基于能量的混合型连接高层装配式混凝土框架结构地震损伤性能研究

The seismic damage performance of high-rise reinforced concrete (RC) frame structures with hybrid cast-in-place connections and dry precast connections is investigated through incorporating the performance-based design concepts into the energy-based seismic design framework. The effects of connection parameters on the hysteretic energy dissipation (HED) demand and modal properties of the structures are considered in the modified energy spectra. On the basis of the analysis on the modal coupling effect of the structures, a reasonable estimate is provided for the total HED and its distribution within all floors. The design floor HED demand is proposed by the combination of the basic performance-based design requirements. By the experimental investigation and refined numerical analyses on the determination of the HED ability of precast connections, the performance check and possible adjustment of the connections is carried out with their design values of HED ability. For those structures, the normalized HED parameter is adopted to establish the relation between the HED and the maximum story drift in the modified two-parameter Park-Ang damage model. Further, the optimal distribution strategy of the HED demand is suggested based on the target structural global damage performance. An attempt is made correspondingly to propose the basic hybrid rules and hybrid patterns for different precast connections under the design background. The designability of precast RC frame connections is attempted to be utilized in order to realize a precise control of damage evolution, failure path and collapse pattern. With this output, the comprehensive reliability of precast RC structures can be ensured.

将性能化设计思路融入基于能量抗震设计方法中，研究现浇与装配式混合连接型高层装配式混凝土框架结构的地震损伤性能。研究节点连接性能对结构滞回特性及模态参数的影响，发展考虑节点连接性能参数的改进能量谱，基于混合连接型模态耦合效应的分析，给出结构总滞回耗能需求及在各层分配比例的合理估计，并结合性能设计思想建议滞回耗能需求设计值；借助实验研究和精细化数值分析确定装配式节点耗能能力，结合滞回耗能需求设计值实施节点的性能校核与调整设计；针对该混合连接型结构，采用正规化滞回耗能因子建立双参数Park-Ang损伤模型中滞回耗能与最大层间位移的关系，提出基于能量表达形式的改进构件损伤模型，进而依据目标结构整体损伤性能给出滞回耗能需求最优分配原则，并据此结合规范设计背景尝试提出不同节点的总体混合原则和混合方式，力图利用装配式框架节点的可设计性实现损伤演化规律、失效路径以及倒塌模式的精准调控，提高其综合可靠性。

受到超高层建筑结构中上部采用钢结构、下部采用混凝土结构组合形式的启发，项目聚焦于混合型连接高层PC框架混凝土结构抗震性能的研究。为克服更多设计变量带来的困难与挑战，将不同类型连接性能参数进行一致性表述和合理简化，同时利用半刚性连接良好的可设计性和损伤控制特性，将性能分析与设计纳入到基于能量设计（EBSD）方法中并融合损伤的概念，以期更好实现对混合型连接高层PC框架结构抗震性能的控制。研究工作围绕能量需求及分配、耗能能力估计和损伤性能调控三条主线展开，取得了四个方面的成果，即：1）结合规范背景建立了与其相协调的地震动输入能量谱和滞回耗能比值谱，并进一步给出了滞回耗能需求的层间分配估计方法；2）基于完成的半刚性梁柱节点拟静力往复加载试验结果，结合低周疲劳模型的改进和参数校准，给出了半刚性连接耗能能力的确定方法，进而借助简化的层耗能机制得到了结构层耗能能力的近似估计；3）在能力谱方法框架下，建立了滞回耗能—位移统一形式的能量能力谱和能量需求谱，并结合目标结构整体损伤给出了图示求解策略，进而提出了基于能量的混合连接型PC框架结构损伤性能设计方法；4）考虑连接在结构中的混合布置方式，结合相应的优化算法，建立了基于多水准性能控制的混合型连接PC框架结构的连接混合基本原则与性能参数设计、调控及其多目标优化设计方法。研究发现，与规范背景协调的输入能量谱和滞回耗能比值谱能够给出更为稳定的耗能需求预测结果，提高了EBSD方法的鲁棒性。与基于试验数据得到的改进低周疲劳模型及参数标定方法为连接耗能能力的合理确定奠定了必要的力学基础，弥补了EBSD在耗能能力估计方面中的不足。滞回需求和耗能能力在能力谱法框架下与损伤的融合得到的性能设计方法及设计流程能更科学地实现相关核心设计要素的关联。在此基础上，基于强度裕度的多目标优化设计可以更充分地发挥半刚性连接的耗能特性，以及更合理地进行混合型连接PC框架结构的多水准性能控制与参数调整。