后张预应力预制混凝土框架结构抗震能力及设计方法研究

摘要

采用后张预应力筋将预制梁柱构件组合在一起形成的预制混凝土框架结构，除具有一般预制混凝土结构所共有的施工速度快，产品质量好，有效减少混凝土变形裂缝，以及与钢结构相比耐火性能和防腐性能好等优势外，还具有以下几个突出的优点：1)采用延性连接的梁柱连接节点具有变刚度自调协功能；2)结构耐久性好；3)有利于实现大跨度预应力混凝土框架结构的“梁铰耗能机制”；4)结构恢复性能好，尤其是当连接梁柱构件的预应力筋在梁柱节点中及两侧两端一定范围内设置为无粘结时，预应力筋在罕遇地震下仍保持为弹性，结构震后残余变形很小，修复所需费用和时间少。5)易于评估地震对结构造成的损伤。由于具有上述许多明显的优势，有必要对其进行深入的探讨和研究，以促进在我国抗震设防区的应用和发展。 本文分别对后张有粘结(连接梁柱构件的后张预应力筋通长为有粘结)和部分无粘结(后张预应力筋在梁柱节点中及两侧梁内各一段设为无粘结)两种形式的预应力预制混凝土框架结构的抗震能力和设计方法进行了较为深入的试验和理论研究。具体研究内容概括如下。 由于本文研究的后张预应力预制混凝土框架结构体系，在地震作用下梁和柱构件大部分均保持弹性，弹塑性变形主要出现在梁柱连接截面处，因而梁柱连接节点是保证预制混凝土框架结构整体工作的重点，且节点的强度和破坏形态又直接影响着框架的性能。因此，本文首先分别对两榀有粘结和两榀部分无粘结预制梁柱连接节点进行了低周反复荷载下的试验研究，了解了这两种结构的受力变形性能、滞回特性、变形恢复能力、刚度退化情况以及节点核心区的抗剪能力等特性。 为进一步了解预制预应力混凝土框架梁柱连接节点的受力性能，并验证理论计算方法的可靠性，为进行整体框架结构的设计及弹塑性分析做准备，本文接下来分别采用两种数值模拟的方法(自编程序的简化方法和采用二维弹塑性分析程序DRAIN-2DX的有限元法)，对两组试件梁端反对称竖向荷载下的受力过程进行了理论分析。与试验结果的对比表明，两种分析方法均能较为准确地模拟试件的力一位移关系骨架曲线，而采用DRAIN程序还可以得到整个加载过程中的滞回曲线。为便于设计应用，论文还根据梁柱连接截面的受力平衡条件，推导出梁柱连接截面开裂弯矩、线性极限弯矩以及屈服弯矩和极限弯矩值的简化计算公式。 采用数值模拟的方法，对影响后张有粘结和部分无粘结预应力预制混凝土框架梁柱连接处受力性能的几个主要因素进行了参数分析，并且在参数分析的基础上，给出一些相关的设计建议，从而为确定这两种结构形式的设计方法奠定了理论基础。 在前述理论和试验研究的基础上，以基于性能抗震设计思想为理论出发点，选择基于弹塑性分析的方法作为本文结构的抗震设计方法，给出了后张有粘结和部分无粘结预应力预制混凝土框架结构的抗震设计过程，主要包括梁柱连接处的抗弯、抗剪设计，梁、柱构件的抗弯、抗剪设计，节点核心区的抗剪设计以及各构件的构造设计等。 为验证所给出的设计方法的可行性和正确性，选择两榀分别代表了大跨重载工业建筑和中小跨度民用建筑的平面框架结构作为设计实例，采用弹塑性静力分析方法对两实例中四榀框架结罕遇地震下抗震性能进行了评估。分析表明，实例结构罕遇地震下最大层间位移角均满足规范规定限值的要求，两榀部分无粘结结构只有柱根出现塑性铰，梁端预应力筋均未达到屈服强度；而两榀有粘结结构也只有柱根及部分梁端进入塑性状态，其余柱端则均保持弹性，因此最终均能达到所预期的破坏机制，满足设计目的的要求。 为了更为全面地研究后张预应力预制混凝土框架结构的抗震能力，了解其在强震下的反应和动力特性，论文的最后采用DRAIN-2DX程序，对所设计的四榀实例结构输入水平方向地震波进行了弹塑性时程分析，并对分析结果加以讨论和说明，评估结构抗震能力的同时，也进一步验证了设计方法的正确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1概述

1.2预制混凝土框架结构的主要形式

1.2.1模仿现浇结构的预制混凝土框架结构

1.2.2具有自身特性的预制混凝土框架结构

1.3预制混凝土框架结构国内外的研究和应用现状

1.3.1国外方面

1.3.2国内方面

1.4本文所研究后张预应力预制混凝土框架结构形式及特点

1.4.1后张预应力预制混凝土框架结构形式

1.4.2后张预应力预制混凝土框架结构的主要特点

1.5本论文的主要研究内容

第二章 低周反复荷载下预制粱柱中节点试验研究

2.1试验目的

2.2试验概况

2.2.1试件设计

2.2.2试件制作

2.2.3材料性能

2.2.4加载装置与加载制度

2.2.5测量仪器及测量内容

2.3试验结果

2.3.1试验现象

2.3.2滞回曲线

2.3.3残余变形

2.3.4刚度退化情况

2.3.5试件的耗能指标

2.3.6箍筋应变

2.4本章小结

第三章 预制梁柱节点模型受力过程的数值模拟和理论分析

3.1数值分析方法一——简化方法

3.1.1梁柱连接节点试件楼层位移角的组成成分分析

3.1.2梁柱连接截面弯矩—转角关系的全过程分析

3.1.3数值分析结果

3.2数值分析方法二——有限元方法

3.2.1建模所用单元特性

3.2.2节点模型的建立及主要参数的确定方法

3.2.3数值分析结果

3.3预制梁柱连接截面受力过程的理论分析

3.3.1开裂点

3.3.2线性极限点

3.3.3屈服点和承载力极限点

3.3.4计算结果与试验结果比较

3.4本章小结

第四章 预制梁柱连接处受力性能的参数分析

4.1有粘结结构梁柱连接处受力性能参数分析

4.1.1截面平均初始压应力

4.1.2预应力筋偏心距

4.1.3预应力筋有效应力

4.1.4箍筋体积配箍率

4.1.5混凝土强度等级

4.1.6截面宽度

4.2部分无粘结结构梁柱连接处受力性能参数分析

4.2.1截面平均初始压应力

4.2.2预应力筋无粘结长度

4.2.3预应力筋偏心距

4.2.4预应力筋有效应力

4.2.5箍筋体积配箍率

4.2.6混凝土强度等级

4.2.7截面宽度

4.3本章小结

第五章 后张预应力预制混凝土框架抗震设计方法研究

5.1抗震设计基本思想

5.2基于位移抗震设计中的设计方法

5.3基于弹塑性分析设计方法的主要步骤

5.4后张预应力预制混凝土框架结构的设计过程

5.4.1预制框架结构竖向荷载下内力计算特点

5.4.2后张预应力预制框架结构中第二批预应力筋布置形式

5.4.3梁柱连接截面的抗弯设计

5.4.4梁跨中截面抗弯设计

5.4.5弹塑性分析模型的建立

5.4.6框架柱的抗弯设计

5.4.7梁柱连接截面抗剪设计

5.4.8节点核心区的抗剪设计

5.4.9设计过程中几个关键参数的选择

5.5本章小结

第六章 后张预应力预制混凝土框架设计实例及其抗震能力评估

6.1分析过程中采用的假定

6.2弹塑性静力(Pushover)分析方法概述

6.2.1Pushover分析方法基本原理和主要用途

6.2.2Pushover分析方法的改进

6.2.3Pushover分析中的侧向力分布模式

6.2.4Pushover分析中目标位移的确定方法

6.3实例一概况及设计结果

6.3.1概况

6.3.2设计结果

6.4实例一框架结构的Pushover分析

6.4.1弹塑性分析模型的确定

6.4.2模型所施加荷载情况

6.4.3结构多遇地震下反应分析

6.4.4结构罕遇地震下抗震能力评估

6.4.5底层柱纵筋取值的影响

6.5实例二概况及设计结果

6.5.1概况

6.5.2设计结果

6.6实例二框架结构的Pushover分析

6.6.1结构多遇地震下反应分析

6.6.2结构罕遇地震下抗震能力评估

6.7本章小结

第七章 后张预应力预制混凝土框架的弹塑性动力分析

7.1时程分析所采用的地震波

7.1.1输入地震波的选择

7.1.2输入地震波的调整

7.1.3人工波的生成

7.1.4实例一和实例二弹塑性时程分析所采用的地震波

7.2实例结构弹塑性时程分析结果

7.2.1结构的位移反应

7.2.2结构的基底剪力

7.2.3结构构件反应

7.2.4结构罕遇地震下的能量分析

7.3本章小结

第八章 结论与展望

8.1全文总结

8.2需要继续研究的问题

附录后张预应力预制混凝土框架结构实例设计过程

A.1实例一设计过程

A.1.1实例一概况

A.1.2结构内力计算

A.1.3梁跨中截面抗弯设计

A.1.4梁柱连接截面抗弯设计

A.1.5框架柱的抗弯设计

A.1.6预应力在框架梁中产生次弯矩分析

A.1.7实例一结构设计结果

A.2实例二设计过程

A.2.1实例二概况

A.2.2结构内力计算

A.2.3梁柱连接截面抗弯设计

A.2.4梁跨中截面抗弯设计

A.2.5框架柱抗弯设计

A.2.6实例二结构设计结果

参考文献

作者攻读博士学位期间发表论文

致谢