预制装配式混凝土隔震结构多灾种失效机理及环保型阻尼装置研究

As one of industrialized building production patterns, precast fabricated buildings of structure reflect the concept of resource saving and environment protection which play an important role to promote the sustainable development of construction industry. In recent years，precast fabricated buildings attract a wide spread attention and advocate promoting the application of precast fabricated buildings technology has been upgraded as the national strategic policy. On the other hand, with the widely spread of isolated technology, the study on prefabricated RC isolated structure is not sufficient, especially the study of multiple hazard failure mechanism of fabricated isolated structure is still left blank. This project aimed at the study on precast fabricated isolated structures of multi-story reinforced concrete frame and middle-rise frame-shear-wall structures. By means of theoretical analysis, finite element numerical simulation and model test, the mechanical properties, failure mechanism and progressive collapse resistance under the action of earthquake, local explosion and human induced excitation will be analyzed. The structural unit division of the isolation layer, the load bearing characteristics of structure will be investigated based on construction mechanics model. The connection method of the isolation story and the beam-column-wall connection, the local stress characteristics, the overall performance and failure mechanism of the precast fabricated structure will be studied using FEM and model test. A new type of yield steel damper with multi-level variable constraints, which was developed by the author's team to replace the environmental risky lead damper, will be studied to explore the mechanical behavior of the damper and its interaction between the precast fabricated isolated structure and the damper.

预制装配式建筑作为一种工业化的建筑生产模式，体现了节约资源和保护环境的理念，对实现建筑业的可持续发展非常重要，近年来受到广泛关注。倡导推广装配式建筑技术已经上升为国家战略政策。另一方面，隔震技术应用越来越广泛，但对预制装配式混凝土隔震结构的研究还比较少，特别是对装配式隔震结构多灾种破坏机理的研究还没有开展。本项目针对多层钢筋混凝土框架和小高层钢筋混凝土框架-抗震墙体系的隔震结构开展装配式体系研究，综合运用理论分析、有限元数值模拟及模型试验手段，分析其在地震、局部爆炸、人致激励等多灾种作用下的受力特性、失效机理和抗连续倒塌性能。探讨隔震层结构单元划分和施工力学特性、隔震层及结构梁柱墙单元连接方式、局部受力特性、预制装配式混凝土隔震结构整体性能和破坏机理，还将探讨基于钢材质的金属屈服型机械变约束阻尼器取代具有环境风险的铅阻尼器，探索这类阻尼器与预制装配式隔震结构的相互作用。

预制装配式建造技术和隔震技术均是近年来我国重点推广应用的新技术。将两种技术有机结合产生的预制装配式隔震体系在动力特性、地震响应和失效模式等方面有其特殊性。针对预制装配式隔震体系开展研究对促进我国工程结构建造技术升级具有十分重要的学术意义和实用价值。本项目利用模型试验、数值模拟与理论分析相结合的方法，针对实际工程中大量应用的灌浆套筒连接技术，考虑施工中可能发生的钢筋偏心、灌浆料缺失、剥离等初始缺陷下套筒的连接性能、灌浆料早期强度等开展研究，提出了基于压电波动法的套筒灌浆质量监测方法。考虑到预制构件在露天堆放、储存过程中可能引起套筒、连接钢筋发生锈蚀等问题，采用电化学加速锈蚀方法制作了一批套筒锈蚀连接试件并进行拉拔试验，建立了考虑灌浆套筒内壁锈蚀的粘结滑移模型。针对PC构件连接位置施工繁琐、受力复杂、耗能偏弱等问题，提出了PC框架、剪力墙结构的新型连接方式，通过缩尺模型试验对连接节点的抗震性能做了检验，给出了采用连接弹簧定义预制构件之间新旧混凝土界面上非线性力-相对位移关系的建模方法，以及隔震层的新型框架节点连接构造方式，并运用可靠度理论对装配式框架节点的抗震性能做了评估。给出了较为合理的PC隔震框架预制单元拆分方式。考虑到铅阻尼器可能带来的环境风险问题，提出了采用U形软钢阻尼器、低屈服点钢波纹管阻尼器替代部分铅芯功能的环境友好型复合阻尼隔震装置。提出了一种半主动SMA‑压电复合齿轮摩擦阻尼器，并在空间隔震框架振动台模型试验中进行了检验。针对体育馆建筑中装配式大跨度楼盖的振动舒适度问题，提出了楼盖人致振动舒适度评价和减小楼盖振动的解决方法，并在实际工程中做了测试。通过本项目的研究，明确了PC隔震体系的传力机制和耗能机理，揭示了地震、风和爆炸等激励作用下的损伤机理和破坏规律，对深化理解PC隔震体系的耗能、损伤和倒塌机理提供了重要参考，为装配式建造技术和隔震技术的推广应用提供了技术支撑。