腹板摩擦式自定心混凝土框架的振动台试验研究

摘要

近年来，可恢复功能结构体系已逐步得到关注和认可，其理念是将地震作用下的结构塑性损伤集中在可更替构件并降低结构残余变形，从而实现震后快速恢复使用功能和减少震后修复量。在此背景下，课题组提出了一种“腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架”，该体系具有低残余变形、构件基本无损的特性。其中，预制的梁、柱构件由预应力钢绞线拉结为一个整体，组成结构的抗侧力系统和竖向支撑系统，梁端附加的腹板摩擦耗能装置能够在梁柱节点相对转动中耗散地震能量。针对该自定心抗震结构体系，本文先后开展了两种自定心框架结构的试验模型设计、振动台试验以及数值模拟研究，完成的主要工作如下： （1）自定心预应力混凝土框架的振动台模型设计。根据振动台模型相似比理论及试验条件，确定了本试验的相似比系数。基于相似比系数及性能设计方法，设计了两种腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架，包括梁-柱、柱-基础节点均由预应力连接的框架（以下简称SCPC）以及梁-柱节点采用预应力连接而柱-基础节点固结的框架（以下简称SCRB）。给出了钢绞线初始预应力、耗能件初始摩擦力以及附加质量的计算结果。基于结构自然频率及场地土信息，考虑规范规定的地震波作用下的结构响应要求，同时满足试验设备条件，选择了两条天然波和一条人工波。 （2）自定心预应力混凝土框架的振动台试验研究。针对两种框架，分别设计了一组加载试验，对自定心框架在地震作用下的抗震性能进行了研究。考察了试验中结构动力特性、振型及初始刚度、加速度、位移、节点相对转动、楼板相对滑移、钢套筒应变、钢筋及混凝土应变等响应。针对SCPC框架，通过变化自定心结构的两个重要参数，即预应力钢绞线初始预应力以及初始摩擦力，分析了结构参数变化对结构整体及局部响应的影响。 （3）由于两种框架的区别在于柱-基础的连接方式，本文着重对比分析了柱-基础连接方式对自定心框架的影响。试验结果表明，腹板摩擦式自定心框架的抗震性能满足工程需要，同时具有震后残余变形小，结构构件基本无损的优良特性。SCRB框架的位移需求低于SCPC框架，但SCRB框架在柱-基础等部位仍有一定的塑性损伤，震后修复的难度大于SCPC框架。 （4）自定心预应力混凝土框架的数值模拟分析。在前期理论分析和试验研究的基础上，利用开源有限元软件OpenSees对两种试验框架进行了数值模拟研究。其中包含对节点接触、节点核心区的剪切变形以及滞回耗能等行为的模拟。数值模拟结果与试验数据总体上吻合良好，验证了该数值模拟方法的可靠性；对于试验结构的初始缺陷，尚应在后续数值模拟中进一步加以考虑。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1预应力装配式结构

1.2.2 自定心结构板梁连接研究

1.3 存在的主要问题

1.4 本文的主要研究内容

第二章 自定心预应力混凝土框架的振动台试验设计

2.1 振动台试验的相似理论

2.1.1 三大相似定理[62]

2.1.2 方程分析法和量纲分析法

2.1.3 相似准则推导

2.1.4 相似比确定

2.2 试验概况

2.2.1 试件设计

2.2.2 试件浇筑、安装

2.3 材性参数

2.3.1 混凝土

2.3.2 钢材

2.3.3 钢绞线

2.4 测点布置

2.4.1 加速度传感器布置

2.4.2 位移传感器布置

2.4.3 应变传感器布置

2.4.4 压力传感器布置

2.5 加载方案

2.5.1 地震波选取

2.5.2 加载制度

2.6 本章小结

第三章 自定心预应力混凝土框架的振动台试验结果分析

3.1 振动台保真度分析

3.2 试验现象

3.3 整体分析

3.3.1 结构动力特性分析

3.3.2 振型及初始刚度计算

3.3.3 结构加速度响应分析

3.3.4 结构侧向位移响应分析

3.3.5 楼板相对滑移

3.3.6 钢绞线预应力

3.3.7 滞回性能

3.4 局部分析

3.4.1 节点响应

3.4.2 钢套筒应变分析

3.4.3 钢筋、混凝土应变分析

3.5 参数分析

3.6 耗能分析

3.7 本章小结

第四章 试验结构动力响应数值模拟与分析

4.1 框架数值分析模型

4.1.1 混凝土梁柱的模拟

4.1.2 节点接触关系的模拟

4.1.3 节点核心区的模拟

4.1.4 耗能的模拟

4.1.5 预应力效应的模拟

4.1.6 质量源、阻尼以及其他荷载的模拟

4.2 数值模拟与试验结果的对比分析

4.2.1 位移响应

4.2.2 钢绞线应力

4.2.3 应变响应

4.2.4 核心区的剪切变形

4.2.5 耗能系数对节点滞回性能的影响

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.1.1 腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架的振动台试验研究

5.1.2 腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架的数值模拟研究

5.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间所取得的科研成果