带RC耗能器-限位斜撑框架结构体系抗震性能研究

摘要

基于现代控制理论、多道抗震防线抗震设计思想以及高延性混凝土结构的发展，本文提出在底层柔性结构的底层适当位置布置高延性混凝土耗能器(由多根高度为层高1/3-1/2的混凝土延性柱和刚性支座组成)及大变形限位斜撑(斜撑的一端与耗能器刚性支座间预留层高1/50的间隙)，与主体框架共同组成底层柔性结构的抗震体系，以增大结构的消能减震效果和提高结构的防倒塌能力。该体系的主要特点有：1)在设计范围内，以底层耗能器耗能为主，充分利用柔性底层的隔震作用减小上部结构的地震输入；2)在超大地震作用下底层变形超出设计范围时，限位斜撑发挥限位功能(在设计范围内限位斜撑不工作)，提供后期刚度和强度，防止结构倒塌。 首先在深入研究各种配箍形式的基础上，通过对混凝土延性柱耗能器在低周反复水平荷载作用下的试验，研究了不同截面形式、不同配筋形式的钢筋混凝土延性柱耗能器和不同截面形式的钢管混凝土延性柱耗能器的耗能能力。得到了混凝土延性柱耗能器的刚度、延性、滞回曲线、骨架曲线、等效粘滞阻尼系数等参数，分析了耗能器的耗能机理，建立“RC耗能器”的滞回模型并提出混凝土延性柱耗能器的设计方法。 通过对两榀带RC耗能器及限位斜撑体系钢筋混凝土框架的低周反复水平荷载试验，研究了带RC耗能器和带RC耗能器及限位斜撑体系的钢筋混凝土框架结构的抗震性能，得到了两种情况下RC耗能器、框架梁柱及斜撑等构件的破坏过程、破坏机制以及框架整体的滞回特性等。通过计算分析探讨了耗能器、框架柱分别对结构抗侧承载力、抗侧刚度及耗能等抗震指标的贡献。结果表明，耗能器屈服可以先期消耗部分地震能量，改善了框架整体的延性性能，而限位斜撑则大幅提高了结构后期承载能力，充分体现了设置多道抗震防线的思想。 针对经历加载破坏的两榀带RC耗能器及限位斜撑框架体系试件，设计了碳纤维布及粘贴角钢的加固补强方案，对修复后的试件采用与修复前相同的加载制度重新进行了试验，研究了修复前后结构的整体抗震性能的差异，考察了带RC耗能器及限位斜撑体系结构的易修复性。 对修复后并经加载破坏的试件，在保持竖向荷载不变的情况下将水平荷载卸载，并使得侧向位移与初始未施加水平荷载时相同。如此处理后，再次施加水平低周反复荷载，得到框架的残余抗震能力，结果表明损伤后框架的水平承载能力虽降低较多，但仍具有一定的抗震能力。为考察钢筋混凝土耗能器及限位斜撑框架体系在底层柔性结构中应用的效果，进行了“带RC耗能器一限位斜撑框架”体系的框架模型的模拟地震振动台加载试验，得到该体系在动力荷载作用下的反应特征，证明该体系具有优越的抗震性能，完善了该体系的抗震设计方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2钢筋混凝土结构的地震反应及抗震体系

1.3结构减震技术及高延性钢筋混凝土结构的发展

1.3.1结构减震技术的发展

1.3.2高延性钢筋混凝土结构的发展

1.4震损结构加固后抗震性能及震后残余抗震能力

1.4.1抗震加固技术

1.4.2震损结构加固后抗震性能及残余抗震能力

1.5本文研究的主要内容

第2章高延性混凝土耗能器-限位斜撑框架体系

2.1高延性混凝土耗能器-限位斜撑框架体系的基本概念与工作原理

2.1.1高延性混凝土耗能器基本概念与工作原理

2.1.2混凝土限位斜撑基本概念与工作原理

2.2高延性混凝土耗能器-限位斜撑框架体系的设计、构造、施工

2.3本章小结

第3章高延性混凝土耗能器性能研究

3.1引言

3.2试件设计

3.2.1试件概要

3.2.2试件设计与施工

3.3材料力学性能

3.4试验加载方案及测点布置

3.4.1试验装置和边界条件

3.4.2加载方式

3.4.3加载控制

3.4.4量测内容及测点布置

3.5试验结果及分析

3.5.1破坏过程和破坏形态

3.5.2滞回曲线

3.5.3骨架曲线

3.5.4位移延性系数

3.5.5等效粘滞阻尼系数

3.5.6刚度衰减过程分析

3.5.7耗能能力分析

3.5.8钢筋应变、钢管应变与延性柱耗能的关系

3.5.9恢复力模型

3.6 RC耗能器力学性能有限元分析

3.6.1混凝土结构有限元分析简介

3.6.2混凝土结构分析的纤维模型法原理

3.6.3 RC耗能器纤维模型法非线性分析结果

3.7本章小结

第4章带RC耗能器-限位斜撑框架抗震性能研究

4.1引言

4.2试验设计

4.2.1试件设计

4.2.2量测内容

4.2.3试件加载方案

4.3试验结果

4.3.1试件破坏过程及破坏形态

4.3.2滞回耗能特性

4.4非线性推覆分析

4.4.1ETABS有限元分析软件介绍

4.4.2带RC耗能器框架推覆分析结果

4.5本章小结

第5章震损加固后带RC耗能器-限位斜撑框架抗震性能

5.1引言

5.2震损结构加固设计原理及方法

5.2.1碳纤维布加固设计的基本假定

5.2.2碳纤维布加固设计方法

5.2.3碳纤维布加固施工方法

5.2.4损伤试件加固方法

5.3试验设计

5.4加载方案

5.5试验结果与分析

5.5.1试件破坏过程及破坏形态

5.5.2滞回特性

5.5.3骨架曲线

5.6震损结构残余抗震能力——二次循环加载

5.7本章小结

第6章带RC耗能器-限位斜撑底部大空间结构模型振动台试验研究

6.1引言

6.2试验设计

6.2.1试验模型设计及制作

6.2.2量测内容

6.2.3地震波的选用

6.3试验结果与数据分析

6.3.1模型破坏现象

6.3.2模型的动力特性

6.3.3模型加速度反应和斜撑应力反应

6.3.4模型层间位移反应

6.3.5模型的应变反应

6.3.6模型基底剪力的分担关系

6.3.7模型耗能柱力-位移关系

6.3.8模型耗能能力分析

6.4本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢