带钢板暗支撑混凝土核心筒恢复力模型与构造形式研究

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核心筒具有较高的抗侧刚度和空间作用,被广泛应用于超高层建筑中。目前,针对核心筒的研究,主要集中在设计参数影响分析、抗震性能优化研究及非线性有限元计算模型等方面,对于恢复力模型以及不同构造形式之间的横向对比研究尚有不足。因此本文基于课题组的前期试验成果,以带钢板暗支撑混凝土核心筒为主要研究对象,以恢复力模型研究及不同构造形式对核心筒抗震性能的影响研究为目的,利用有限元软件Open Sees对其展开了系列研究。主要研究内容如下:(1)基于已有的试验研究,选用合适的单元类型和合理的材料本构关系建立了带钢板暗支撑混凝土核心筒的有限元分析模型。模拟曲线与试验曲线吻合较好,表明了有限元模拟能够较全面的反映出核心筒体在低周往复荷载作用下的抗震性能,验证了有限元模型的有效性。(2)利用有限元模型,分别针对普通带钢板暗支撑混凝土核心筒试件和约束边缘区域配置型钢的带钢板暗支撑混凝土核心筒试件进行了参数分析,确定了影响其抗震性能的主要因素,并在此基础上完成了正交试验模型的设计及各试验方案模型的非线性有限元计算。基于上述计算结果,提出以屈服点、峰值点、极限点为特征点的三折线骨架曲线模型,通过分析和回归给出骨架曲线上各特征点的计算方法以及恢复力曲线的滞回规则。通过与已有试验结果比较表明:建议的恢复力模型考虑了多种影响因素,计算结果既接近工程实际又应用简便,为带钢板暗支撑混凝土核心筒结构进行弹塑性分析提供了理论依据。(3)通过非线性有限元模拟,讨论了约束边缘构件的构造形式对核心筒抗震性能的影响。结果表明,含钢率相同时,约束边缘构件中设置圆钢管比设置型钢对混凝土产生的约束作用强,对筒体的抗震性能有一定的改善作用,但改善程度非常有限且受尺寸效应的影响。同时,含钢率一定时,在核心筒的角部约束边缘构件(角柱)中设置不同构造形式的组合柱,其中方钢管-钢骨混凝土柱对筒体的抗震性能改善作用最为明显,方钢管混凝土柱次之,型钢混凝土柱改善作用最小。且在型钢混凝土柱中,圆钢管的效果最好、方钢管次之、十字型钢最差。(4)通过非线性有限元模拟,探讨了核心筒构件整体的构造形式对其抗震性能的影响。研究表明,含钢率相同时,与普通筒体相比,分别设置叠合柱、型钢加暗支撑、叠合柱加暗支撑的筒体比分别设置型钢、暗支撑、钢桁架的筒体承载力提高更显著;分别设置暗支撑、叠合柱、型钢加暗支撑、叠合柱加暗支撑的筒体比分别设置型钢、钢桁架的筒体的极限位移提高更显著。且随着高宽比增大或轴压比减小,各试件相较普通筒体的承载力和变形能力的提升幅度更高,受力性能得到更充分的发挥,优势更加突出。此外,钢板混凝土核心筒相较普通筒体及型钢混凝土核心筒,其各项抗震性能均得到了显著改善,且在含钢率一定时,将钢板主要配置在筒体底部受力较大的范围内时,对抗震性能的改善作用更为突出。各试件的楼层侧移曲线均呈“弯剪型”,屈服时和破坏时的最大层间位移角均大于“抗规”限值,表明不同构造措施的设置使得筒体的抗震性能更优且安全储备更高。
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