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用后张预应力将梁与柱装配成框架或梁与墙装配成剪力墙的无粘结后张预应力装配混凝土结构,除具有普通预制混凝土结构的施工速度快、环境污染小、质量有保证、耐久性能好等优势外,还有以下几个特点:(1)易于实现梁铰耗能机制;(2)易于评估地震造成的结构损伤;(3)恢复性能好,残余变形小,易于修复。无粘结后张预应力装配混凝土结构具有广阔的发展应用前景,但国内对其抗震能力和设计方法的研究并不多。因此,有必要对其进行深入的探讨和研究,以促进其在我国抗震设防区的应用和发展。
采用试验与理论分析相结合,本文详细研究无粘结后张预应力装配混凝土框架节点和短肢剪力墙结构的抗震能力,并探讨这两种结构的抗震分析和设计方法。论文主要内容如下。
1.回顾和分析了与无粘结后张预应力装配混凝土框架节点和短肢剪力墙结构研究相关的国内外研究成果。全面介绍了PRESSS(预制装配式抗震结构体系)研究计划的全过程。
2.分别采用两种数值分析方法(简化理论分析方法和更精确的二维弹塑性有限元分析程序DRAIN-2DX)模拟无粘结后张预应力装配混凝土框架节点在侧向荷载下的力—变形性能。根据装配梁的变形协调,建立了在单调侧向荷载下的梁的弯矩—转角关系。评估了后张无粘结预应力筋的有效预应力这一重要的结构设计参数对无粘结后张预应力装配混凝土框架节点的抗震性能的影响。分析结果表明:随着预应力筋的有效预应力值的增大,承载力和刚度提高明显,但梁端转角变形和相应的楼层结构位移变形降低。因此,结构设计时,合理选择结构的后张预应力筋的有效应力值等设计参数可以设计出更好的侧向荷载下的结构性能。由于采用延性的干连接,设计合理的无粘结后张预应力装配混凝土框架结构在罕遇地震作用下仅仅梁端有些破坏。
3.完成了三个1/2缩尺比例的无粘结后张预应力装配混凝土框架中节点的低周往复拟静力水平加载试验。三个框架中节点试件用来对比研究梁端设置材料阻尼混凝土段的梁柱节点在水平地震作用下的受力变形性能。试验结果显示:滞回特性,自我恢复原状能力,刚度退化情况,核心区抗剪强度等。设计合理的无粘结后张预应力装配混凝土框架结构具有较强的变形恢复能力。试验结果验证了无粘结后张预应力装配混凝土框架中节点的两种数值分析方法的准确性。
4.提出了无粘结后张预应力装配短肢联肢剪力墙的设计模型并确定新型剪力墙的设计方法。利用非线性有限元软件DRAIN-2DX中的纤维梁柱单元、桁架单元、连接单元建立了后张无粘结预应力装配短肢联肢剪力墙的非线性有限元模型。利用建立的非线性有限元模型及能力谱法评估了新型剪力墙抗侧能力。研究了预应力筋的有效预应力值、墙肢截面高度等设计参数对后张无粘结预应力装配短肢联肢剪力墙抗侧性能的影响。分析结果表明增加肢长、预应力筋的有效预应力值不仅可以大幅提高后张无粘结装配短肢联肢剪力墙的刚度及承载力,同时可以有效的降低顶点目标位移及其所对应的薄弱层的层间位移角。因此,合理选择设计参数可以有效的改善结构的抗侧能力。合理设计的后张无粘结预应力装配式短肢联肢剪力墙,在罕遇地震作用下,少量损伤只出现连梁端部、墙肢连接部位,而连梁因采用干性连接,震后也较易进行修复。
5.进行了两片2层1/二2缩尺的对称双肢预应力装配短肢剪力墙的低周往复拟静力水平加载试验。两片剪力墙试件用来对比研究墙肢截面高度即墙肢高厚比不同的抗侧性能。试验结果表明了后张无粘结预应力装配联肢短肢剪力墙在地震作用下塑性变形主要出现在预制连梁与墙肢的连接部位,从而有利用于震后修复;在预应力作用下,卸载后,结构残余变形小,具有良好的“自恢复”能力;随着控制位移的增大,卸载时由于预应力筋回弹作用捏缩快,滞回环由尖梭形向S形发展,包络的面积较小。试验结果同时也验证了DRAIN-2DX建立的后张无粘结预应力装配短肢剪力墙的非线性有限元模型的准确性。增加墙肢截面高度,能量耗散系数提高明显。
6.介绍了基于位移抗震设计方法的各自特点。采用合理的假定,推导了后张无粘结预应力装配短肢剪力墙的直接基于位移的抗震设计方法。对装配混凝土梁截面的弯矩—转角关系受力全过程进行了理论分析,根据截面的受力平衡条件,推导了弯矩—转角关系骨架曲线上消压点、线性极限点、承载力极限点对应的抗弯承载力简化计算公式,由数值分析及试验结果对比表明,简化计算公式具有一定的可靠性,且计算过程简单,便于工程设计应用。