震后可恢复功能钢结构体系进展

震后可恢复功能的装配式预应力钢结构体系研究进展

主讲人：张艳霞项目背景

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ChristopoulosC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Ricles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应用于高层建筑时需要高空张拉预应力1需要在钢柱上开孔穿钢绞线2当结构处于高震区或跨度较大时层间位移角超过限值3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，2×1跨；柱截面HW200×200×10×14mm；长梁段截面HM194×150×6×9mm；短梁段截面H204×150×8×14；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SuperstitionHills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、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=0.07g~0.51g空间框架拟动力试验框架试验PGA=0.62gPGA=0.8gPGA=1.0gPGA=0.62g~1.0g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，1/90；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=0.62g~1.0g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2000με）。部分翼缘加强板开始产生塑性，最大值为2641.03με。加强板的最大应变值已经达到3714.39με，柱脚翼缘应变增长速度较快，达到1850.61με，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姐历程0.3梨75%测rad，2个循折环；0.敏5%零ra帜d，2个循环兼；0.光75耽%r挖ad，2个循药环；1%r说ad，2个循设环；1.5穷%ra豪d，2个循毛环；2%r比ad，2个循环洗；3%r钢ad，2个循分环；4%r彼ad，2个循环摩；5%现ra桶d，2个循吴环。拟动力试验研究之后，主体结构基本无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123空间谨框架竹拟静诱力实恩验框架试验空间眉框架胜拟静免力实手验框架试验层间纽奉位移蚂角0.0跌2ra撑d（1/钱50）层间殊位移嘱角为0.0势2ra直d节点铃开口扫情况一层最大开岗口转角述：2.丙32历%r匪ad最大桑残余堪开口匪转角条：0.0盯52%鉴rad二层最大灰开口苏转角施：1.9通6%r某ad最大残零余开口谜转角：0.0更1%r弄ad层间股位移办角0.0租2ra冰d加载结默束空间笔框架亦拟静朗力实兵验节点性能层间洪位移惠角0.露03夏ra写d0.沸03林ra寄d位移桃峰值0.嫂03跳ra敢d加载级亦结束肉眼喇仍无汇法观爷察到费残余唇变形惰，复言位效园果较阻好。空间统框架励拟静怜力实窜验框架试验空间述框架辣拟静裁力实昨验层间谅位移碗角0.0环3ra庄d和0.攻04阶ra唯d0.0心3ra师d位移顽峰值0.0盗4ra还d位移峰呀值框架试验层间倒位移偶角0.0放5ra深d时0.0诉5ra糠d时的声柱脚捡翼缘脾屈曲卫和梁甘翼缘争屈曲最大沾开口12但.7够7m眠m,6.5厦5%r践ad一层最大堂开口翻转角苦：6.5常5%r孝ad最大绕残余色开口仁转角烛：0.7宋9%r朋ad二层最大妨开口寺转角蚁：5.鸟65付%r挽ad最大残叨余开口拣转角：0.还20叹%r荐ad空间框惑架拟静烛力实验框架试验加载级索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层间位市移角0.样02敌ra混d（1/5炒0）0.0宫2ra今d钢绞胃线索辣力变群化最大索却力0.4混Tu索力最租大降低杆仅为0.沿66锦%滞回曲趋线呈现糟出明显仰的自复货位特征空间忽框架烛拟静复力实晶验框架试验层间梁位移路角0.花03达ra册d和0.病04双ra婚d0.还03弓ra魄d0.硬04扮ra头d0.刘04针ra酱d时柱脚司和个别仙中间梁奔段翼缘面开始出纯现微小愈屈曲变唯形，滞穷回曲线国形状开租始发生民变化。空间列框架价拟静裳力实必验自复位去特征仍辟比较明虎显框架试验层间嘱位移苹角0.避05嘴ra州d滞回曲超线饱满交，0.培05屿ra堆d时，一令层承载假力无退猎化趋势互，二层贱略有降邮低;结构各仇层滞回腐曲线骨架乏曲线0.0吨4ra耳d之前，恶最大索描力减小量仅为8%；0.0捆5ra然d之前，吃最大索矛力减小刚仅为16罗%。这为蓬结构垮承受挑密集届而震肿级较使高的壁余震权奠定碰了良葱好的粘基础熟。空间狱框架暂拟静仙力实艘验框架试验应变食发展短情况0.0演15r陡ad：加强泉板进蜓入塑仆性;0.艇02武ra纤d：柱脚翼波缘进入闪塑性状纲态;0.0刊4ra悉d：柱脚绍翼缘推和腹姑板出竖现屈躲曲现猛象;0.培05庙ra室d：柱脚和鱼长梁翼后缘应变校值继续逝增加，桐节点域森腹板仍状处于弹械性，节满点域加名强板的腐作用非震常明显阵。空间妈框架现拟静颜力实倚验框架试验次梁滑怖动情况节点摔开口阔带动煌次梁孩滑动咐，两绢端开谱口均浙值要竟略大速于次弯梁滑蒙动量;随着层水间位移供角增大定，次梁定滑动量但越来越阀接近开骨口均值扶；新型次怀梁构造低形式已铲经基本杰实现了糠最初的屡设计目工的;空间框厕架拟静跳力实验整体分析设计算撒例可恢哨复功槐能的乞装配宽式预规应力深钢框心架（哑简称RP化PS屡F框架刮）可恢缝复功丽能的毙预应街力钢贯框架晋（简蕉称RPS飞F框架战）刚接框瞒架（简棒称RSF框架枣）钢框替架结首构平料面图三个整葱体结构珍均为8层，首意层层高3.猴9m，2~8层层高3.6用m，横向3跨，纵衔向为5跨，朽跨度9米。框架柱驱：60筹0×快60愚0六×3竭2×栽32框架梁限：60求0×贯30辅0×码16械×2潮2铰接柱杠：450死×45宵0×2源0×2殊0铰接梁章：500骗×30绣0×1脱1×1缝8短梁熄段：62嗽0×岸30监0×尽20赔×谊32摩擦翼螺栓卧：6M量24钢绞线塞：1×键19初始垦索力支：0.较35Tu整体分析Basic连接器：平动：约束U1、U2、U3转动：约束UR2、UR3UR1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屑双旗禾帜滞唐回模赖型的串实现整体结孟构有限赢元模型累的建立整体分析模拟唤方法佳的验虚证RP吩PS航C8左端RPP乏SC6左端RP晕PS学C7左端RP低PS努C5左端RP壳PS锐C5～8有限电元分润析与寨试验猪弯矩-转角滞结回曲线咬对比从滞回矿曲线可略以看出夸，有限填元模拟淋实现了亭梁柱节霉点双旗存帜的特怎性。两辛者开口目后刚度漆非常接贪近。层间位颂移角航分别杜为1.悉5%吨ra括d、2%、3%和5%的节忙点开锯口处弯矩，有订限元价模拟做与试络验的搏误差唇在10羊%以内。可以研认为菜连接捐单元饼法在驳整体谷结构痒中模阁拟梁泡柱节鹅点开犁口处痒双旗好帜模块型是好可行曲的。整体分析结构模怎态分析忍对比双旗乡丰帜滞骡回梁妙柱节逐点代座替刚掀接节更点并扯未改忧变结绞构的魔振型装配式叹预应力抽钢框架餐周期小辩于预应眯力钢框拔架，与保刚接框认架接近a）RS日Fb）反R正PS污Fc）棒RP践PS惕Fa）RS秃Fb）踩RPS袜Fc）R桃PPS智F三个老框架踏第一阶振型般图a）RS榨Fb）扣RPS杏Fc）杰RP遵PS首F振型123456RSF2.5132.4791.5520.7370.7280.473RPSF2.6282.5571.6020.7670.7490.488RPPSF2.4512.4131.5150.7210.7160.478三个框燃架第二搁阶振型撕图三个框拌架第三瘦阶振型遭图RSF、RP带SF和RPP控SF框架前驰六阶自狂振周期学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%3GM176.51987SuperstitionHillsPoeRoad(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%时程分碗析选用砌的12条地震动起基本数寸据12条地震胜动加速戚度反应凶谱时程分类析地震害动的选响取整体分析多遇吩地震徐时三歼个框疮架基愧底剪篮力相送差很横小。其他疑地震挨动下啄，RP逗PS配F框架的旱最大基虾底剪力宰介于RS暖F和RP是SF框架涛之间淹。框架基顺底剪力整体分析8度多遇撤和设防膊地震作农用下:三个框造架各层广层间位硬移角比浅较接近。8度罕遇辟和罕遇磨（0.瞎3g）地震信作用下:R娘PP制SF框架的俘最大层钳间位移充角基本处于RS框F和RP龄SF框架威之间。8度多遇版地震时须，基本乡丰满足杏层间补位移抄角1/角25男0的限值。8度罕鼠遇地乔震：佩大部腐分下薯地震绵动满慕足层间庄位移让角1/5裹0的限值8度罕遇地震（0.3g）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XRSFRPSFRPPSFRSFRPSFRPPSFGM193.1675.7962.9672.5073.4703.700GM91.9402.1162.1702.6975.3054.494GM172.5372.3442.5071.4251.4121.426GM82.0391.9252.1652.5942.7332.630框架层陶间位移足角比较整体分析在8度多遇成地震、昌设防地轧震及8度罕蔬遇和8度罕遇灿地震（0.3坛g）作用凤时较小苍的地震亏动下，没三个框程架的残互余位移馆角都很令小，与爱刚接框鞭架相比架优势不晓明显。在8度罕于遇和8度罕停遇地凉震（0.3柜g）的较率大地震泄作用时卸，两装配剩式预应顺力钢框架艺残余废位移晴角远镰远小强于刚浆接框骡架，扇震后共自动覆复位估明显争。框架往各层肝残余卖位移牺角比段较整体分析PGA畅=0.绝51g时，RS销F框架梁满端和柱聪底塑性成变形较舞大。两湿种预应系力钢框饼架梁端组大大减轻虎了构鞋件的毕塑性峡发展，且RPP葵SF框架优钻势更明报显，但亏柱底改井善塑性满不明显切。PGA手=0.大51g最大等所效塑性揪变形（PEE冲Q）

地震工况位置RSFRPSFRPPSFGM19柱底4.168×10-36.718×10-35.985×10-3梁端1.798×10-21.427×10-3弹性GM9柱底1.620×10-34.994×10-33.760×10-3梁端1.511×10-26.185×10-3弹性GM17柱底8.089×10-49.648×10-41.127×10-3梁端1.295×10-2弹性弹性GM8柱底1.743×10-31.066×10-31.566×10-3梁端8.510×10-31.924×10-4弹性GM23柱底7.916×10-31.501×10-32.070×10-3梁端1.490×10-25.165×10-4弹性等效据塑性群变形竞比较整体分析刚接框退架主要依聋靠阻尼耗砖能和塑性耗苏能两预应塑力钢教框架和则主戒要依靠阻尼耗亏能和摩擦孝耗能，塑性锄耗能很剃少装配街式预