钢-混凝土组合框架结构地震灾变宏观数值模拟与倒塌机理研究

Seismic behaviors of steel-concrete composite structures are gaining widespread research. Seismic simulation of the composite structural systems by means of the traditional numerical methods consumes huge modeling work and computation because of the complexity and the huge scale of the composite structures. This project aims to explore a computationally efficient macro modeling scheme to simulate the seismic behaviors of steel-concrete composite frames, and to research the damage and collapse mechanism of composite frames. The development of the macro model will be guided by the characterization of the transfer of forces between the typical composite beams, columns, and joints and the failure mechanism of the structural members. The constitutive model including hysteresis behaviors, and the failure criterion of the material and members will be studied in order to simulate the whole process of damage evolution and spread, failure of partial structure, and collapse of the entire structure system efficiently and reliably. The new collapse criterion of the composite frames will be set up according to damage estimate system. Based on the macro model, failure path, collapse mode, and collapse mechanism of composite frames under severe earthquake will be explored by means of the Incremental Dynamic Analysis with the consideration of the influence of earthquake characteristics on the composite frames and the resistance to collapse will be quantized by Collapse Margin Ratio. In hence the suggestions for collapse prevention design will be proposed.

钢-混凝土组合结构的抗震性能受到了工程研究领域的广泛关注。由于实际工程中组合结构的复杂性、大体量，采用传统数值模拟方法对结构整体进行地震灾变反应分析往往使得建模与计算量巨大。本项目旨在建立高效的钢-混凝土组合框架结构地震灾变全过程的数值模拟技术，研究组合框架结构的地震损伤与倒塌机理。根据地震作用下典型组合梁柱构件和组合节点的作用机理与失效机制建立宏观尺度的数值模型，研究材料与构件的本构关系、损伤滞回模型，建立构件失效破坏判定准则，实现对组合结构从损伤演化扩展、局部结构破坏至结构整体倒塌全过程高效、可靠的数值模拟。继而，基于增量动力分析法，考虑结构特性与地震动特性相互影响，采用宏观数值模拟技术研究组合框架在强震倒塌过程中的失效路径传递与变化规律，揭示结构地震倒塌机理，基于损伤评价体系建立结构的倒塌判定准则，并研究采用抗倒塌冗余系数量化结构的抗倒塌能力，为组合框架结构抗倒塌设计提供理论基础。

随着钢-混凝土组合结构的应用趋于广泛，组合结构的抗震分析受到了工程研究领域的广泛关注。由于实际工程中组合结构的复杂性、大体量，采用传统的数值模拟方法对组合结构整体进行地震灾变反应分析往往使得建模与计算量巨大。本项目建立了高效的钢-混凝土组合框架结构的宏观有限元数值模拟技术，研究组合框架结构的地震损伤与灾变过程。根据往复大变形作用下钢-混凝土组合梁、钢管混凝土柱构件以及梁柱组合节点的作用机理与失效机制，建立了组合梁柱及节点宏观尺度的数值模型，研究了宏观单元及模块中材料与构件的本构关系、损伤滞回模型及其确定方法，并建立相应的失效破坏判定准则，实现对组合结构损伤演化发展至结构破坏的高效、可靠的数值模拟；为获得组合框架结构灾变过程的性态变化，建立了以应变为指标的损伤评价体系，采用静力弹塑性分析方法，获得结构构件弹性-开裂-屈服-弹塑性-承载力下降的全过程，得到梁、柱端出现塑性铰的先后顺序、塑性铰的分布和结构的薄弱环节，从而获得结构的倒塌破坏模式；针对结构的薄弱环节，改变结构参数，优化了结构的抗震性能。为保障采用组合结构体系的建筑结构的安全建设和维护提供了理论与技术支撑，具有重要的理论意义和应用价值。