强震作用下组合框架楼板考虑面外组合作用的面内非线性行为研究

The slab is one of the most complex structural components in a frame structure, and is always difficult to accurately simulate. When the frame is subjected to earthquake, the evident coupling of the out-of-plane composite effect and the in-plane effect exists in the slab. Due to the lack of appropriate computational models, the out-of-plane composite effect and the in-plane effect are usually decoupled, and the assumption of infinite slab in-plane stiffness is also introduced in the current routine design practice. However, these simplifications are only suitable for simple regular structures, while may result in significant errors and unsafe design results for complex structural systems. The steel-concrete composite structure is more competitive than conventional types of structures when applied to complex structural systems, and thus the problem resulted from the simplification of the slab model will certainly be more critical. Therefore, the complex mechanism and the elaborate efficient modeling of the slab has become one of the key scientific problems closely related to the application of composite structures in complex structural systems. In the above-mentioned background, this project will focus on the slab behavior in a composite frame, which is the most basic type of composite structures, under strong earthquake. Much attention will be paid to the influence of the out-of-plane composite effect on the in-plane nonlinear behavior of slab. Efficient numerical models and design methods accurately reflecting the slab in-plane nonlinear behavior coupled with the out-of-plane composite effect will be finally proposed.

楼板是框架结构中受力机制最为复杂的构件之一，一直以来是结构精细化模拟的难点。在水平地震作用下，楼板面外组合作用与面内作用相耦合，受限于计算模型的匮乏，目前在工程设计中常对面外组合作用和面内作用进行简单解耦，并引入楼板面内无穷刚性的近似假定。然而，这一简化只适用于简单规则结构，对于复杂结构体系将可能引起不可忽略的计算误差和不安全的设计结果。相比传统结构形式，钢-混凝土组合结构应用于复杂结构体系中的优势更为显著，楼板模型的简化所导致的问题势必更为突出。因此，楼板的复杂受力机理及其精细化高效模拟方法将成为制约组合结构在复杂结构体系中推广应用的关键科学难题之一。在这一背景下，本项目重点关注强震作用下组合框架这一组合结构中最基本形式的楼板受力行为，着重探索楼板面外组合作用对面内非线性行为的影响机制，最终提出可准确反映楼板面外组合作用影响下楼板面内非线性行为的高效数值模型和设计计算方法。

组合结构可充分发挥钢与混凝土的各自优势，扬长避短，可为解决复杂结构体系的特殊设计施工难题提供新的选择。相比传统结构形式，组合结构应用于复杂结构体系中的优势更为显著，楼板面内模型的简化所导致的问题势必更为突出，因此，楼板的复杂受力机理及其精细化高效模拟方法将成为制约组合结构在复杂结构体系中推广应用的关键科学难题之一。在这一背景下，本项目重点关注强震作用下组合框架这一组合结构中最基本形式的楼板受力行为，着重研究面外组合作用对面内非线性行为的影响机制，最终提出可准确反映楼板复杂力学行为的高效模型和设计方法。项目主要完成的研究工作和取得的研究成果包括：（1）组合框架楼盖区格考虑面外加载的面内性能机理试验研究。设计了实现楼盖区格面内与面外耦合加载的试验加载装置与试验方案。进行一组3个大比例组合框架楼盖区格子结构试验，包括一个纯面内往复加载试验和两个面外往复加载后负弯矩作用下的面内加载试验。（2）开发了组合框架楼板考虑面外组合作用的面内高效计算模型。建立了不考虑面内变形效应的简化楼板模型集成和考虑面内变形效应和面内外作用耦合效应的新型高效楼板模型。其中高效楼板模型基于多垂直杆元模型，建议了一个经过标定的面内宏观剪切本构，并提出了面外作用下钢筋层应变对面内宏观剪切本构的影响。（3）研究了不同楼板面内模型对组合结构体系强震响应预测结果的影响。应用了所开发的精细模型和宏观模型，开展了简化楼板模型在面内变形效应不显著的规则体系中的应用和新型高效楼板模型在带狭长楼板和端部剪力墙的不规则体系中的应用。本项目提出了一系列新型模型，并在此基础上进一步完善了已有的组合结构体系非线性分析软件平台，为解决大型复杂结构的抗震设计难题、提升结构设计综合品质提供了强有力的手段，同时也为结构体系层面的研究提供重要工具。项目研究成果共发表论文13篇，项目研究过程还培养了博士研究生1人，硕士研究生1人。