震后可恢复功能钢结构体系研究进展

1、 震后可恢复功能的装配式预应力钢结构体系研究进展项目背景 2004年苏门答腊9级地震2次6.4级7.0级余震2005年印尼8.5级地震4次较强余震2008年汶川发生8.0级地震余震261次, 最大余震6.4级2010年智利8.8级地震59次5级以上余震2011年日本9.0级地震余震64次2015尼泊尔8.1级地震余震最高级7.5级全球和我国进入地震活跃期项目背景 钢结构良好的延性和抗震性能在高层建筑中获得了广泛应用北岭地震和阪神地震中钢结构焊接节点脆性破坏 可恢复功能抗震结构设防或罕遇地震后不需修复或稍许修复即可恢复其使用功能的结构。通过预应力实现钢结构自动复位和恢复功能 震后可恢复功能预应力

2、钢结构体系改进型节点：加强和削弱两种类型强震后较大残余变形，修复难度和成本增加很难承受密集且震级较高的余震削弱型节点-北京雪莲大厦加强型节点-北京财富二期研究现状 1997年普利斯顿大学Garlock等提出角钢耗能的预应力钢框架体系梁柱节点 2002年加利福尼亚大学Christopoulos C带有耗能棒的预应力钢框架节点预应力钢框架体系梁柱节点自复位体系+耗能减震体系研究现状 2009年里海大学Wolski和Ricles带下翼缘摩擦装置的预应力节点2008年多伦多大学Kim和加利福尼亚大学Christopoulos翼缘顶部和底部安装摩擦耗能装置的预应力节点研究现状 2009年里海大学Ricl

3、es和Lin四层腹板摩擦装置的预应力钢框架子结构拟动力试验研究现状 国内外研究现状分析梁柱节点研究装配式预应力钢框架结构体系带有中间柱型阻尼器的预应力钢框架结构体系平面结构研究空间结构研究整体结构分析性能化设计方法摩擦阻尼器稳定性能研究平面结构研究整体结构分析性能化设计方法两种可恢复功能钢结构体系装配式预应力钢框架体系构造 节点构造节点开口示意框架试验平面框架试验框架试验空间框架拟动力实验原型结构平面布置图原型结构：装配式预应力钢框架，8层，首层层高4.2m，2 8层层高均为3.3m。模型结构：0.3倍缩尺，两层，21跨；柱截面HW2002001014mm；长梁段截面HM19415069mm；

4、短梁段截面H204150814；初始索力0.25Tu。空间结构试验研究原型模型框架试验次梁构造试验模型（浇筑楼板前） 次梁端部开设长槽孔，通过在次梁与连接板之间夹聚四氟乙烯板来减小摩擦系数，使节点开口带动次梁滑动，减少甚至消除楼板对框架变形的约束作用。长槽孔聚四氟乙烯板空间框架拟动力实验框架试验试验模型（浇筑楼板后）空间框架拟动力实验框架试验水平加载装置加载装置安装完成竖向加载装置空间框架拟动力实验框架试验空间框架拟动力实验加载装置示意图EL-Centro波Superstition Hills波加速度反应谱试验按照地震动峰值加速度（PGA）由小到大的顺序（PGA=0.07g、0.2g、0.4g

5、、0.51g、0.62g、0.8g、1.0g）对结构进行拟动力试验。加载方案框架试验空间框架拟动力实验框架试验子结构各层最大层间位移角试验子结构取自底部两层，最大层间位移响应出现在计算子结构中;满足我国抗震规范对8度（0.2g）大震弹塑性层间位移角限值（1/50）的规定。PGA=0.51g 试验滞回曲线结构处于弹性状态，一层有微小节点开口。PGA=0.07g0.51g空间框架拟动力试验框架试验PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=0.62g1.0g一层： 最大层间位移 ； 开口转角PGA=0.62g：10.11mm，1/125；0.52%PGA=0.8g：13.99mm，1

6、/90；0.75%PGA=1.0g：18.90mm，1/67；1.21%二层： 最大层间位移 ； 开口转角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%地震结束，位移基本回零空间框架拟动力实验框架试验 随峰值加速度提高，滞回曲线愈加饱满; 一层节点开口较大，证明新型次梁构造可以使节点开口机制正常运行; 框架并无刚度退化现象出现。PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=0.62g1.0g空间框架拟动力实验框架试验结构基本处于弹性状态（应变小于屈服应变2000）。

7、部分翼缘加强板开始产生塑性，最大值为2641.03。加强板的最大应变值已经达到3714.39，柱脚翼缘应变增长速度较快，达到1850.61，其余部位依然处于弹性状态。PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=1.0g 典型部位应变时程曲线应变变化拟动力试验后结构基本处于无损状态空间框架拟动力实验框架试验加载历程 0.375%rad，2个循环； 0.5%rad，2个循环； 0.75%rad，2个循环； 1%rad，2个循环； 1.5%rad，2个循环； 2%rad，2个循环； 3%rad，2个循环； 4%rad，2个循环； 5%rad，2个循环。拟动力试验研究之后，主体结构基本无

8、损进一步考察结构滞回性能和大变形时的各项性能指标低周往复荷载作用的拟静力试验空间框架拟静力实验框架试验空间框架拟静力实验框架试验层间位移角0.02rad（1/50）层间位移角为0.02rad节点开口情况一层最大开口转角：2.32%rad 最大残余开口转角：0.052%rad 二层最大开口转角：1.96%rad 最大残余开口转角：0.01%rad 层间位移角0.02rad加载结束空间框架拟静力实验节点性能层间位移角0.03rad0.03rad位移峰值0.03rad加载级结束肉眼仍无法观察到残余变形，复位效果较好。空间框架拟静力实验框架试验空间框架拟静力实验层间位移角0.03rad和0.04rad

9、0.03rad位移峰值0.04rad位移峰值框架试验层间位移角0.05rad时0.05rad时的柱脚翼缘屈曲和梁翼缘屈曲最大开口12.77mm,6.55%rad一层最大开口转角：6.55%rad 最大残余开口转角：0.79%rad 二层最大开口转角：5.65%rad 最大残余开口转角：0.20%rad 空间框架拟静力实验框架试验加载级加载级索索17（kN） 索索18（kN） 索索19（kN） 索索20（kN） 索索29（kN） 索索30（kN） 索索31（kN） 索索32（kN）T17max/TuT18max/TuT19max/TuT20max/TuT29max/TuT30max/TuT31m

10、ax/TuT32max/Tu开始开始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结束65.1167.5162.5363.6163.9563.5662.8361.070.250.260.240.240.250.240.240.23层间位移角0.02rad（1/50）0.02rad钢绞线索力变化最大索力0.4Tu索力最大降低仅为0.66%滞

11、回曲线呈现出明显的自复位特征空间框架拟静力实验框架试验层间位移角0.03rad和0.04rad0.03rad0.04rad0.04rad时柱脚和个别中间梁段翼缘开始出现微小屈曲变形，滞回曲线形状开始发生变化。空间框架拟静力实验自复位特征仍比较明显框架试验层间位移角0.05rad 滞回曲线饱满，0.05rad时，一层承载力无退化趋势，二层略有降低;结构各层滞回曲线骨架曲线 0.04rad之前，最大索力减小仅为8%；0.05rad之前，最大索力减小仅为16%。 这为结构承受密集而震级较高的余震奠定了良好的基础。空间框架拟静力实验框架试验应变发展情况0.015rad：加强板进入塑性;0.02rad：

12、柱脚翼缘进入塑性状态;0.04rad：柱脚翼缘和腹板出现屈曲现象;0.05rad：柱脚和长梁翼缘应变值继续增加，节点域腹板仍处于弹性，节点域加强板的作用非常明显。空间框架拟静力实验框架试验次梁滑动情况 节点开口带动次梁滑动，两端开口均值要略大于次梁滑动量; 随着层间位移角增大，次梁滑动量越来越接近开口均值； 新型次梁构造形式已经基本实现了最初的设计目的;空间框架拟静力实验整体分析设计算例可恢复功能的装配式预应力钢框架（简称RPPSF框架）可恢复功能的预应力钢框架（简称RPSF框架）刚接框架（简称RSF框架）钢框架结构平面图三个整体结构均为8层，首层层高3.9m，28层层高3.6m，横向3跨，纵

13、向为5跨，跨度9米。框架柱：600600 3232框架梁：6003001622铰接柱：4504502020铰接梁：5003001118短梁段：62030020 32摩擦螺栓：6M24钢绞线：119初始索力：0.35Tu整体分析Basic连接器：平动：约束U1、U2、U3转动：约束UR2、UR3 UR1方向包含预应力钢绞线和摩擦耗能螺栓提供的刚度U3 U2U1UR3 UR2UR1Connector连接单元中间梁段框架柱短梁段节点双旗帜滞回模型的实现整体结构有限元模型的建立整体分析模拟方法的验证RPPSC8 左端RPPSC6左端RPPSC7 左端RPPSC5 左端RPPSC58有限元分析与试验弯矩

14、-转角滞回曲线对比从滞回曲线可以看出，有限元模拟实现了梁柱节点双旗帜的特性。两者开口后刚度非常接近。层间位移角分别为 1.5%rad、2%、3%和 5%的节点开口处弯矩，有限元模拟与试验的误差在 10%以内。可以认为连接单元法在整体结构中模拟梁柱节点开口处双旗帜模型是可行的。整体分析结构模态分析对比双旗帜滞回梁柱节点代替刚接节点并未改变结构的振型装配式预应力钢框架周期小于预应力钢框架，与刚接框架接近a） RSF b） RPSF c）RPPSF a） RSF b） RPSF c）RPPSF 三个框架第一阶振型图a） RSF b） RPSF c）RPPSF 振型123456RSF2.5132.47

15、91.5520.7370.7280.473RPSF2.6282.5571.6020.7670.7490.488RPPSF2.4512.4131.5150.7210.7160.478三个框架第二阶振型图三个框架第三阶振型图RSF、RPSF和RPPSF框架前六阶自振周期对比整体分析序号地震动编号震级发生年份名称地震台影响系数差1GM197.61999Chi-Chi,TaiwanCHY101117.41%2GM97.51999Kocaeli,TurkeyDuzce-1.64%3GM176.51987Superstition HillsPoe Road(temp)-4.03%4GM86.91995Ko

16、be,JapanShin-Osaka-16.15%5GM2371940Imperial ValleyEL-Centro Array#9-17.65%6GM47.11999Hector MineHector-29.71%7GM66.51979Imperial ValleyEI-Centro Array#11-30.17%8GM37.11999Duzce,TurkeyBolu-33.18%9GM107.51999Kocaeli,TurkeyArcelik-35.99%10GM247.41952Kern CountyTaft Lincoln School-41.86%11GM2582008什邡八角八

17、角-55.32%12GM56.51979Imperial ValleyDelta-60.56%时程分析选用的12条地震动基本数据12条地震动加速度反应谱时程分析地震动的选取整体分析多遇地震时三个框架基底剪力相差很小。其他地震动下，RPPSF框架的最大基底剪力介于RSF和RPSF框架之间。 框架基底剪力整体分析8度多遇和设防地震作用下:三个框架各层层间位移角比较接近。8度罕遇和罕遇（0.3g）地震作用下:RPPSF框架的最大层间位移角基本处于RSF和RPSF框架之间。8度多遇地震时，基本满足层间位移角1/250的限值。8度罕遇地震：大部分下地震动满足层间位移角1/50的限值8度罕遇地震（0.3g

18、）作用下三个框架最大层间位移角地震工况主方向Z次方向XRSFRPSFRPPSFRSFRPSFRPPSFGM193.167 5.796 2.967 2.507 3.470 3.700 GM91.940 2.116 2.170 2.697 5.305 4.494 GM172.537 2.344 2.507 1.425 1.412 1.426 GM82.039 1.925 2.165 2.594 2.733 2.630 框架层间位移角比较整体分析 在8度多遇地震、设防地震及8度罕遇和8度罕遇地震（0.3g）作用时较小的地震动下，三个框架的残余位移角都很小，与刚接框架相比优势不明显。 在8度罕遇和8度

19、罕遇地震（0.3g）的较大地震作用时，两装配式预应力钢框架残余位移角远远小于刚接框架，震后自动复位明显。框架各层残余位移角比较整体分析PGA=0.51g时，RSF框架梁端和柱底塑性变形较大。两种预应力钢框架梁端大大减轻了构件的塑性发展，且RPPSF框架优势更明显，但柱底改善塑性不明显。PGA=0.51g 最大等效塑性变形（PEEQ） 地震工况 位置RSFRPSFRPPSFGM19柱底4.16810-36.71810-35.98510-3梁端1.79810-21.42710-3弹性GM9柱底1.62010-34.99410-33.76010-3梁端1.51110-26.18510-3弹性GM17柱底8.08910-49.64810-41.12710-3梁端1.29510-2弹性弹性GM8柱底1.74310-31.06610-31.56610-3梁端8.51010-31.92410-4弹性GM23柱底7.91610-31.501