利用钢板剪力墙耗能的预应力自复位钢结构体系抗震性能及设计方法

The current seismic code allows main members in building structures entering plastics to dissipate seismic energy and reducing seismic loads. But the seismic damage of these main members and overall residual drifts of the whole structure may arise difficulties for retrofitting existing building. Self-centering structural systems can reduce seismic damage to main structural members and minimum after-quake residual drift. Which makes easy and quick repair of structures. But its application needs the accompany of suitable energy dissipators. The energy dissipators of self-centering systems nowadays being studied are either their capacities much lower than traditional buildings or not easy enough to be replaced. The steel plate shear wall can overcome these shortcomings. In this proposal, lateral pre-stressed steel frame self-centering structural system using steel plate shear walls as seismic energy dissipators was suggested. Associated with the behaviors of self-centering, energy dissipation, collapse prevention, easy repair and such behaviors after rehabilitation, new kinds of steel plate shear wall which are suitable for self-centring structures use,self-centring connection joints which has larger load-bearing capacity and design method of the whole structural system are studied. Critical factors which influences self-centring connections, the layout of prestressed strands, the configuration of the shear walls, and the match of load-carrying capacity and rigidity among post tensioned strands, steel frame and shear walls, will be tested and theoretic studied. Finally, seismic design methods are put forward.

现行抗震设计规范允许结构主体在地震作用下进入塑性以消耗地震能量，并减小地震作用，但是主体结构的塑性损伤和整体残余变形，给震后结构加固修复带来了难度。自复位结构体系能够减小主体构件的地震损坏，消除震后残余侧移，实现结构震后可修且快速修复。但是其应用需要有合适的耗能器的配合。目前研究的自复位结构体系耗能器，要么其耗能能力远小于传统的弹塑性结构体系，要么震后更换比较困难。钢板剪力墙可以克服这些缺点。本项目提出利用钢板剪力墙进行抗震耗能的钢框架水平预应力自复位结构体系。结合该体系的复位能力、耗能能力、抗倒塌性能、可修复性以及修复后的上述性能，研究适合自复位结构体系的新型钢板剪力墙、承载能力较大的自复位节点构造和整体结构的设计方法。对节点构造、钢绞线布置方式、剪力墙的结构形式，以及钢绞线、钢框架和剪力墙之间承载能力与刚度匹配等影响结构整体性能的因素进行试验和理论研究，最后提出适合应用的抗震设计方法。

目前自复位结构体系研究中所采用的耗能器，其耗能能力远低于传统结构体系或者不易更换，本研究在于克服这些缺点。本项目采用钢板剪力墙作为钢框架预应力自复位结构体系的耗能器，对钢板剪力墙本身和整个结构体系分别进行研究。项目进行了三组41个试件的试验研究，第一组是作为耗能器的钢板剪力墙的足尺试验，有3类18个试件，第二组是单层足尺的自复位结构体系试验，3类7个试件，第三组是两层1:2的自复位结构体系试验，4类16个试件。考虑了四类钢板剪力墙在不同设计参数下的耗能性能，两种不同材料的预应力束，不同的结构层数、预应力大小变化和有无耗能器参与的结构性能等。采用Ansys和Abaqus等软件，建立精细化模型对自复位结构的连接节点、钢板剪力墙以及一到两层的自复位结构体系进行了详细分析。采用Opensees软件，建立简化模型，对多层和高层自复位结构体系在地震作用下的综合性能进行详细分析。主要结论有：1）采用钢板剪力墙作为耗能器确实能够大幅度提高自复位结构体系的耗能能力，而且钢板剪力墙位于两个楼层之间，重量轻，体积小，非常方便震后在建筑物内的搬运和更换。2）具有多排多个蝴蝶形短杆的钢板剪力墙和开圆洞的钢板剪力墙，具有良好的耗能和复位能力；单个蝴蝶形钢板剪力墙对上下梁的连接螺栓产生较大拉力，需要选用宽厚比较大的墙板才能克服这种作用；双向蝴蝶形钢板剪力墙构造较复杂，需要仔细考虑两个方向的蝴蝶形杆的配合作用。3）目前对于复位能力的要求是根据拟静力试验提出来的，过于严格，按此进行设计，会加大结构的地震作用，增大梁、柱和预应力束的截面面积，需要减小对结构复位能力的要求。4）按照性能化要求确定了结构设计各阶段的性能目标和主要结构构件在各个阶段的承载能力和刚度等设计要求，提出了整个结构体系的抗震设计方法。本项目的研究，对于自复位结构体系的后继研究方法、实用设计和推广，都有一定的参考价值。