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(píng)估與改進(jìn)研究.pdf

1、經(jīng)過大量研究，人們對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)結(jié)構(gòu)的抗震性能有了一定的認(rèn)識(shí)，但是這些認(rèn)識(shí)大都來源于PC構(gòu)件或單跨PC框架的研究成果。在設(shè)計(jì)時(shí)，主要還是沿用普通鋼筋混凝土(RC)框架的設(shè)計(jì)方法，這是值得商榷的。預(yù)應(yīng)力混凝土框架跨度大、負(fù)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(jì)，若要實(shí)現(xiàn)梁鉸機(jī)制是非常困難的。因此，在設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)方法，但通過構(gòu)造措施和變形驗(yàn)算進(jìn)行大震設(shè)計(jì)的方式使得設(shè)計(jì)人員無法準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)在地震中的實(shí)際抗震能力，更無法主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的破壞情況。
　　 基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論提出以來，采用非線性靜力分析法進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)的抗震能力評(píng)估一直是研究熱點(diǎn)之一，但將這種方法用于PC結(jié)構(gòu)抗震評(píng)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(xiàn)。此外，現(xiàn)有的分析和評(píng)估方法仍存在諸多的局限性和不足，需要加以改進(jìn)?；谝陨蠋c(diǎn)，本文針對(duì)既有PC框架結(jié)構(gòu)的抗震能力評(píng)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(diǎn)與支座處普通縱筋的粘結(jié)滑移。模型同時(shí)還考慮了材料低周疲勞特性對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的貢獻(xiàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，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(jì)算效率高，收斂性好的優(yōu)點(diǎn)。
　　 2)歸納了目前常用的幾種位移評(píng)估方法，并對(duì)能力譜法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)該方法存在的一些問題進(jìn)行了研究和改進(jìn)，既保證了評(píng)估結(jié)果的精確度，又簡化了分析過程。同時(shí)，根據(jù)基于性能的抗震設(shè)計(jì)與評(píng)估思想，提出了針對(duì)不同抗震設(shè)防水準(zhǔn)的連續(xù)化位移評(píng)估方法，該

5、方法避免了傳統(tǒng)能力譜法在確定性能點(diǎn)時(shí)的循環(huán)迭代過程。
　　 3)在對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能量問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)地震滯回耗能需求評(píng)估的研究。首先，詳細(xì)分析了地震動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)特性兩方面因素對(duì)地震總輸入能量的影響，并利用64條地震波記錄對(duì)結(jié)構(gòu)總輸入能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，改進(jìn)了Manfredi提出的單自由度體系總輸入能量計(jì)算方法；然后，利用計(jì)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(jì)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(píng)估方法。該評(píng)估過程可以與設(shè)計(jì)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(píng)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(píng)估曲線的結(jié)合，可以利用雙指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力進(jìn)行全面、準(zhǔn)確地評(píng)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(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)地震損傷評(píng)估。方法隨后通過兩個(gè)鋼筋混凝土框架算例進(jìn)行了分析驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的剛度退化與強(qiáng)度退化現(xiàn)象，彌補(bǔ)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(jìn)提供重要信息。此外，該方法通過與設(shè)計(jì)反

8、應(yīng)譜的結(jié)合，可以消除動(dòng)力時(shí)程分析的選波問題，使得評(píng)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(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，詳細(xì)分析了影響既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁機(jī)制的主要因素，對(duì)抗裂度和預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度比對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行了討論。隨后，按照89規(guī)范設(shè)計(jì)了兩個(gè)有代表性的多層多跨PC框架(PRCF1和PRCF2)，并利用MMCP法對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力進(jìn)行了全面地評(píng)估。
　　 6)為了獲取既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架的動(dòng)力特性、地震反應(yīng)

9、和破壞形式等抗震信息，進(jìn)行了三層二跨空間PC框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在多層多跨PC框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、地震反應(yīng)、破壞狀態(tài)、屈服機(jī)制、倒塌形式等方面得到了一系列重要結(jié)論，同時(shí)也驗(yàn)證了前文建立的非線性分析模型和損傷評(píng)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(yàn)資料。
　　 7)結(jié)合既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架的特點(diǎn)，探討了多層多跨PC框架的合理屈服機(jī)制，并對(duì)該耗能機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法和主要問題進(jìn)行了分析。提出了改進(jìn)既有PC框架

10、抗震能力的設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用于PRCF1和PRCF2。采用MMCP法對(duì)改進(jìn)后的兩框架進(jìn)行了評(píng)估，并通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)建議改進(jìn)方法和評(píng)估結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)既定屈服機(jī)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(jìn)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(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土框架