震后可恢復(fù)功能鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)展

震后可恢復(fù)功能的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系研究進(jìn)展

主講人：張艷霞項(xiàng)目背景

2004年蘇門答臘9級(jí)地震2次6.4級(jí)7.0級(jí)余震2005年印尼8.5級(jí)地震4次較強(qiáng)余震2008年汶川發(fā)生8.0級(jí)地震余震261次,最大余震6.4級(jí)2010年智利8.8級(jí)地震59次5級(jí)以上余震2011年日本9.0級(jí)地震余震64次2015尼泊爾8.1級(jí)地震余震最高級(jí)7.5級(jí)全球和我國(guó)進(jìn)入地震活躍期項(xiàng)目背景

鋼結(jié)構(gòu)良好的延性和抗震性能在高層建筑中獲得了廣泛應(yīng)用北嶺地震和阪神地震中鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)脆性破壞可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)設(shè)防或罕遇地震后不需修復(fù)或稍許修復(fù)即可恢復(fù)其使用功能的結(jié)構(gòu)。通過(guò)預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)復(fù)位和恢復(fù)功能震后可恢復(fù)功能預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)：加強(qiáng)和削弱兩種類型強(qiáng)震后較大殘余變形，修復(fù)難度和成本增加很難承受密集且震級(jí)較高的余震削弱型節(jié)點(diǎn)-北京雪蓮大廈加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)-北京財(cái)富二期研究現(xiàn)狀1997年普利斯頓大學(xué)Garlock等提出角鋼耗能的預(yù)應(yīng)力鋼框架體系梁柱節(jié)點(diǎn)2002年加利福尼亞大學(xué)ChristopoulosC帶有耗能棒的預(yù)應(yīng)力鋼框架節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力鋼框架體系梁柱節(jié)點(diǎn)自復(fù)位體系+耗能減震體系研究現(xiàn)狀2009年里海大學(xué)Wolski和Ricles帶下翼緣摩擦裝置的預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)2008年多倫多大學(xué)Kim和加利福尼亞大學(xué)Christopoulos翼緣頂部和底部安裝摩擦耗能裝置的預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀2009年里海大學(xué)Ricles和Lin四層腹板摩擦裝置的預(yù)應(yīng)力鋼框架子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)研究現(xiàn)狀應(yīng)用于高層建筑時(shí)需要高空張拉預(yù)應(yīng)力1需要在鋼柱上開(kāi)孔穿鋼絞線2當(dāng)結(jié)構(gòu)處于高震區(qū)或跨度較大時(shí)層間位移角超過(guò)限值3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析梁柱節(jié)點(diǎn)研究裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架結(jié)構(gòu)體系帶有中間柱型阻尼器的預(yù)應(yīng)力鋼框架結(jié)構(gòu)體系平面結(jié)構(gòu)研究空間結(jié)構(gòu)研究整體結(jié)構(gòu)分析性能化設(shè)計(jì)方法摩擦阻尼器穩(wěn)定性能研究平面結(jié)構(gòu)研究整體結(jié)構(gòu)分析性能化設(shè)計(jì)方法兩種可恢復(fù)功能鋼結(jié)構(gòu)體系裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架體系構(gòu)造

節(jié)點(diǎn)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)開(kāi)口示意框架試驗(yàn)平面框架試驗(yàn)框架試驗(yàn)空間框架擬動(dòng)力力實(shí)驗(yàn)原型結(jié)構(gòu)平面布布置圖原型結(jié)構(gòu)：裝配配式預(yù)應(yīng)力鋼框框架，8層，首層層高4.2m，2~8層層高均為3.3m。模型結(jié)構(gòu)：0.3倍縮尺，兩層，，2×1跨；柱截面HW200×200×10××14mm；長(zhǎng)梁段截面HM194×150×6×9mm；短梁段截面H204×150×8×14；初始索力0.25Tu。空間結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研研究原型模型框架試驗(yàn)次梁構(gòu)造試驗(yàn)?zāi)Ｐ停仓前迩埃┐瘟憾瞬块_(kāi)設(shè)長(zhǎng)長(zhǎng)槽孔，通過(guò)在在次梁與連接板板之間夾聚四氟氟乙烯板來(lái)減小小摩擦系數(shù)，使使節(jié)點(diǎn)開(kāi)口帶動(dòng)次梁滑動(dòng)，減少甚至消除除樓板對(duì)框架變形的約約束作用。長(zhǎng)槽孔聚四氟乙烯板空間框架擬動(dòng)力力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停仓前搴螅┛臻g框架擬動(dòng)力力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)水平加載裝置加載裝置安裝完完成豎向加載裝置空間框架擬動(dòng)力力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)空間框架擬動(dòng)力力實(shí)驗(yàn)加載裝置示意圖圖EL-Centro波SuperstitionHills波加速度反應(yīng)譜試驗(yàn)按照地震動(dòng)動(dòng)峰值加速度（（PGA）由小到大的順順序（PGA=0.07g、0.2g、0.4g、0.51g、0.62g、0.8g、1.0g）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬擬動(dòng)力試驗(yàn)。加載方案框架試驗(yàn)空間框架擬動(dòng)力力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)各層最大大層間位移角試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)取自自底部?jī)蓪?，最最大層間位移響響應(yīng)出現(xiàn)在計(jì)算算子結(jié)構(gòu)中;滿足我國(guó)抗震規(guī)規(guī)范對(duì)8度（0.2g）大震彈塑性層層間位移角限值值（1/50）的規(guī)定。PGA=0.51g試驗(yàn)滯回曲線結(jié)構(gòu)處于彈性狀狀態(tài)，一層有微微小節(jié)點(diǎn)開(kāi)口。。PGA=0.07g~0.51g空間框架擬動(dòng)力力試驗(yàn)框架試驗(yàn)PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=0.62g~1.0g一層：最大層間位移；；開(kāi)口轉(zhuǎn)角角PGA=0.62g：10.11mm，1/125；0.52%PGA=0.8g：13.99mm，1/90；0.75%PGA=1.0g：18.90mm，1/67；1.21%二層：最大層間位移；；開(kāi)口轉(zhuǎn)角角PGA=0.62g：7.03mm，1/179；0.31%PGA=0.8g：9.81mm，1/102；0.49%PGA=1.0g：13.75mm，1/92；0.77%地震結(jié)束，位移移基本回零空間框架擬動(dòng)力力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)隨峰值加速度提提高，滯回曲線線愈加飽滿;一層節(jié)點(diǎn)開(kāi)口較較大，證明新型次梁構(gòu)構(gòu)造可以使節(jié)點(diǎn)點(diǎn)開(kāi)口機(jī)制正常常運(yùn)行;框架并無(wú)剛度退退化現(xiàn)象出現(xiàn)。。PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=0.62g~1.0g空間框架擬動(dòng)力力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)結(jié)構(gòu)基本處于彈彈性狀態(tài)（應(yīng)變變小于屈服應(yīng)變變2000με）。部分翼緣加強(qiáng)板板開(kāi)始產(chǎn)生塑性性，最大值為2641.03με。加強(qiáng)板的最大應(yīng)應(yīng)變值已經(jīng)達(dá)到到3714.39με，柱腳翼緣應(yīng)變變?cè)鲩L(zhǎng)速度較快快，達(dá)到1850.61με，其余部位依然然處于彈性狀態(tài)態(tài)。PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=1.0g典型部位應(yīng)變時(shí)時(shí)程曲線應(yīng)變變化擬動(dòng)力試驗(yàn)后結(jié)結(jié)構(gòu)基本處于無(wú)無(wú)損狀態(tài)空間框架擬動(dòng)力力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)加載歷程0.375%rad，2個(gè)循環(huán)；0.5%rad，2個(gè)循環(huán)；0.75%rad，2個(gè)循環(huán)；1%rad，2個(gè)循環(huán)；1.5%rad，2個(gè)循環(huán)；2%rad，2個(gè)循環(huán)；3%rad，2個(gè)循環(huán)；4%rad，2個(gè)循環(huán)；5%rad，2個(gè)循環(huán)。擬動(dòng)力試驗(yàn)研究之后，主體結(jié)構(gòu)基本無(wú)損進(jìn)一步考察結(jié)構(gòu)滯回性能和大變形時(shí)的各項(xiàng)性能指標(biāo)低周往復(fù)荷載作用的擬靜力試驗(yàn)123空間框架擬靜力力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)空間框架擬靜力力實(shí)驗(yàn)框架試驗(yàn)層間位移角0.02rad（1/50）層間位移角為0.02rad節(jié)點(diǎn)開(kāi)口情況一層最大開(kāi)口轉(zhuǎn)角：：2.32%rad最大殘余開(kāi)口轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角：0.052%rad二層最大開(kāi)口轉(zhuǎn)角：：1.96%rad最大殘余開(kāi)口轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角：0.01%rad層間位移角0.02rad加載結(jié)束空間框架擬靜力力實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)性能層間位移角0.03rad0.03rad位移峰峰值0.03rad加載級(jí)級(jí)結(jié)束束肉眼仍仍無(wú)法法觀察察到殘殘余變變形，，復(fù)位位效果果較好好?？臻g框框架擬擬靜力力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)框架試驗(yàn)空間框框架擬擬靜力力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)層間位位移角角0.03rad和0.04rad0.03rad位移峰峰值0.04rad位移峰峰值框架試驗(yàn)層間位位移角角0.05rad時(shí)0.05rad時(shí)的柱柱腳翼翼緣屈屈曲和和梁翼翼緣屈屈曲最大開(kāi)開(kāi)口12.77mm,6.55%rad一層最大開(kāi)開(kāi)口轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角：：6.55%rad最大殘殘余開(kāi)開(kāi)口轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角：：0.79%rad二層最大開(kāi)開(kāi)口轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角：：5.65%rad最大殘殘余開(kāi)開(kāi)口轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角：：0.20%rad空間框框架擬擬靜力力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)框架試驗(yàn)加載級(jí)索17（kN）索18（kN）索19（kN）索20（kN）索29（kN）索30（kN）索31（kN）索32（kN）T17max/TuT18max/TuT19max/TuT20max/TuT29max/TuT30max/TuT31max/TuT32max/Tu開(kāi)始64.8066.0862.5463.3164.3763.6863.1961.810.250.250.240.240.250.240.240.240.02最大104.3697.5398.79100.1899.31101.3396.0296.780.400.370.380.380.380.390.370.37結(jié)束65.1167.5162.5363.6163.9563.5662.8361.070.250.260.240.240.250.240.240.23層間位位移角角0.02rad（1/50）0.02rad鋼絞線線索力力變化化最大索索力0.4Tu索力最最大降降低僅僅為0.66%滯回曲曲線呈呈現(xiàn)出出明顯顯的自自復(fù)位位特征征空間框框架擬擬靜力力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)框架試驗(yàn)層間位位移角角0.03rad和0.04rad0.03rad0.04rad0.04rad時(shí)柱腳腳和個(gè)個(gè)別中中間梁梁段翼翼緣開(kāi)開(kāi)始出出現(xiàn)微微小屈屈曲變變形，，滯回回曲線線形狀狀開(kāi)始始發(fā)生生變化化?？臻g框框架擬擬靜力力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)自復(fù)位位特征征仍比比較明明顯框架試驗(yàn)層間位位移角角0.05rad滯回曲曲線飽飽滿，，0.05rad時(shí)，一一層承承載力力無(wú)退退化趨趨勢(shì)，，二層層略有有降低低;結(jié)構(gòu)各各層滯滯回曲曲線骨架曲曲線0.04rad之前，，最大大索力力減小小僅為為8%；0.05rad之前，，最大大索力力減小小僅為為16%。這為結(jié)結(jié)構(gòu)承承受密密集而而震級(jí)級(jí)較高高的余余震奠奠定了了良好好的基基礎(chǔ)。。空間框框架擬擬靜力力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)框架試驗(yàn)應(yīng)變發(fā)發(fā)展情情況0.015rad：加強(qiáng)板板進(jìn)入入塑性性;0.02rad：柱腳翼翼緣進(jìn)進(jìn)入塑塑性狀狀態(tài);0.04rad：柱腳翼翼緣和和腹板板出現(xiàn)現(xiàn)屈曲曲現(xiàn)象象;0.05rad：柱腳和和長(zhǎng)梁梁翼緣緣應(yīng)變變值繼繼續(xù)增增加，，節(jié)點(diǎn)點(diǎn)域腹腹板仍仍處于于彈性性，節(jié)節(jié)點(diǎn)域域加強(qiáng)強(qiáng)板的的作用用非常常明顯顯。空間框框架擬擬靜力力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)框架試驗(yàn)次梁滑滑動(dòng)情情況節(jié)點(diǎn)開(kāi)開(kāi)口帶帶動(dòng)次次梁滑滑動(dòng)，，兩端端開(kāi)口口均值值要略略大于于次梁梁滑動(dòng)動(dòng)量;隨著層層間位位移角角增大大，次次梁滑滑動(dòng)量量越來(lái)來(lái)越接接近開(kāi)開(kāi)口均均值；；新型次次梁構(gòu)構(gòu)造形形式已已經(jīng)基基本實(shí)實(shí)現(xiàn)了了最初初的設(shè)設(shè)計(jì)目目的;空間框框架擬擬靜力力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)整體分析設(shè)計(jì)算算例可恢復(fù)復(fù)功能能的裝裝配式式預(yù)應(yīng)應(yīng)力鋼鋼框架架（簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱RPPSF框架））可恢復(fù)復(fù)功能能的預(yù)預(yù)應(yīng)力力鋼框框架（（簡(jiǎn)稱稱RPSF框架））剛接框框架（（簡(jiǎn)稱稱RSF框架））鋼框架架結(jié)構(gòu)構(gòu)平面面圖三個(gè)整整體結(jié)結(jié)構(gòu)均均為8層，首首層層層高3.9m，2~8層層高高3.6m，橫向向3跨，縱縱向?yàn)闉?跨，跨跨度9米?？蚣苤?00×600××32×32框架梁梁：600×300×16××22鉸接柱柱：450×450×20××20鉸接梁梁：500×300×11××18短梁段段：620×300×20××32摩擦螺螺栓：：6M24鋼絞線線：1×19初始索索力：：0.35Tu整體分析Basic連接器：平動(dòng)：約束U1、U2、U3轉(zhuǎn)動(dòng)：約束UR2、UR3UR1方向包含預(yù)應(yīng)力鋼絞線和摩擦耗能螺栓提供的剛度U3

U2U1UR3

UR2UR1Connector連接單元中間梁段框架柱短梁段節(jié)點(diǎn)雙雙旗幟幟滯回回模型型的實(shí)實(shí)現(xiàn)整體結(jié)結(jié)構(gòu)有有限元元模型型的建建立整體分析模擬方方法的的驗(yàn)證證RPPSC8左端RPPSC6左端RPPSC7左端RPPSC5左端RPPSC5～8有限元元分析析與試試驗(yàn)彎彎矩-轉(zhuǎn)角滯滯回曲曲線對(duì)對(duì)比從滯回回曲線線可以以看出出，有有限元元模擬擬實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了梁梁柱節(jié)節(jié)點(diǎn)雙雙旗幟幟的特特性。。兩者者開(kāi)口口后剛剛度非非常接接近。。層間位移移角分分別為為1.5%rad、2%、3%和5%的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)開(kāi)口口處彎矩，有限限元模模擬與與試驗(yàn)驗(yàn)的誤誤差在在10%以內(nèi)。?？梢哉J(rèn)認(rèn)為連連接單單元法法在整整體結(jié)結(jié)構(gòu)中中模擬擬梁柱柱節(jié)點(diǎn)點(diǎn)開(kāi)口口處雙雙旗幟幟模型型是可可行的的。整體分析結(jié)構(gòu)模模態(tài)分分析對(duì)對(duì)比雙旗幟幟滯回回梁柱柱節(jié)點(diǎn)點(diǎn)代替替剛接接節(jié)點(diǎn)點(diǎn)并未未改變變結(jié)構(gòu)構(gòu)的振振型裝配式式預(yù)應(yīng)應(yīng)力鋼鋼框架架周期期小于于預(yù)應(yīng)應(yīng)力鋼鋼框架架，與與剛接接框架架接近近a）RSFb）RPSFc）RPPSFa）RSFb）RPSFc）RPPSF三個(gè)框框架第第一階振型型圖a）RSFb）RPSFc）RPPSF振型123456RSF2.5132.4791.5520.7370.7280.473RPSF2.6282.5571.6020.7670.7490.488RPPSF2.4512.4131.5150.7210.7160.478三個(gè)框框架第第二階階振型型圖三個(gè)框框架第第三階階振型型圖RSF、RPSF和RPPSF框架前前六階階自振振周期期對(duì)比比整體分析序號(hào)地震動(dòng)編號(hào)震級(jí)發(fā)生年份名稱地震臺(tái)影響系數(shù)差1GM197.61999Chi-Chi,TaiwanCHY101117.41%2GM97.51999Kocaeli,TurkeyDuzce-1.64%3GM176.51987SuperstitionHillsPoeRoad(temp)-4.03%4GM86.91995Kobe,JapanShin-Osaka-16.15%5GM2371940ImperialValleyEL-CentroArray#9-17.65%6GM47.11999HectorMineHector-29.71%7GM66.51979ImperialValleyEI-CentroArray#11-30.17%8GM37.11999Duzce,TurkeyBolu-33.18%9GM107.51999Kocaeli,TurkeyArcelik-35.99%10GM247.41952KernCountyTaftLincolnSchool-41.86%11GM2582008什邡八角八角-55.32%12GM56.51979ImperialValleyDelta-60.56%時(shí)程分分析選選用的的12條地震動(dòng)動(dòng)基本本數(shù)據(jù)據(jù)12條地震震動(dòng)加加速度度反應(yīng)應(yīng)譜時(shí)程分分析地地震動(dòng)動(dòng)的選選取整體分析多遇地地震時(shí)時(shí)三個(gè)個(gè)框架架基底底剪力力相差差很小小。其他地地震動(dòng)動(dòng)下，，RPPSF框架的的最大大基底底剪力力介于于RSF和RPSF框架之之間。?？蚣芑准艏袅φw分析8度多遇遇和設(shè)設(shè)防地地震作作用下下:三個(gè)框框架各各層層層間位位移角角比較較接近近。8度罕遇遇和罕罕遇（（0.3g）地震震作用用下:RPPSF框架的的最大大層間間位移移角基本處于RSF和RPSF框架之之間。8度多遇遇地震震時(shí)，，基本滿滿足層層間位位移角角1/250的限值值。8度罕遇遇地震震：大大部分分下地地震動(dòng)動(dòng)滿足足層間位位移角角1/50的限值值8度罕遇地震（0.3g）作用下三個(gè)框架最大層間位移角地震工況主方向Z次方向XRSFRPSFRPPSFRSFRPSFRPPSFGM193.1675.7962.9672.5073.4703.700GM91.9402.1162.1702.6975.3054.494GM172.5372.3442.5071.4251.4121.426GM82.0391.9252.1652.5942.7332.630框架層層間位位移角角比較較整體分析在8度多遇遇地震震、設(shè)設(shè)防地地震及及8度罕遇遇和8度罕遇遇地震震（0.3g）作用用時(shí)較較小的的地震震動(dòng)下下，三三個(gè)框框架的的殘余余位移移角都都很小小，與與剛接接框架架相比比優(yōu)勢(shì)勢(shì)不明明顯。。在8度罕遇遇和8度罕遇遇地震震（0.3g）的較較大地地震作作用時(shí)時(shí)，兩裝配配式預(yù)預(yù)應(yīng)力力鋼框架殘殘余位位移角角遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于于剛接接框架架，震震后自自動(dòng)復(fù)復(fù)位明明顯。?？蚣芨鞲鲗託垰堄辔晃灰平墙潜容^較整體分析PGA=0.51g時(shí)，RSF框架梁梁端和和柱底底塑性性變形形較大大。兩兩種預(yù)預(yù)應(yīng)力力鋼框框架梁梁端大大大減輕了了構(gòu)件件的塑塑性發(fā)發(fā)展，且RPPSF框架優(yōu)優(yōu)勢(shì)更更明顯顯，但但柱底底改善善塑性性不明明顯。。PGA=0.51g最大等等效塑塑性變變形（（PEEQ）

地震工況位置RSFRPSFRPPSFGM19柱底4.168×10-36.718×10-35.985×10-3梁端1.798×10-21.427×10-3彈性GM9柱底1.620×10-34.994×10-33.760×10-3梁端1.511×10-26.185×10-3彈性GM17柱底8.089×10-49.648×10-41.127×10-3梁端1.295×10-2彈性彈性GM8柱底1.743×10-31.066×10-31.566×10-3梁端8.510×10-31.924×10-4彈性GM23柱底7.916×10-31.501×10-32.070×10-3梁端1.490×10-25.165×10-4彈性等效塑塑性變變形比比較整體分析剛接框框架主要依依靠阻尼耗耗能和塑性耗耗能兩預(yù)應(yīng)力力鋼框框架和則主主要依依靠阻尼耗耗能和摩擦耗耗能，塑性性耗能能很少少裝配式式預(yù)應(yīng)應(yīng)力鋼鋼框架架在更更高震震級(jí)時(shí)時(shí)較預(yù)預(yù)應(yīng)力力鋼框框