具有自复位功能的装配式混凝土框架结构抗震性能及设计方法研究

Seismic behavior of precast frame depends largely on the constructions of connections. Due to ductile connection, precast frame with self-centering ability has good ductile deformation capacity. The seismic energy could dissipate while structural members remain elastic states. Pre-stressed tendons provide the structure with the self-centering capacity. The seismic damage and residual deformationreduce are reduced after the earthquake. The study proposes a new ductile beam-to-column connections based on the characteristics of stress and energy dissipation mechanism. Experimental study and numerical simulation are conducted to the ductile connectons on seismic performance of strength, stiffness, hysteresis properties, ductility performance, energy dissipation capacity and self-centering capacity. The quantity expressions of key indexes are determined and the relations between the key parameters are established. Through tests and numerical simulation on the structure, the overall analyses of the structural seismic performance are made. The relation between. residual deformation and self-centering ability is discussed. The seismic design methods are proposed based on structural damage mechanisms and residual deformation control. The study contributes to the development of the new structure and new seismic design methods.

装配式混凝土结构的抗震性能很大程度取决于节点的构造。具有自复位功能的装配式框架结构由于采用延性连接方式，节点具有良好的塑性变形能力，能够在构件基本保持弹性的状态下耗散地震能量；又由于预应力筋能够提供变形的自复位能力，这种结构具有地震损伤小、震后残余变形小、易修复等优点。本项目在分析节点的受力特点和耗能机理的基础上，构建一种新型的延性节点。通过节点的试验研究和数值模拟，研究节点的强度、刚度、滞回性能、延性性能、耗能能力和自复位能力等抗震性能，确定节点延性、耗能、自复位能力等主要性能指标的量化表达式，建立其与关键参数之间的关系。通过框架结构的试验研究和数值模拟，全面分析结构各项抗震性能标，探讨节点性能与结构整体性能之间的关系，确定结构残余变形的量化表达式，建立结构残余变形与节点自复位能力之间关系。提出基于结构损伤机制和残余变形控制的抗震设计方法。课题的研究有助于新结构和新的抗震设计方法的发展。

国家近年来大力发展装配式结构，装配式结构的抗震性能很大程度取决于节点的构造。课题首先构造了二种新型的装配式延性节点：（1）针对混凝土框架节点，在梁端位置拼接，并选取低屈服点的受拉钢筋作为节点的耗能元件，梁、柱间利用界面的摩擦传递剪力，配置预应力钢筋提供地震后的恢复力。（2）针对钢框架节点，同样将拼接位置移至梁端，梁端腹板采用高强摩擦型拼接螺栓将梁、柱连接在一起，配置预应力钢筋提供地震后的恢复力。课题对二类节点设计、制作完成了8个节点的足尺试验研究，并对二类节点以及框架整体进行了数值模拟和理论研究。针对第一种型式的连接方式，设计了3个系列模型分别考虑了张拉控制应力大小、预应力筋数量以及普通钢筋配筋率等因素的影响。在节点研究的基础上对装配式平面框架的抗震性能进行了研究，建立了二层二跨平面框架预制装配式框架模型，系统分析了结构的承载力、变形、耗能以及延性等性能指标。对于第二种型式的节点，同样设计了3个系列模型分别考虑了不同施加预应力、拼接板接触面的处理方式以及高强螺栓预紧力等因素的影响，并对框架结构整体的抗震性能进行了系统性的分析。提出了自复位指标，通过试验、有限元和理论研究提供了自复位性能与初始预应力之间的关系。综合研究结果表明：预应力钢筋可提供结构在震后的复位能力，同时可以提高结构的强度和刚度，但也会减小其屈服位移，结构的耗能性能有所降低；在一定范围内预应力筋的初始张拉控制应力对节点的受力性能有显著影响，但超过一定范围后各性能的提高都不明显；二种类型的连接构造均表现出较好的延性，在中震和大震下通过耗能元件（低屈服点的钢筋或摩擦螺栓）的变形耗散地震能量，保护主体结构基本免于损伤，震后残余变形小、通过更换耗能元件实现震后修复，从而实现结构的功能快速恢复，课题的研究成果为装配式框架结构的设计提供了依据。