虑性能退化、损伤累积效应等因素建立了异形钢管混凝土柱结构地震破坏准则和结构恢复力模型，项目完成了预定工作，并有适当拓展，在国际重要学术期刊发表论文25篇，培养多名硕士研究生，项目研究成果在国内外产生一定影响。