既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震能力評估與改進研究.pdf

1、經(jīng)過大量研究，人們對預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)結(jié)構(gòu)的抗震性能有了一定的認識，但是這些認識大都來源于PC構(gòu)件或單跨PC框架的研究成果。在設(shè)計時，主要還是沿用普通鋼筋混凝土(RC)框架的設(shè)計方法，這是值得商榷的。預(yù)應(yīng)力混凝土框架跨度大、負載重，梁柱剛度比與普通框架有很大不同，且在中、低烈度地震區(qū)，一般由豎向荷載控制設(shè)計，若要實現(xiàn)梁鉸機制是非常困難的。因此，在設(shè)計中應(yīng)充分考慮到PC框架結(jié)構(gòu)的這些特殊性。
　　 目前，我國已建成大量的預(yù)應(yīng)力混

2、凝土框架，這些結(jié)構(gòu)大都基于89規(guī)范(GBJ10-89)和02規(guī)范(GB50010-2002)設(shè)計，且很大數(shù)量位于地震區(qū)。雖然PC框架采用了“兩階段”的設(shè)計方法，但通過構(gòu)造措施和變形驗算進行大震設(shè)計的方式使得設(shè)計人員無法準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)在地震中的實際抗震能力，更無法主動控制結(jié)構(gòu)的破壞情況。
　　 基于性能的抗震設(shè)計理論提出以來，采用非線性靜力分析法進行既有結(jié)構(gòu)的抗震能力評估一直是研究熱點之一，但將這種方法用于PC結(jié)構(gòu)抗震評估的研究還較

3、少，而將能量概念引入PC結(jié)構(gòu)抗震分析更是鮮見于文獻。此外，現(xiàn)有的分析和評估方法仍存在諸多的局限性和不足，需要加以改進?；谝陨蠋c，本文針對既有PC框架結(jié)構(gòu)的抗震能力評估問題展開了研究，主要工作內(nèi)容和研究成果如下：
　　 1)為了準(zhǔn)確模擬預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的非線性行為，建立了基于纖維截面的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)組合式非線性分析模型。依托OpenSees開發(fā)了一種粘結(jié)單元以模擬預(yù)應(yīng)力筋與混凝土間的粘結(jié)滑移，利用基于纖維截面的粘結(jié)單元模擬節(jié)

4、點與支座處普通縱筋的粘結(jié)滑移。模型同時還考慮了材料低周疲勞特性對結(jié)構(gòu)損傷的貢獻。經(jīng)檢驗，模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測PC框架結(jié)構(gòu)的非線性行為，且具有計算效率高，收斂性好的優(yōu)點。
　　 2)歸納了目前常用的幾種位移評估方法，并對能力譜法的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，對該方法存在的一些問題進行了研究和改進，既保證了評估結(jié)果的精確度，又簡化了分析過程。同時，根據(jù)基于性能的抗震設(shè)計與評估思想，提出了針對不同抗震設(shè)防水準(zhǔn)的連續(xù)化位移評估方法，該

5、方法避免了傳統(tǒng)能力譜法在確定性能點時的循環(huán)迭代過程。
　　 3)在對結(jié)構(gòu)抗震能量問題的研究現(xiàn)狀進行歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上，進行了結(jié)構(gòu)地震滯回耗能需求評估的研究。首先，詳細分析了地震動特性和結(jié)構(gòu)特性兩方面因素對地震總輸入能量的影響，并利用64條地震波記錄對結(jié)構(gòu)總輸入能量進行統(tǒng)計分析，改進了Manfredi提出的單自由度體系總輸入能量計算方法；然后，利用計算結(jié)果分析了滯回耗能與總輸入能量的關(guān)系，并給出了單自由度體系滯回耗能計算公式；最后

6、，推導(dǎo)了單自由度體系與多自由度體系滯回耗能轉(zhuǎn)化關(guān)系，并建立了多自由度體系滯回耗能連續(xù)化評估方法。該評估過程可以與設(shè)計反應(yīng)譜相結(jié)合，因此與規(guī)范聯(lián)系更加緊密。連續(xù)化能量評估曲線能夠清晰地顯示結(jié)構(gòu)在不同地震設(shè)防水準(zhǔn)下的滯回耗能需求，通過與連續(xù)化位移評估曲線的結(jié)合，可以利用雙指標(biāo)對結(jié)構(gòu)抗震能力進行全面、準(zhǔn)確地評估。
　　 4)基于變形與能量雙重準(zhǔn)則，引入結(jié)構(gòu)最大位移與滯回耗能需求，建立了改進的多模態(tài)往復(fù)pushover(MMCP)分析方

7、法，并采用隱式雙參數(shù)模型進行結(jié)構(gòu)地震損傷評估。方法隨后通過兩個鋼筋混凝土框架算例進行了分析驗證，結(jié)果表明：MMCP分析體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在地震作用下往復(fù)運動的特點，能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的剛度退化與強度退化現(xiàn)象，彌補了傳統(tǒng)單向pushover分析的本質(zhì)缺陷；MMCP法可以準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)構(gòu)整體和層間損傷狀況，其中，層間損傷反映了結(jié)構(gòu)損傷在各樓層間的分布情況，據(jù)此可以判斷薄弱層位置，為結(jié)構(gòu)的抗震能力分析以及抗震能力改進提供重要信息。此外，該方法通過與設(shè)計反

8、應(yīng)譜的結(jié)合，可以消除動力時程分析的選波問題，使得評估結(jié)果具有一定的普遍性和可靠度。
　　 5)結(jié)合我國設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，詳細分析了影響既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架實現(xiàn)強柱弱梁機制的主要因素，對抗裂度和預(yù)應(yīng)力強度比對結(jié)構(gòu)性能的影響進行了討論。隨后，按照89規(guī)范設(shè)計了兩個有代表性的多層多跨PC框架(PRCF1和PRCF2)，并利用MMCP法對結(jié)構(gòu)抗震能力進行了全面地評估。
　　 6)為了獲取既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架的動力特性、地震反應(yīng)

9、和破壞形式等抗震信息，進行了三層二跨空間PC框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究。試驗在多層多跨PC框架結(jié)構(gòu)的動力特性、地震反應(yīng)、破壞狀態(tài)、屈服機制、倒塌形式等方面得到了一系列重要結(jié)論，同時也驗證了前文建立的非線性分析模型和損傷評估方法，并為多層多跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究提供了重要試驗資料。
　　 7)結(jié)合既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架的特點，探討了多層多跨PC框架的合理屈服機制，并對該耗能機制的實現(xiàn)方法和主要問題進行了分析。提出了改進既有PC框架

10、抗震能力的設(shè)計方法，并應(yīng)用于PRCF1和PRCF2。采用MMCP法對改進后的兩框架進行了評估，并通過振動臺試驗對建議改進方法和評估結(jié)果進行了驗證。結(jié)果表明：改進后的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)既定屈服機制。由于原結(jié)構(gòu)薄弱層抗側(cè)剛度提高，柱腳出鉸推遲，結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體延性需求減小，因此地震損傷得到了有效控制。此外，改進后的結(jié)構(gòu)損傷并不是集中于底層，上部樓層的抗震能力也得到了一定程度的發(fā)揮，結(jié)構(gòu)的整體抗震能力有了較大的提高。文章最后對預(yù)應(yīng)力混凝土框架