预制预应力自复位钢筋混凝土框架结构抗倒塌评估及抗倒塌设计

Precast/Prestressed Self-Centering (PPSC) reinforced concrete frame structure is a type of building which has excellent anti-seismic performance. All the components in PPSC structures are prefabricated and connected through prestressed strands. The components in structures will have slight damage after earthquakes. The prestressed strands provide banding resistance capacity for the beam-column joints and column-base connections in the structures, also self-centering ability for the whole building. In addition, the dampers in beam-column joints and column-base connections can provide energy dissipation capability for the structures. However, such buildings with excellent performance did not get large-scale engineering applications yet until now through more than twenty years research works. After thorough reading in large number of literatures, we found three problems that prevent the PPSC buildings from applying in real engineering. Therefore corresponding works are to be investigated in this research and they are: (1) construction and design of novel sliding floor slabs and dry walls in the PPSC RC frame structures; (2) systematic and credible assessment for the collapse probability of the PPSC RC frame structures after a super strong earthquake; (3) collapse-resistance design method for the PPSC RC frame structures; (4) pseudo-dynamic tests for the model PPSC RC frame buildings that are designed by the collapse-resistance method.

预制预应力自复位钢筋混凝土框架结构各构件均为预制，通过穿过构件的预应力筋为结构提供震后的自复位能力，通过安装在节点上的阻尼装置耗散地震能量，因此该类结构可以实现大震后的低损伤，震后结构可快速恢复使用功能。该类结构具有“诱人”的抗震性能优势，但历经二十多年的研究未走向大规模工程应用。本项目针对阻碍该类结构走向工程应用的三个瓶颈问题开展相关理论、数值和试验研究，主要研究内容如下：（1）可与主体框架系统协同变形的低损伤、可滑移楼板体系和留缝干板填充墙体系研究；（2）系统、可信的预制预应力钢筋混凝土框架结构抗倒塌安全性能评估；（3）预制预应力钢筋混凝土框架结构抗倒塌设计方法；（4）基于抗倒塌设计的预制预应力自复位钢筋混凝土框架结构拟动力验证试验。

预制预应力自复位钢筋混凝土框架（简称PPSC框架）在地震作用下的变形主要集中在节点阻尼器和预应力筋内，可显著减轻混凝土梁、柱的损伤，震后结构可自复位并快速恢复使用功能。但该类结构所有预制构件全部通过预应力筋连接，安全冗余度显著低于传统现浇钢筋混凝土框架。本项目致力于通过大比例尺模型结构振动台试验和全面系统的数值模拟评估等手段获得这类结构在不同水平地震强度下的实际抗震性能和扛倒塌安全性。其次，由于这类结构在地震下的变形显著大于传统现浇框架，因而可与主体框架协同变形的低损伤填充墙的研究也至关重要。.本项目开展了如下研究工作：（1）提出两种适用于PPSC框架节点的阻尼器，进行了力学性能试验，提出了准确描述其力学性能的简化有限元模拟方法；（2）完成了一幢1/2缩尺两层PPSC框架模型结构的双向加载振动台试验，研究了该结构在从小震至超大震六个水准地震动下的实际抗震性能、损伤模式和自复位性能；（3）给出了基于OpenSees的PPSC框架数值模拟方法；（4）基于一幢5层PPSC框架有限元模型，考虑结构中不同自复位元件的失效和地震动随机性对结构地震反应的影响，系统评估了结构在从小震至超大震作用下的抗震性能，并给出了结构在大震和不同水平超大震作用下的倒塌概率评估结果；（5）针对有损伤PPSC框架，进行了拟静力往复加载试验，研究了震损PPSC框架的剩余抗震能力，同时研究了不同形式的、可与主体框架协同变形的低损伤填充墙。.本项目研究结果表明：（1）PPSC框架在与其设防水准匹配的大震下，抗震性能和震后自复位性能十分优良，在100条地震动作用下的倒塌概率为1%；（2）本项目提出的可旋转的ALC墙板可以实现与主体框架协同变形并几乎无损伤；（3）基于位移、控制节点弯矩分配比例的设计方法可以较为准确地控制该类结构在地震作用下的变形模式。本项目取得的上述重要研究结论将对该类结构的实际应用具有重要的参考价值。.