动力荷载下基于全程耗能机制的钢结构性态与设计方法

动力荷载作用下的安全性始终是结构设计的基本问题之一。本项目以具有功能集成体系特点的多高层钢结构为主要对象，以地震作用下的结构滞回耗能机制为中心，从构件、连接和结构体系3个层面系统研究结构耗能机理、耗能能力评估方法、以及损伤可控条件下有限耗能和极限条件下耗能最大化的设计方法；提出若干构件、连接和体系优化耗能的新概念、新模式。本项目将深入揭示钢结构耗能机理的基本规律，解决若干基础性的结构非线性问题，如钢板组合体塑性局部屈曲的板组相关性能，塑性与屈曲耦合时钢板面内拉压变形和面外挠曲变形的双重耗能机制，节点多组件耗能组合模式，结构要素非线性行为发生的时序、程度和非同步变化对结构系统整体行为的影响，从而发展钢结构耗能设计的基础理论，为地震作用和其他极端动力荷载下结构抵抗局部破坏和倒塌破坏的设计提供更合理的方法，促进建筑钢结构在节能减排、循环经济和可持续发展中的更有效运用。

本项目重点研究地震作用下钢结构体系的滞回耗能能力，将结构体系归纳为构件集承重与耗能功能于一体的“功能集成体系”和承重构件与耗能器件各自行使独立功能的“功能分离体系”。以具有“功能集成体系”特点的钢结构为主要对象，研究其材料、构件、不同构造的连接和结构体系的耗能特性、机理、耗能能力评估方法，获得如下重要结果：（1）首次实现了±10%大应变范围内的应力-应变滞回试验，揭示了在大应变范围内钢材应力-应变采用弹性-强化-塑性关系才能准确进行耗能能力评估；建立了适合大应变范围的钢材应力-应变滞回模型。标定了结构钢材基于微观机制的断裂模型的各项参数，可以追踪钢材直至发生延性断裂为止的全过程行为。（2）研究了钢板组合体弹塑性局部屈曲相互作用的规律，揭示了屈曲与塑性耦合条件下薄板的耗能机制在于面外弯曲造成的鼓曲区域局部耗能。建立了H截面和方管截面考虑板件弹塑性相关屈曲效应的宽厚比限值。建立了薄柔H截面钢构件屈曲后塑性极限承载力的计算方法和双向压弯条件下的极限承载力相关公式，计算精度显著高于欧洲规范。提出了“屈曲铰”概念和条件，验证了薄柔构件钢框架可实现有限延性，可在地震设防区采用耗能设计。研制了两种具有功能集成特点的钢构件：采用角钢部件的可更换区段耗能梁；分段集中耗能且失稳方向可控的柔性支撑。（3）揭示了典型节点的滞回耗能模式与特性，包括外环板对钢管柱节点域产生套箍拉结效应，有利节点域耗能；钢管混凝土柱-钢桁架连接区段耗能具有压弯剪特征；梁贯通式螺栓节点具有多组件耗能特性。提出了能量耗散与延性协同发展的节点设计方法。研究并实现了有效提升薄腹节点域和薄腹梁耗能能力的构造方案，研制了具有超大转动能力和可修复性的铸钢模块元件与节点以及基于形状记忆合金的变形可恢复节点。建立了考虑空间多维性态和滞回劣化特征的典型节点滞回模型。（4）提出了优化的滞回耗能设计应控制不同破坏模式的发生时序即“屈服时序”，提出了结构“损伤核”的概念、其恢复力骨架曲线特征以及实现条件。改进了推覆方法进行“损伤核”结构抗震设计。研制了3种能实现预期“屈服时序”的结构体系：半刚接钢框架和柔性支撑组成的分层装配体系，部分开间集中布置兼有“保险丝”功能的薄柔截面钢梁、结构主体采用高强度钢柱梁的复合框架体系，带竖缝薄钢板剪力墙-钢框架体系，3种体系在大位移下残余变形都较小，具有良好的可恢复性，且损坏构件可更换。