震后可恢復(fù)功能鋼結(jié)構(gòu)體系研究進(jìn)展

1、 震后可恢復(fù)功能的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系研究進(jìn)展項(xiàng)目背景 2004年蘇門答臘9級(jí)地震2次6.4級(jí)7.0級(jí)余震2005年印尼8.5級(jí)地震4次較強(qiáng)余震2008年汶川發(fā)生8.0級(jí)地震余震261次, 最大余震6.4級(jí)2010年智利8.8級(jí)地震59次5級(jí)以上余震2011年日本9.0級(jí)地震余震64次2015尼泊爾8.1級(jí)地震余震最高級(jí)7.5級(jí)全球和我國(guó)進(jìn)入地震活躍期項(xiàng)目背景 鋼結(jié)構(gòu)良好的延性和抗震性能在高層建筑中獲得了廣泛應(yīng)用北嶺地震和阪神地震中鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)脆性破壞 可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)設(shè)防或罕遇地震后不需修復(fù)或稍許修復(fù)即可恢復(fù)其使用功能的結(jié)構(gòu)。通過(guò)預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)復(fù)位和恢復(fù)功能 震后可恢復(fù)功能預(yù)應(yīng)力

2、鋼結(jié)構(gòu)體系改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)：加強(qiáng)和削弱兩種類型強(qiáng)震后較大殘余變形，修復(fù)難度和成本增加很難承受密集且震級(jí)較高的余震削弱型節(jié)點(diǎn)-北京雪蓮大廈加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)-北京財(cái)富二期研究現(xiàn)狀 1997年普利斯頓大學(xué)Garlock等提出角鋼耗能的預(yù)應(yīng)力鋼框架體系梁柱節(jié)點(diǎn) 2002年加利福尼亞大學(xué)Christopoulos C帶有耗能棒的預(yù)應(yīng)力鋼框架節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力鋼框架體系梁柱節(jié)點(diǎn)自復(fù)位體系+耗能減震體系研究現(xiàn)狀 2009年里海大學(xué)Wolski和Ricles帶下翼緣摩擦裝置的預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)2008年多倫多大學(xué)Kim和加利福尼亞大學(xué)Christopoulos翼緣頂部和底部安裝摩擦耗能裝置的預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀 2009年里海大學(xué)Ricl

3、es和Lin四層腹板摩擦裝置的預(yù)應(yīng)力鋼框架子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析梁柱節(jié)點(diǎn)研究裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架結(jié)構(gòu)體系帶有中間柱型阻尼器的預(yù)應(yīng)力鋼框架結(jié)構(gòu)體系平面結(jié)構(gòu)研究空間結(jié)構(gòu)研究整體結(jié)構(gòu)分析性能化設(shè)計(jì)方法摩擦阻尼器穩(wěn)定性能研究平面結(jié)構(gòu)研究整體結(jié)構(gòu)分析性能化設(shè)計(jì)方法兩種可恢復(fù)功能鋼結(jié)構(gòu)體系裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架體系構(gòu)造 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)開(kāi)口示意框架試驗(yàn)平面框架試驗(yàn)框架試驗(yàn)空間框架擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)原型結(jié)構(gòu)平面布置圖原型結(jié)構(gòu)：裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架，8層，首層層高4.2m，2 8層層高均為3.3m。模型結(jié)構(gòu)：0.3倍縮尺，兩層，21跨；柱截面HW2002001014mm；長(zhǎng)梁段截面HM19415069mm；

4、短梁段截面H204150814；初始索力0.25Tu?？臻g結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究原型模型框架試驗(yàn)次梁構(gòu)造試驗(yàn)?zāi)Ｐ停仓前迩埃?次梁端部開(kāi)設(shè)長(zhǎng)槽孔，通過(guò)在次梁與連接板之間夾聚四氟乙烯板來(lái)減小摩擦系數(shù)，使節(jié)點(diǎn)開(kāi)口帶動(dòng)次梁滑動(dòng)，減少甚至消除樓板對(duì)框架變形的約束作用。長(zhǎng)槽孔聚四氟乙烯板空間框架擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停仓前搴螅┛臻g框架擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)水平加載裝置加載裝置安裝完成豎向加載裝置空間框架擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)空間框架擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)加載裝置示意圖EL-Centro波Superstition Hills波加速度反應(yīng)譜試驗(yàn)按照地震動(dòng)峰值加速度（PGA）由小到大的順序（PGA=0.07g、0.2g、0.4g

5、、0.51g、0.62g、0.8g、1.0g）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)。加載方案框架試驗(yàn)空間框架擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)取自底部?jī)蓪?，最大層間位移響應(yīng)出現(xiàn)在計(jì)算子結(jié)構(gòu)中;滿足我國(guó)抗震規(guī)范對(duì)8度（0.2g）大震彈塑性層間位移角限值（1/50）的規(guī)定。PGA=0.51g 試驗(yàn)滯回曲線結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，一層有微小節(jié)點(diǎn)開(kāi)口。PGA=0.07g0.51g空間框架擬動(dòng)力試驗(yàn)框架試驗(yàn)PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=0.62g1.0g一層： 最大層間位移 ； 開(kāi)口轉(zhuǎn)角PGA=0.62g：10.11mm，1/125；0.52%PGA=0.8g：13.99mm，1

6、/90；0.75%PGA=1.0g：18.90mm，1/67；1.21%二層： 最大層間位移 ； 開(kāi)口轉(zhuǎn)角PGA=0.62g：7.03mm，1/179；0.31%PGA=0.8g：9.81mm，1/102；0.49%PGA=1.0g：13.75mm，1/92；0.77%地震結(jié)束，位移基本回零空間框架擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn) 隨峰值加速度提高，滯回曲線愈加飽滿; 一層節(jié)點(diǎn)開(kāi)口較大，證明新型次梁構(gòu)造可以使節(jié)點(diǎn)開(kāi)口機(jī)制正常運(yùn)行; 框架并無(wú)剛度退化現(xiàn)象出現(xiàn)。PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=0.62g1.0g空間框架擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)（應(yīng)變小于屈服應(yīng)變2000）。

7、部分翼緣加強(qiáng)板開(kāi)始產(chǎn)生塑性，最大值為2641.03。加強(qiáng)板的最大應(yīng)變值已經(jīng)達(dá)到3714.39，柱腳翼緣應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度較快，達(dá)到1850.61，其余部位依然處于彈性狀態(tài)。PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=1.0g 典型部位應(yīng)變時(shí)程曲線應(yīng)變變化擬動(dòng)力試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)基本處于無(wú)損狀態(tài)空間框架擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)加載歷程 0.375%rad，2個(gè)循環(huán)； 0.5%rad，2個(gè)循環(huán)； 0.75%rad，2個(gè)循環(huán)； 1%rad，2個(gè)循環(huán)； 1.5%rad，2個(gè)循環(huán)； 2%rad，2個(gè)循環(huán)； 3%rad，2個(gè)循環(huán)； 4%rad，2個(gè)循環(huán)； 5%rad，2個(gè)循環(huán)。擬動(dòng)力試驗(yàn)研究之后，主體結(jié)構(gòu)基本無(wú)

8、損進(jìn)一步考察結(jié)構(gòu)滯回性能和大變形時(shí)的各項(xiàng)性能指標(biāo)低周往復(fù)荷載作用的擬靜力試驗(yàn)空間框架擬靜力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)空間框架擬靜力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)層間位移角0.02rad（1/50）層間位移角為0.02rad節(jié)點(diǎn)開(kāi)口情況一層最大開(kāi)口轉(zhuǎn)角：2.32%rad 最大殘余開(kāi)口轉(zhuǎn)角：0.052%rad 二層最大開(kāi)口轉(zhuǎn)角：1.96%rad 最大殘余開(kāi)口轉(zhuǎn)角：0.01%rad 層間位移角0.02rad加載結(jié)束空間框架擬靜力實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)性能層間位移角0.03rad0.03rad位移峰值0.03rad加載級(jí)結(jié)束肉眼仍無(wú)法觀察到殘余變形，復(fù)位效果較好?？臻g框架擬靜力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)空間框架擬靜力實(shí)驗(yàn)層間位移角0.03rad和0.04rad

9、0.03rad位移峰值0.04rad位移峰值框架試驗(yàn)層間位移角0.05rad時(shí)0.05rad時(shí)的柱腳翼緣屈曲和梁翼緣屈曲最大開(kāi)口12.77mm,6.55%rad一層最大開(kāi)口轉(zhuǎn)角：6.55%rad 最大殘余開(kāi)口轉(zhuǎn)角：0.79%rad 二層最大開(kāi)口轉(zhuǎn)角：5.65%rad 最大殘余開(kāi)口轉(zhuǎn)角：0.20%rad 空間框架擬靜力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)加載級(jí)加載級(jí)索索17（kN） 索索18（kN） 索索19（kN） 索索20（kN） 索索29（kN） 索索30（kN） 索索31（kN） 索索32（kN）T17max/TuT18max/TuT19max/TuT20max/TuT29max/TuT30max/TuT31m

10、ax/TuT32max/Tu開(kāi)始開(kāi)始64.8066.0862.5463.3164.3763.6863.1961.810.250.250.240.240.250.240.240.240.02最大104.3697.5398.79100.1899.31101.3396.0296.780.400.370.380.380.380.390.370.37結(jié)束65.1167.5162.5363.6163.9563.5662.8361.070.250.260.240.240.250.240.240.23層間位移角0.02rad（1/50）0.02rad鋼絞線索力變化最大索力0.4Tu索力最大降低僅為0.66%滯

11、回曲線呈現(xiàn)出明顯的自復(fù)位特征空間框架擬靜力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)層間位移角0.03rad和0.04rad0.03rad0.04rad0.04rad時(shí)柱腳和個(gè)別中間梁段翼緣開(kāi)始出現(xiàn)微小屈曲變形，滯回曲線形狀開(kāi)始發(fā)生變化?？臻g框架擬靜力實(shí)驗(yàn)自復(fù)位特征仍比較明顯框架試驗(yàn)層間位移角0.05rad 滯回曲線飽滿，0.05rad時(shí)，一層承載力無(wú)退化趨勢(shì)，二層略有降低;結(jié)構(gòu)各層滯回曲線骨架曲線 0.04rad之前，最大索力減小僅為8%；0.05rad之前，最大索力減小僅為16%。 這為結(jié)構(gòu)承受密集而震級(jí)較高的余震奠定了良好的基礎(chǔ)?？臻g框架擬靜力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)應(yīng)變發(fā)展情況0.015rad：加強(qiáng)板進(jìn)入塑性;0.02rad：

12、柱腳翼緣進(jìn)入塑性狀態(tài);0.04rad：柱腳翼緣和腹板出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象;0.05rad：柱腳和長(zhǎng)梁翼緣應(yīng)變值繼續(xù)增加，節(jié)點(diǎn)域腹板仍處于彈性，節(jié)點(diǎn)域加強(qiáng)板的作用非常明顯?？臻g框架擬靜力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)次梁滑動(dòng)情況 節(jié)點(diǎn)開(kāi)口帶動(dòng)次梁滑動(dòng)，兩端開(kāi)口均值要略大于次梁滑動(dòng)量; 隨著層間位移角增大，次梁滑動(dòng)量越來(lái)越接近開(kāi)口均值； 新型次梁構(gòu)造形式已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)目的;空間框架擬靜力實(shí)驗(yàn)整體分析設(shè)計(jì)算例可恢復(fù)功能的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架（簡(jiǎn)稱RPPSF框架）可恢復(fù)功能的預(yù)應(yīng)力鋼框架（簡(jiǎn)稱RPSF框架）剛接框架（簡(jiǎn)稱RSF框架）鋼框架結(jié)構(gòu)平面圖三個(gè)整體結(jié)構(gòu)均為8層，首層層高3.9m，28層層高3.6m，橫向3跨，縱

13、向?yàn)?跨，跨度9米?？蚣苤?00600 3232框架梁：6003001622鉸接柱：4504502020鉸接梁：5003001118短梁段：62030020 32摩擦螺栓：6M24鋼絞線：119初始索力：0.35Tu整體分析Basic連接器：平動(dòng)：約束U1、U2、U3轉(zhuǎn)動(dòng)：約束UR2、UR3 UR1方向包含預(yù)應(yīng)力鋼絞線和摩擦耗能螺栓提供的剛度U3 U2U1UR3 UR2UR1Connector連接單元中間梁段框架柱短梁段節(jié)點(diǎn)雙旗幟滯回模型的實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)有限元模型的建立整體分析模擬方法的驗(yàn)證RPPSC8 左端RPPSC6左端RPPSC7 左端RPPSC5 左端RPPSC58有限元分析與試驗(yàn)彎矩

14、-轉(zhuǎn)角滯回曲線對(duì)比從滯回曲線可以看出，有限元模擬實(shí)現(xiàn)了梁柱節(jié)點(diǎn)雙旗幟的特性。兩者開(kāi)口后剛度非常接近。層間位移角分別為 1.5%rad、2%、3%和 5%的節(jié)點(diǎn)開(kāi)口處彎矩，有限元模擬與試驗(yàn)的誤差在 10%以內(nèi)?？梢哉J(rèn)為連接單元法在整體結(jié)構(gòu)中模擬梁柱節(jié)點(diǎn)開(kāi)口處雙旗幟模型是可行的。整體分析結(jié)構(gòu)模態(tài)分析對(duì)比雙旗幟滯回梁柱節(jié)點(diǎn)代替剛接節(jié)點(diǎn)并未改變結(jié)構(gòu)的振型裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架周期小于預(yù)應(yīng)力鋼框架，與剛接框架接近a） RSF b） RPSF c）RPPSF a） RSF b） RPSF c）RPPSF 三個(gè)框架第一階振型圖a） RSF b） RPSF c）RPPSF 振型123456RSF2.5132.47

15、91.5520.7370.7280.473RPSF2.6282.5571.6020.7670.7490.488RPPSF2.4512.4131.5150.7210.7160.478三個(gè)框架第二階振型圖三個(gè)框架第三階振型圖RSF、RPSF和RPPSF框架前六階自振周期對(duì)比整體分析序號(hào)地震動(dòng)編號(hào)震級(jí)發(fā)生年份名稱地震臺(tái)影響系數(shù)差1GM197.61999Chi-Chi,TaiwanCHY101117.41%2GM97.51999Kocaeli,TurkeyDuzce-1.64%3GM176.51987Superstition HillsPoe Road(temp)-4.03%4GM86.91995Ko

16、be,JapanShin-Osaka-16.15%5GM2371940Imperial ValleyEL-Centro Array#9-17.65%6GM47.11999Hector MineHector-29.71%7GM66.51979Imperial ValleyEI-Centro Array#11-30.17%8GM37.11999Duzce,TurkeyBolu-33.18%9GM107.51999Kocaeli,TurkeyArcelik-35.99%10GM247.41952Kern CountyTaft Lincoln School-41.86%11GM2582008什邡八角八

17、角-55.32%12GM56.51979Imperial ValleyDelta-60.56%時(shí)程分析選用的12條地震動(dòng)基本數(shù)據(jù)12條地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜時(shí)程分析地震動(dòng)的選取整體分析多遇地震時(shí)三個(gè)框架基底剪力相差很小。其他地震動(dòng)下，RPPSF框架的最大基底剪力介于RSF和RPSF框架之間。 框架基底剪力整體分析8度多遇和設(shè)防地震作用下:三個(gè)框架各層層間位移角比較接近。8度罕遇和罕遇（0.3g）地震作用下:RPPSF框架的最大層間位移角基本處于RSF和RPSF框架之間。8度多遇地震時(shí)，基本滿足層間位移角1/250的限值。8度罕遇地震：大部分下地震動(dòng)滿足層間位移角1/50的限值8度罕遇地震（0.3g

18、）作用下三個(gè)框架最大層間位移角地震工況主方向Z次方向XRSFRPSFRPPSFRSFRPSFRPPSFGM193.167 5.796 2.967 2.507 3.470 3.700 GM91.940 2.116 2.170 2.697 5.305 4.494 GM172.537 2.344 2.507 1.425 1.412 1.426 GM82.039 1.925 2.165 2.594 2.733 2.630 框架層間位移角比較整體分析 在8度多遇地震、設(shè)防地震及8度罕遇和8度罕遇地震（0.3g）作用時(shí)較小的地震動(dòng)下，三個(gè)框架的殘余位移角都很小，與剛接框架相比優(yōu)勢(shì)不明顯。 在8度罕遇和8度

19、罕遇地震（0.3g）的較大地震作用時(shí)，兩裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架殘余位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛接框架，震后自動(dòng)復(fù)位明顯?？蚣芨鲗託堄辔灰平潜容^整體分析PGA=0.51g時(shí)，RSF框架梁端和柱底塑性變形較大。兩種預(yù)應(yīng)力鋼框架梁端大大減輕了構(gòu)件的塑性發(fā)展，且RPPSF框架優(yōu)勢(shì)更明顯，但柱底改善塑性不明顯。PGA=0.51g 最大等效塑性變形（PEEQ） 地震工況 位置RSFRPSFRPPSFGM19柱底4.16810-36.71810-35.98510-3梁端1.79810-21.42710-3彈性GM9柱底1.62010-34.99410-33.76010-3梁端1.51110-26.18510-3彈性GM17柱底8.08910-49.64810-41.12710-3梁端1.29510-2彈性彈性GM8柱底1.74310-31.06610-31.56610-3梁端8.51010-31.92410-4彈性GM23柱底7.91610-31.501