高层钢框架自复位结构体系创新和性能化设计研究

Self-centering high rise prestressed steel structural system has attracted considerable interests for seismic application. Self-centering systems can avoid the use of field welding, give full play to the advantages of pre-stressed steel structure and have the ability to control damage and to reduce or even eliminate residual drift after strong earthquake events. If necessary, this damage is easily repaired following an earthquake.Self-centering high-strength steel frame and self-centering precast prestressed steel frame will be put forward in this project.A series of research work will be conducted by theoretical research, computer simulation and model tests from the connections,the plane frame to the space structural system. Structural detail requirements and theoretical hysteretic model will be built,effects on the structural seismic performance and self-centering ability after an earthquake of prestressed cable number,location and prestressed degree will be revealed, theoretical analysis methods of self-centering connection, plane frame and the overall structure and the performance-based design methods will be developed for achieving the design goal that the structure can be used without repair or a little repair under middle or large earthquake.The results of the project will bring a very significance to perfect modern basic theory about prestressed steel structure, rich prestressed steel structure design code, create a new firm and flexible steel structure system, improve seismic performance and repair capacity and reduce the losses after the earthquake.

自复位高层预应力钢结构体系已经在抗震领域引起了广泛关注，该体系能够避免现场焊接，发挥预应力钢结构的优势，在强震发生后控制结构损伤，减少或消除残余变形，震后容易修复。本课题提出自复位高强钢框架、自复位预制预应力钢框架两类新型自复位体系，应用理论分析、计算机数值模拟、模型试验等手段，从节点、平面框架到整体结构全方位开展系列研究，构建自复位梁柱节点的合理构造和理论滞回模型；揭示预应力拉索数量、施加部位、预应力度等因素对结构抗震性能和震后自复位能力的影响规律；提出自复位节点、平面框架和整体结构受力性能的理论分析方法和自复位钢框架结构性能化设计方法，实现自复位钢框架结构中震后无需修理、大震后稍加修理即可使用的性能化设计目标。项目成果对完善现代预应力钢结构基本理论，丰富预应力钢结构设计规程，创建刚柔并济的新型钢结构体系，提高房屋钢结构抗震性能和震后修复能力、减少震后损失具有非常重大的意义。

自复位高层预应力钢结构体系能够发挥预应力钢结构的优势，在强震发生后控制结构损伤，减少或消除残余变形，震后容易修复。本课题提出自复位预制预应力钢框架、自复位中间柱预应力钢框架和自复位高强钢框架三类新型自复位体系，应用理论分析、计算机数值模拟、模型试验等手段，从节点、平面框架、空间框架到整体结构全方位开展系列研究，构建自复位梁柱节点的合理构造和理论滞回模型；揭示预应力拉索数量、施加部位、预应力度等因素对结构抗震性能和震后自复位能力的影响规律；提出自复位钢框架数值模拟方法和性能化设计方法，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。具体研究成果如下：.针对高层建筑，提出了自复位预制预应力钢框架和典型梁柱节点构造。该体系避免了高空张拉预应力的同时，实现了同传统钢梁与框架柱相同的连接方式，大大降低了施工难度，提高了施工质量和工作效率。研究结果表明，结构可以实现震后自动复位和恢复结构功能的目标，具有良好的耗能能力，钢绞线、锚具性能和预应力的施加方法可靠，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。.提出了适用于较大跨度的自复位中间柱预应力钢框架结构体系和中间柱摩擦阻尼器典型构造。研究表明该体系的中间柱可以提供附加刚度，大大减少结构侧移，便于围护体系的安装，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。.自复位高强钢框架结构体系将高强钢引入钢框架自复位结构中，可以减小梁柱构件损伤，并在一定程度上避开了高强钢强屈比小于1.2而影响其应用的问题，充分发挥钢框架自复位结构的优越性。.项目成果对完善现代预应力钢结构基本理论，丰富预应力钢结构设计规程，创建刚柔并济的新型钢结构体系，提高房屋钢结构抗震性能和震后修复能力、减少震后损失具有非常重大的意义。