浅论带转换层型钢混凝土框架—核心筒混合结构试验与设计研究

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1、中国建筑科学研究院博士学位论文带转换层型钢混凝土框架—核心筒混合结构试验与设计研究姓名：薛彦涛申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：徐培福20070401摘要混合结构是我国高层建筑中首选结构体系之一，2004年底中国已建成的150m及以上的高层建筑中，混合结构占22．3％，200m以上的高层建筑混合结构占43．8％，300m以上的高层建筑中混合结构占66．7％，预计混合结构将成为今后高层及超高层结构的首选结构体系．我国设计规范中有关混合结构的设计方法和抗震措施主要根据试验结果、震害及工程经验制定，由于混合结构的震害案例较少，试验研究尤其

2、重要。国内外混合结构研究包括构件和节点的拟静力试验及振动台试验。国内结合实际工程进行了一些整体结构小比例模型振动台试验和拟静力试验，由于试验模型比例较小和加载的局限．试验结果不能全面反映混合结构的抗震性能，还存在地震作用下的破坏模式，结构楼层剪力分配、按标准设计的混合结构的性能、混合结构中的转换层设计、薄弱层弹塑性位移角限值等问题。为此，本文以框架．核心筒混合结构为对象，进行较大比例模型的拟静力试验研究。本文对框架．核心简混合结构的设计方法进行了综述。针对框架．核心筒混合结构设计，‘高规》进行了较为详细的规定，制定了混合结构规则性，适用高度

3、、高宽比、抗震等级等结构设计的整体要求，明确了框架一核心筒结构混合结构构件的设计方法。混合结构计算采用杆系有限单元法，规程对计算中的一些计算参数的取值方法进行了详细的规定。按规范设计要求，本文进行了一个30层的框架一核心筒混合结构的设计。框架采用型钢混凝土柱和钢粱，核心筒采用内置型钢的混凝土剪力墙，要求达到地震设防烈度8度要求．以上述30层框架一核心筒混合结构为原型结构。进行一个I：10的框架一核心筒混合结构模型拟静力试验。模型材料与原型结构基本相同，采用豆石混凝土模拟原型结构混凝土．强度与弹性模量基本保持一致：原型结构型钢在模型中用等强度

4、的Q235薄钢板焊接制成；原结构钢筋用等强度钢丝替代．为使模型与原型结构达到等应变和等应力状态，按相似关系在模型中均匀施加157吨铁块，应力及应变相似关系达到1．0。侧向水平加载取小震下结构层问剪力的分布形态。‘试验表明：框架一核心筒混合结构最终破坏模式为倾覆破坏，混凝土核心筒根部拉开，框架柱拉断。结构在侧向加载过程中出现裂缝的种类十分丰富。平行加载方向的混凝土核心筒墙肢出现剪弯斜裂缝，并逐渐延伸至受压墙肢，垂直加载方向的墙肢出现受拉水平裂缝；筒体剪力墙连粱出现弯曲裂缝及剪切斜裂缝；型钢混凝土转换梁支座和梁跨中出现弯曲裂缝，支座处有少量斜裂

5、缝出现。下部楼层框架柱柱身出现数道受拉水平裂缝，上部楼层框架柱则出现柱端弯曲裂缝；平行加载方向的框架节点处出现交叉斜裂缝。框架一核心筒混合结构模型表现出良好的抗震承载力。试验中，小震和中震下模型结构基本处于弹性状态，试验最人基底剪力大于罕遇地震下结构弹性基底剪力。框架．核心筒混合结构滞回曲线呈反。S”状，并不饱满，表明结构滞回耗能能力并不强．实则模型阻尼比初始值为3．16％，破坏时为20．81％。试验得到的最大项点位移角为1／50；层问位移角最大1／48，发生在15．20层，虽然位移角较大．但这些层的结构仅出现轻微裂缝：底部l、2层的破坏严

6、重，裂缝较多且宽．1层最大位移角为I／95，2层最大位移角为1／60。结构底部各层的破坏用层间弹塑性位移角限值较合理，而结构上部楼层用层间弹塑性位移角限值作为楼层破坏的标准不合理．本文探讨了高层混合结构静力弹塑性分析方法，采用SAP2000结构分析软件对试验模型的原型结构进行静力弹塑性分析。框架梁，柱采用集中塑性单元．剪力墙采用等效粱组合模型。水平加载分布与试验相同，采用层剪力分布形态。计算获得的顶点位移．基底剪力的骨架曲线与试验骨架曲线在破坏前十分吻合：相应各阶段的结构变形基本一致；小震、中震、大震和最后破坏时的塑性铰分布也与试验结果大致

7、相同。静力弹塑性分析中阻尼的计算方法十分重要，本文根据理想弹塑性滞回曲线计算混合结构进入弹塑性后的附加阻尼方法，并与试验实测滞回曲线计算得到的附加阻尼进行了对比，得出混合结构的附加阻尼比可采用理想弹塑性滞回曲线计算，附加阻尼修正系数应取0．3。根据模拟屈服的双线性方法计算混合结构的延性系数时，取初始刚度与结构骨架线的初始刚度相等，计算得框架一核心简混合结构的延性系数为3．54。从型钢混凝士框架．核心筒框架模犁拟静力试验看，混合结构的延性并不好，因此单靠结构延性未必能达到大震不倒的目标，而基于性能的抗震设计方法是解决这一问题的较好方法。根据。

8、超限审查”的实践经验，高层混合结构可按中震不屈服或中震弹性的性能水准进行抗震设计，本文从地震作用计算的基本原理出发，用大震下结构弹性地震作用除以混合结构延性系数作为结构承载力设计