预应力混凝土刚架索梁-钢管约束钢筋混凝土柱大跨度框架结构的力学性能研究

Large span prestressed cable RC truss-tubed RC column frame (PCT-TC frame) is a new kind of structural system, consisting of a new kind of large span girder and tubed RC columns. The large span girder is the combination of RC vierendeel truss and prestressed suspended cable embedded in RC member (the girder is abbreviated as PCT girder). PCT girder is much lighter in weight than common large span RC girders. In the PCT-TC frames, tubed RC members were employed as columns and web members to improve the ductility. In large span RC structures, PCT-TC frame can be employed to effectively decrease the deadweight of structure and save construction material, as well as to increase the clear height of the floors. It is energy saving to employ PCT-TC frame in large span RC structure during constructing and using a building. Therefore PCT-TC frame is a kind of low carbon structural system that can be widely used in large span RC structures. Theoretical analysis, test, FEM simulation and simplified model will be employed to stduy the static and seismic behavior of large span PCT-TC frames based on the research of typical prestressed RC structures, RC vierendeel truss, steel-concrete composite structures and hybrid structure system. Simplified analysis model of this kind of structure system as well as design theory will be proposed in this research. The suggestion for seismic design and structural details will also be proposed on the basis of this research. The analysis model and design method can be used conveniently in structural design.

预应力混凝土刚架索梁-钢管约束钢筋混凝土柱大跨度框架（简称：索梁-约束柱框架）是一种新型结构体系。刚架索梁兼具悬索结构与混凝土空腹桁架的优点，自重轻，节省材料；框架柱和桁架竖杆采用钢管约束钢筋混凝土，可保证结构在竖向或水平荷载作用下的延性。在大跨度钢筋混凝土结构中采用索梁-约束柱框架可显著降低结构自重，减少材料用量，减小结构高度；因此这种结构体系可有效降低房屋在建造和使用中的能耗，是一种绿色低碳的结构体系，发展前景广阔。本项目将在传统的预应力混凝土结构、空腹混凝土桁架、组合结构或混合结构体系研究方法和研究成果的基础上，采用理论分析、试验研究、有限元模拟及简化模型相结合的手段，对大跨度索梁-约束柱框架结构体系的静力性能和抗震性能进行系统深入的研究。基于研究结果，建立结构体系的简化分析模型和设计理论，提出抗震设计建议和构造措施，为这种新型结构体系的工程实践提供指导。

本项目在国家自然科学基金的资助下，对预应力混凝土刚架索梁—钢管约束混凝土柱大跨度框架的静力性能、抗震性能、振动舒适度进行了系统的试验研究和理论分析，并按计划完成了预定的目标。项目研究取得的各项成果可为大跨度结构的应用和设计提供参考和建议。本项目的主要研究成果如下：.（1）提出了预应力混凝土刚架索梁（PCT）端部上、下弦杆剪力分配系数。系统研究了PCT端部上、下弦杆剪力分配系数，指出PCT端部上弦杆变截面设计有利于上弦杆承担更多剪力，在该系数在3.5~4.0范围可以使用上、下弦杆极限抗剪承载力叠加进行计算。.（2）提出了不同形式PCT抗弯承载力计算模型。根据裂缝发展规律，发现有下弦杆更利于PCT将弯矩传递至框架柱，弯曲破坏时，可以采用正截面受弯公式计算；无下弦杆PCT在弯曲破坏时伴随悬链线效应，承载力会提高，提出的计算模型求解峰值抗弯承载力精度较高。.（3）进行了钢管约束型钢高强混凝土柱的滞回试验，考察了栓钉布置、轴压比、径厚比的影响。对于圆形截面钢管约束型钢混凝土柱，在试验整个过程中钢管未发生局部屈曲现象，试件主要发生弯曲破坏与黏结破坏相结合的破坏模式。而对于方形截面，钢管在水平力达到峰值后在柱底塑性铰区位置向外屈曲，试件破坏模式主要为弯曲破坏。基于试验结果建立了圆形和方形截面钢管约束型钢混凝土柱的恢复力模型。.（4）分析了结构体系在地震荷载作用下的破坏模式，发现采用钢管约束型钢高强混凝土框架柱的体系不会发生节点核心区破坏；刚架索梁的弦杆破坏可通过构造方法以避免；结构体系整体具有较好的延性和变形能力。.（5）提出了瞬态激励下PCT楼盖加速度计算公式。通过加权余量法求解了瞬态激励下PCT楼盖竖向振动峰值加速度的统一计算公式，并给出了瞬态落足、瞬态跳跃及瞬态坐下相对应的动力放大系数。.（6）提出了稳态激励下PCT楼盖加速度计算公式。基于单自由度振动原理计算了稳态步行前进激励下楼盖的峰值加速度，基于稳态步行前进激励模型，给出了稳态跑步前进与稳态跳跃前进的荷载放大系数，建立了稳态激励下PCT楼盖竖向振动加速度峰值的统一算法。.（7）基于薄板振动理论提出了适用于PCT楼盖自振频率计算的公式及简化计算公式。