高层建筑混合结构三向地震作用下的损伤演化和破坏机理研究

紧密结合工程实际，采用理论分析、模型试验和数值模拟等手段，着眼于新型抗震构件研发，研究新型型钢混凝土组合柱、带翼缘剪力墙、钢-混凝土组合连梁等构件在低周反复加载下的损伤演化、滞回性能和破坏机理，提出各类构件不同损伤状态下的定性描述和量化指标，建立其失效破坏准则和非线性损伤本构模型。研究双向水平与三向地震输入对高层结构地震反应的影响，建立其地震效应的组合方法。建立梁、柱等构件的耦合型集中耗散单元模型和剪力墙考虑弯曲、剪切耦合影响的改进多竖线单元模型，提出高层混合结构三向地震作用下非线性反应的快速建模理论和方法，建立相应的模拟分析平台。研究三向地震作用下混合结构各楼层、各构件间的能量传递、分布、累积、转化和耗散规律，建立能量反应与传统的地震反应和损伤之间的关系，研究竖向地震动输入特性和双向水平地震动输入工况对结构损伤演化和破坏机理的影响，揭示三向地震作用下高层混合结构的损伤演化规律和破坏机理。

本项目紧密结合工程实际，通过新型型钢-混凝土组合柱、带翼缘混凝土剪力墙、钢板-混凝土组合连梁、混合联肢墙等构件在双向低周反复加载下的试验和数值模拟，研究了各类构件的滞回性能、破坏形态、损伤演化、破坏机理、承载力、变形和延性、刚度、耗能能力等。分析了型钢混凝土组合柱配钢形式、双向耦合作用、轴压比、加载路径、循环次数、位移幅值增量及变轴力等因素对抗震性能的影响。分析了T形和L形截面带翼缘剪力墙边缘构件尺寸和配筋、轴压比、配筋率、加载形式等对抗震性能的影响，重点研究了其剪力滞后现象。推导了弹性阶段有效翼缘宽度的解析解，提出了不同工况下RC带翼缘剪力墙有效翼缘宽度的取值。研究了小跨高比钢板-混凝土组合连梁的抗震性能，采用粒子图像测速技术对连梁的变形性能进行了精确地量测。建立了小跨高比PRC连梁基于软化拉-压杆模型的受剪承载力模型和计算方法。提出了高烈度抗震设防区混合联肢剪力墙合理耦联率的取值范围，研究了PRC连梁-混合联肢剪力墙的性能水平和量化指标，提出了混合联肢剪力墙基于性能的抗震设计方法。提出了高层建筑混合结构三向地震作用下的计算模型和方法，以及地震波输入的选波原则，研究了水平地震入射角和竖向地震分量对结构地震反应的影响以及地震效应的组合方法。研究了剪力墙多垂杆模型、纤维模型、薄膜元理论模型的模型机理、适用范围、模拟性能等，确定了宏观模型的适用范围和有关参数取值。基于宏观力学模型和Perform-3D软件，建立了三向地震作用下高层建筑混合结构弹塑性动力反应分析的建模理论和方法，研究了高层混合结构三向地震作用下的损伤演化和破坏机理，以及双向水平及竖向地震对结构弹塑性性能和破坏机理的影响。通过型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构双向和三向地震作用下的弹塑性时程分析，研究了框架、混凝土核心筒等构件内力的分布规律，分析了三向地震对内力分配和变形的影响。提出了单自由度体系及单质点双自由度体系弹塑性总输入能量谱，研究了高层建筑混合结构滞回耗能在各类构件沿水平方向及高度方向上的能量分布、累积和耗散分布规律；研究了核心筒高宽比、刚度特征值及地震动参数对框架-核心筒结构滞回耗能分布规律的影响，提出了各类构件滞回耗能的计算方法。研究了框架-核心筒结构的合理损伤模式，给出了控制合理损伤模式的结构设计建议。本项目研究成果对工程实际具有重要的参考价值。