可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架抗震性能研究

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可恢复功能的拉索预应力钢框架能够发挥预应力钢结构的优势,在强震发生后具有控制结构损伤,减少或消除残余变形,震后容易修复等优点。本课题对可恢复功能的拉索预应力钢框架结构体系和典型节点进行构造创新,构建适合于高层建筑的可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架和适合大跨度多高层的可恢复功能的拉索预应力装配式中间柱钢框架两种新型结构体系,开展从典型节点、平面结构体系到空间整体结构抗震性能和震后可恢复能力的研究,具体成果如下:  (1)针对高层建筑,提出了可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架和典型梁柱节点构造。该体系在中震或大震后可以自动复位和恢复结构功能,梁柱连接像传统梁柱节点一样的方法进行连接,避免了高空张拉预应力钢绞线,大大降低了施工难度,提高了施工质量和工作效率。  (2)对可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架梁柱节点进行了试验、理论和有限元分析。研究表明:可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架梁柱节点同可恢复功能的拉索预应力钢框架梁柱节点一样具备良好的开口闭合机制,开口处滞回曲线表现为明显的双旗帜模型,节点耗能能力满足要求。对应于生命安全水准(层间位移角为3.5%),主体结构基本保持弹性。对应于防倒塌水准(层间位移角5%),主体结构最大等效塑性应变均没有超过2倍屈服应变。钢绞线最大索力都没有超过其屈服力值,预应力降低控制在10%以内。卸载后残余转角均很小,结构可以实现震后自动复位和恢复结构功能的目标。节点开口处弯矩-转角滞回曲线的理论模型与试验和有限元结果吻合较好,该模型可以应用于可恢复功能的拉索装配式预应力钢框架整体结构的分析和设计中。  (3)对可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架进行的0.75倍缩尺子结构拟动力试验表明:在相当于8度多遇、设防、罕遇和罕遇地震(0.3g)作用下,结构可以实现震后自动复位和恢复结构功能的目标,试验结束后的钢绞线索力降低在8%以内,说明钢绞线、锚具性能和预应力的施加方法是可靠的。这也为罕遇地震后结构能够正常使用及承受密集和较大余震奠定了良好的基础。  (4)在整体结构分析中采用连接单元模拟梁柱节点弯矩-转角双旗帜理论滞回模型,对可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架整体结构进行了模态分析和动力时程分析,并与刚接框架及可恢复功能的拉索预应力钢框架在不同水准地震动下的楼层基底剪力、层间位移角、残余位移角、等效塑性应变以及结构耗能等性能进行对比分析。研究表明:可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架在8度多遇、设防地震作用下均保持弹性,在8度罕遇地震时结构主要依靠阻尼耗能和摩擦阻尼器耗能,非弹性耗能相对较少,减少了主体结构的塑性发展和损伤程度,具有良好的抗震性能和恢复结构功能的能力。可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架在层间位移角控制和减少主体结构塑性性能方面优于可恢复功能的拉索预应力钢框架。  (5)提出了可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架“多遇地震无开口、无损伤,设防地震开口耗能且主体结构无损伤、罕遇地震结构损伤较小且能正常使用“的性能化设计目标,实现了结构“中震后无需修理,大震时既保护生命又保护财产安全,大震后既可修又快修,承受密集和较大余震”的设防目标。同时提出了结构性能化设计准则和设计流程。并通过设计算例验证了该方法的可行性。  (6)提出了适用于大跨度的多高层结构的可恢复功能的拉索预应力装配式中间柱钢框架结构体系和中间柱摩擦阻尼器典型构造。该体系的中间柱可以提供附加刚度,大大减少结构侧移,同时中间柱摩擦阻尼器在中震或大震时提供更大的耗能,减少主体结构的塑性发展和损伤程度,实现结构震后恢复结构的目标。  (7)对可恢复功能的拉索预应力装配式中间柱钢框架进行了两层的子结构拟动力试验和静力推覆试验。试验表明:中间柱摩擦阻尼器大大提高了结构的抗侧刚度,起到了理想的耗能作用。在试验过程中预应力钢绞线为结构提供了良好的复位机制,试验结束后主体结构基本恢复到初始位置,说明该体系具有良好的自动复位和震后恢复结构功能的能力。通过静力推覆试验得到了两层中间柱预应力平面钢框架的层剪力-层位移滞回模型,为进一步研究该体系受力性能打下了基础。  (8)进一步对可恢复功能的拉索预应力装配式中间柱钢框架整体结构进行了模态和动力时程分析,并与不带有中间柱的可恢复功能的拉索预应力钢框架的基底剪力、层间位移角、残余位移角、等效塑性应变及结构耗能等性能进行对比分析。研究表明可恢复功能的拉索预应力装配式中间柱钢框架对层间位移角的控制大大优于可恢复功能的拉索预应力钢框架,摩擦阻尼器对于整体结构耗散地震能量贡献显著。该体系适合应用于较大跨度的高层结构和高震区的建筑中。
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