模块化竹节式耗能支撑预制预应力混凝土框架抗震性能及设计方法

The concept of earthquake resilient precast structures combines the frontiers of earthquake engineering and industrialization of construction industry in China, respectively. Based on the results of previous exploratory studies, this project is to develop a new type of modular bamboo-shaped energy dissipation braced prestressed precast concrete frame featured with earthquake resilience, with the purpose of overcoming the difficulties of existing precast prestressed structures in energy dissipation and beam-to-column connection. By using experimental, numerical and analytical methods, this project focuses on the seismic performance and design methods of the proposed structure through multi-levels investigations with respect to material, component and structural levels. The main objectives include: (1) to study micro-mechanisms of low- cycle fatigue and damage in steels accommodating with the mechanical characteristics of the energy dissipation braces by using material fatigue tests and numerical analyses of micro-mechanical models; (2) to develop a new type of modular all-steel bamboo-shaped precast energy dissipation brace, to overcome the difficulties of braces in standard production and repair after earthquakes, and to investigate the effects of critical parameters on energy dissipation by using numerical analyses and quasi- static tests, and to provide the hysteric model for the brace; (3) to clarify the factors that influence the seismic behavior of the newly developed structure by using quasi-static tests and macroscopic finite element analyses, to propose structural seismic design methods upon multi-damage indexes, and to evaluate seismic loss of a typical structure based on the next-generation performance-based seismic design and economic loss prediction method.

可恢复功能装配式结构结合了当前我国地震工程和建筑工业化各自发展的前沿方向。本项目在先期探索性研究的基础上，提出一种具有可恢复功能特性的模块化竹节式耗能支撑预制预应力混凝土框架，以解决既有结构体系在耗能能力及节点连接方面的难点。采用试验、数值模拟和理论分析相结合的方法，分别从材料、构件及结构层次开展结构抗震性能和设计方法研究，包括：(1) 通过材料的疲劳试验及细观数值模拟，研究符合耗能支撑受力特征的钢材低周疲劳、损伤失效微观机理及评估模型；(2) 提出一种模块化竹节式耗能支撑，以解决支撑标准化加工制造及震后修复的难点，通过数值分析和拟静力试验，研究设计参数对支撑耗能能力的影响，并给出精确的支撑滞回模型；(3) 通过结构的拟静力试验及宏观有限元分析，研究关键参数对结构抗震性能的影响规律，建立基于多损伤指标的结构抗震设计方法，采用新一代建筑抗震性能评价方法，对典型结构进行地震损失评估。

本项目为解决目前预制预应力混凝土框架结构体系在耗能能力及节点连接方面的难点，提出了一种新型屈曲约束支撑预应力框架结构体系，分别从材料、构件及结构层次开展新型结构体系抗震性能的试验和数值模拟研究，主要研究内容及结果如下：.（1）基于细观力学框架，开展了中、低应力三轴和剪切应力状态下结构钢延性断裂机理。在此基础上，提出了可综合考虑三轴度、Lode参数和剪应力分量对延性断裂微观机制影响的细观力学模型。.（2）基于连续损伤力学准则（SWDFM模型），预测了屈曲钢支撑的超低周疲劳断裂。结果表明，断裂预测的误差与预测局部化（即局部屈曲）的误差最为相关；在本构模型校准（基于材性试验）中的误差与局部屈曲或断裂的预测之间似乎没有很强的关系。.（3）基于粒子群算法（PSO）理论，建立了材料本构和延性断裂模型参数的识别优化方法。通过实现载荷-位移曲线材性试验与有限元模拟结果之间差异的最小化，校准程序自动确定应变硬化参数以及断裂模型参数。.（4）基于负泊松比超材料理念，创新性地提出了负泊松比屈曲约束支撑。开展了新型BRB抗震性能试验研究，结果表明，该结构具有稳定的滞回响应和良好的耗能能力，孔隙率的增加会增加等效粘滞阻尼比，并减小承载力和有效泊松比，负泊松比效应对BRB耗能能力有利。.（5）开展了PTED节点及框架结构拟静力试验研究。结果表明，角钢有效地提升了试件的耗能能力。增加角钢厚度、长度、减小角钢竖肢标距，耗能能力增强。初始预应力筋合力小，则预应力筋对节点承载力贡献的比例小，预应力度越小，滞回曲线相对丰满，PTED耗能能力越强。.（6）开展了屈曲约束支撑PTED框架结构拟静力试验研究。结果表明，预制构件和预应力筋在循环加载过程中基本保持弹性，BRB是结构主要的能量耗散部件，其核心板横断面积越大，结构的耗能能力越强，残余变形也越大，自复位能力越弱。.本项目的研究成果有望为负泊松比超材料在结构工程中的推广应用和预应力自复位混凝土框架结构的工程应用和发展带来契机，推动新型损伤可控的工程结构体系的发展。