装配式高层钢框架-自复位混凝土筒体组合结构振动台试验模型设计

为研究新型装配式自复位筒体结构的整体抗震性能,并检验该结构特殊细部构造的有效性,同济大学土木工程防灾国家重点实验室开展了高层钢框架-自复位混凝土筒体组合结构的模拟地震振动台试验。试验对象为某一10层装配式结构,结构体系由外围承重框架和承担水平作用的自复位混凝土筒体组成。墙柱间滑槽式连接节点以及全铰接的框架连接方式用于完全分离结构的承重体系和抗侧体系,以实现结构主体在地震作用下的低损伤特性。对该振动台试验模型设计进行了介绍,详细说明了结构体系的作用机理、试验模型的设计计算流程和特殊的细部构造,为今后类似的装配式高层自复位筒体结构的设计与试验提供参考。     

考虑楼板效应的装配式自复位钢框架节点弯矩-转角理论研究

装配式自复位钢框架结构体系在地震中能够有效耗散地震能量、控制结构损伤,震后残余变形小易修复,但由于震时自复位钢框架节点开口的特性带来了装配式自复位钢框架自身膨胀效应,使得传统的楼板体系不适用于该类结构体系。基于课题组提出的带新型滑动次梁的楼板体系和考虑带新型滑动次梁楼板体系后自复位框架梁各轴向力的计算式和自复位钢框架节点弯矩-转角关系。通过一个算例量化分析了8度设防、8度罕遇和8度罕遇(0. 3g)三个地震动水准下楼板效应对自复位钢框架节点开口后弯矩-转角的影响程度。     

带中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架拟动力试验

为解决较大跨度自复位钢框架结构层间位移角可能超限或耗能不足的关键问题,课题组前期提出将中间柱型阻尼器应用于装配式自复位钢框架。但是因门窗开洞等要求而不能在跨中处设置中间柱型阻尼器,从而提出了带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架,对其进行了拟动力试验,并与带单中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架的拟动力试验进行了对比,分析了其位移响应、滞回性能、中间柱摩擦阻尼器滑动、索力及典型部位应变变化等。结果表明,两榀框架震后短梁-长梁连接界面处残余转角和索力降低均较小,具有良好的开口闭合机制,耗能能力较优,能够有效避免主体结构的损伤,且带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架控制结构侧移效果更好,耗能性能更优,适用于较大跨度的多高层结构。     

超高层钢管混凝土重力柱-混凝土核心筒结构振动台试验研究

提出一种新型的钢管混凝土重力柱-核心筒结构体系,通过地震模拟振动台试验验证其抗震性能。以实际超高层钢管混凝土柱框架-混凝土核心筒建筑结构为参考,将钢框架梁与柱或核心筒的刚性节点改为螺栓连接的铰接节点,简化结构并制作1/40的缩尺结构模型,采用4条地震动记录进行不同工况的振动台试验,分析结构的震损特点、动力特性、侧向位移、层间位移角、扭转角、地震惯性力、楼层剪力和倾覆弯矩等。结果表明：震损主要出现在下部楼层的混凝土楼板与柱连接、楼板与核心筒连接、楼板与钢梁连接、核心筒角部等部位;基本自振周期和阻尼比随震损增加而增大,动力放大效应减小,长周期地震动反应显著,侧向变形和层间位移显著增大;外排架柱的层间位移主要为不产生内力的刚体转动,核心筒层间位移角达1/26,超过规范JGJ 3—2010中规定的框架-核心筒结构体系不倒塌限值的3.85倍而未出现倒塌;外排架抗扭刚度小,结构扭转反应由核心筒主导;地震惯性力和楼层剪力受地震长周期分量的影响小,随结构损伤增大楼层内力增加幅度减小。     

超高层钢管混凝土重力柱-混凝土核心筒结构振动台试验研究

提出一种新型的钢管混凝土重力柱-核心筒结构体系,通过地震模拟振动台试验验证其抗震性能。以实际超高层钢管混凝土柱框架-混凝土核心筒建筑结构为参考,将钢框架梁与柱或核心筒的刚性节点改为螺栓连接的铰接节点,简化结构并制作1/40的缩尺结构模型,采用4条地震动记录进行不同工况的振动台试验,分析结构的震损特点、动力特性、侧向位移、层间位移角、扭转角、地震惯性力、楼层剪力和倾覆弯矩等。结果表明:震损主要出现在下部楼层的混凝土楼板与柱连接、楼板与核心筒连接、楼板与钢梁连接、核心筒角部等部位;基本自振周期和阻尼比随震损增加而增大,动力放大效应减小,长周期地震动反应显著,侧向变形和层间位移显著增大;外排架柱的层间位移主要为不产生内力的刚体转动,核心筒层间位移角达1/26,超过规范JGJ 3—2010中规定的框架-核心筒结构体系不倒塌限值的3.85倍而未出现倒塌;外排架抗扭刚度小,结构扭转反应由核心筒主导;地震惯性力和楼层剪力受地震长周期分量的影响小,随结构损伤增大楼层内力增加幅度减小。     

混凝土自复位墙结构地震全过程损伤分析

后张法预应力混凝土自复位墙是一种有效的可恢复功能结构。虽然自复位墙自身在地震中损伤较小，但其与周边构件的变形不协调可使结构损伤严重。为控制结构层面的损伤，设计了1个框架-自复位墙结构，对自复位墙底、梁柱节点、墙梁节点、墙-基础连接、柱-基础连接以及墙-板连接开展损伤控制设计，并对设计的结构进行足尺振动台试验。结构共经历了39次不同设计工况下不同烈度的地震激励，峰值加速度最大达1.0g,位移角最大达3.3%。对结构在历次地震作用下整体、局部构件和节点的损伤发展进行全过程定量分析，结果表明：自复位墙-开槽梁结构在地震作用下的损伤能够得到有效控制，其中多遇、设防地震作用下结构基本无损伤，罕遇地震作用下墙底损伤仅限角部剥落且面积仅为400 cm²,楼板有开裂且裂缝最大仅为1.2 mm,梁端剥落可忽略；自复位墙-开槽梁结构可使整个结构在不同设计位移角下实现多遇、设防地震不坏，罕遇地震小修甚至不修的抗震性能目标；设计的连接方式解决了结构中构件之间的变形不协调问题，提高了自复位墙结构层面的可修复性。     

梁端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能振动台试验研究

受控摇摆式钢筋混凝土框架(CR-RCF)采用梁柱铰接节点,后张预应力钢筋提供结构整体恢复力,并采用层间阻尼器耗散地震能量、控制结构整体位移。通过模拟地震振动台对比试验,研究受控摇摆式钢筋混凝土框架的抗震性能。介绍了CR-RCF结构的摇摆机制及摇摆节点的构造形式,设计了受控摇摆式钢筋混凝土框架和常规框架两个振动台试验模型,输入El Centro地震波,得到了不同地震动峰值加速度下结构的动力响应,对比分析了两个模型的振动台试验结果。结果表明：CR-RCF结构较常规框架具有更小的抗侧刚度,故其地震加速度响应更小;CR-RCF结构设置了层间阻尼器耗能装置,地震作用下的结构整体位移得到有效控制;在经历罕遇地震作用后,仅层间阻尼器进入屈服状态,主体框架承重构件保持完好,无任何损伤,表现出优异的“免损伤”特征。     

装配式复式钢管混凝土框架-梁端螺栓连接钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验研究

为促进复式钢管混凝土框架剪力墙结构的建筑工业化,提出一种可完全装配式建造的复式钢管混凝土框架-梁端螺栓连接钢筋混凝土剪力墙结构体系,体系中梁-柱节点、柱-柱拼接节点和框架与剪力墙连接均采用全螺栓装配式连接。为研究该体系的抗震性能,开展了三榀1∶2缩尺模型的低周往复荷载试验,研究了各模型的破坏特征、滞回性能、延性、抗侧刚度和承载力退化。结果表明：梁端螺栓连接钢筋混凝土剪力墙(BRW)破坏形态与钢筋混凝土梁“剪压”型破坏特征相似;BRW先于框架发生破坏,可作为复式钢管混凝土框架的第一道抗震防线,框架则为第二道防线;BRW与框架的装配式连接可靠,在整个加载过程中可有效提高框架的承载力和抗侧刚度,可保证BRW与框架在地震作用下的协同工作能力,进而保障BRW的性能得以充分发挥。     

钢管混凝土柱-钢梁-轻钢主次框架振动台试验研究

为了增加轻钢框架结构的应用范围，基于主次结构的理念，提出了以钢管混凝土柱-钢梁-斜撑为主结构并形成主要抗侧力体系，以主要承受自身竖向荷载的轻钢框架为次结构的结构体系，其中轻钢次框架以循环嵌套的方式与主结构相结合。为研究轻钢次框架的结构形式、钢管混凝土柱-钢梁连接节点、次框架采用预制装配式楼板对主次框架结构损伤特征和抗震性能的影响，按7度0.1g设计并制作了2个按1∶3缩尺的6层钢管混凝土柱-钢梁-轻钢主次框架结构模型。对2个模型分别进行振动台试验，分析了其动力特性和地震响应。试验结果表明：2个缩尺模型在7度0.1g罕遇地震作用下均无明显破坏现象，在8度0.2g极罕遇地震下的最大层间位移角分别达到1/28和1/35,但主要结构构件未出现明显损伤；次框架采用铰接梁柱节点并取消第3层钢柱可明显减小水平地震对次框架受力的影响，且可提高装配率、降低造价；刚性法兰连接节点可确保双向水平地震下钢管混凝土柱端先屈服，能满足连接节点更强的抗震要求；经过构造措施加强的次结构预制楼板与边钢梁有明显的组合空间作用，可对边钢梁扭转形成有效约束。     

中间柱型阻尼器装配式自复位钢框架数值模拟

装配式自复位钢框架具有震后结构自动复位、结构残余变形及损伤较小、可以恢复结构正常使用功能等优势。但是当装配式自复位钢框架跨度较大时,常因刚度不足导致其层间位移角不能满足抗震设计规范限值要求。为此,提出了中间柱型阻尼器装配式自复位钢框架,在拟动力试验研究基础上,通过有限元软件ABAQUS进行数值模拟,并与试验结果进行对比分析;在数值模拟校验的基础上,通过有限元分析研究了施加竖向活荷载对中间柱型阻尼器工作机制的影响。研究结果表明：数值模拟与子结构拟动力试验结果在结构位移峰值、滞回性能、索力变化等方面吻合较好,数值模拟方法可靠;中间柱型阻尼器可提高框架结构的抗侧刚度,有效控制结构层间位移角,同时提高结构耗能能力,延缓主体结构塑性发展进而保护主体结构,减小结构残余变形并控制损伤;中间柱型阻尼器装配式自复位钢框架具有良好的自复位能力,竖向活荷载对中间柱型阻尼器滞回性能及耗能能力影响不大。     

预应力自复位装配式混合框架结构抗震性能试验研究

为了提高传统装配式混凝土结构的抗震能力,结合螺栓连接的施工性能、后张预应力筋的复位性能和腹板摩擦装置的耗能性能优势,提出一种预应力自复位装配式混合(SPH）框架结构。SPH框架结构由预应力钢筋混凝土柱和预制预应力钢-混凝土混合梁通过高强螺栓拼装而成,主要通过布置在梁与柱内的后张无黏结预应力筋提供复位力,通过混合梁内的摩擦装置与钢梁段的塑性变形进行耗能。完成了1榀无预应力装配式混合(NPH）框架及2榀SPH框架的低周往复加载试验,分别考虑了预制梁、柱内预应力筋初始预应力、摩擦装置处高强螺栓初始预紧力及柱脚构造措施对该类结构承载能力、复位性能及耗能能力等抗震性能的影响。研究结果表明：采用千斤顶非接触锚具的后张预应力筋方法行之有效;SPH框架相较于NPH框架表现出更好的承载性能、复位效果、变形及耗能能力;SPH框架表现出明显的两阶段特征,即在位移角2.0%以前,结构整体表现为“强复位、低耗能”特点,可以有效控制残余变形,相对自复位率保持在85%左右,在位移角2.0%以后,结构整体表现为“弱复位、强耗能”特点;整个试验过程中SPH框架主体构件损伤不明显,基本实现震后可恢复功能。     

后张预应力压接装配混凝土框架结构足尺试验研究

为研究预应力压接高效装配式混凝土框架体系(PPEFF体系)的抗震性能和预应力筋锚具意外失效情况下的抗连续倒塌性能,开展了二层三跨足尺平面框架模型的试验研究。框架模型首层层高4.2 m,顶层层高3.5 m,中梁跨度为8.5 m,边梁跨度为7.5 m,按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中抗震设防烈度8度(0.3 g)进行设计。试验中首先在框架顶部施加低周水平往复荷载,当加载至0.01 rad位移角时,框架梁端和柱脚耗能钢筋屈服;当加载至0.0195 rad位移角时,结构残余位移角为0.005 rad,展现了良好的低损伤和自复位特性;当加载至0.04 rad位移角时,水平荷载达到峰值,预应力筋仍处于弹性工作状态,展现了良好的抗侧能力和耗能能力。详细观测了加载全过程结构的变形、刚度退化、耗能、预应力变化和梁伸长等行为,并进行了数值分析,与试验结果吻合良好。为进一步验证经历强震损伤后梁端受剪承载力和梁跨中局部有黏结构造措施的有效性,在水平加载试验结束后,人为去除框架一层端部预应力筋锚具,对梁端进行了剪切试验,获得了预应力筋有效和失效情况下PPEFF节点梁端受剪破坏模式,验证了PPEFF梁柱节点具有良好的抗剪能力和安全储备。     

Shaking table test study of high-rise frame-shear wall structure isolated by friction pendulum bearings

为了研究摩擦摆隔震高层结构的抗震性能，提出了摩擦摆隔震设计的具体流程，并设计了一栋12层的摩擦摆隔震框架-剪力墙结构。为考察其隔震效果，制作了相应的缩尺模型并进行振动台试验。基于试验结果，研究上部结构的楼层响应和摩擦摆隔震支座的位移响应，对比分析剪力墙下摩擦摆及框架柱下摩擦摆滞回性能的区别。研究结果表明：通过摩擦摆隔震，该框架-剪力墙结构实现了9度多遇地震弹性，设防地震、罕遇地震甚至超罕遇地震可修；结构的楼层响应显著降低，摩擦摆完全起滑后，地震强度越大，摩擦摆的隔震效果越好，且摩擦摆隔震支座具有良好的自复位能力；在9度罕遇地震作用下，剪力墙下摩擦摆发生了竖向提离抬升，对摩擦摆的滞回性能产生影响。     

摩擦摆隔震高层框架-剪力墙结构振动台试验研究

为了研究摩擦摆隔震高层结构的抗震性能,提出了摩擦摆隔震设计的具体流程,并设计了一栋12层的摩擦摆隔震框架-剪力墙结构。为考察其隔震效果,制作了相应的缩尺模型并进行振动台试验。基于试验结果,研究上部结构的楼层响应和摩擦摆隔震支座的位移响应,对比分析剪力墙下摩擦摆及框架柱下摩擦摆滞回性能的区别。研究结果表明：通过摩擦摆隔震,该框架-剪力墙结构实现了9度多遇地震弹性,设防地震、罕遇地震甚至超罕遇地震可修;结构的楼层响应显著降低,摩擦摆完全起滑后,地震强度越大,摩擦摆的隔震效果越好,且摩擦摆隔震支座具有良好的自复位能力;在9度罕遇地震作用下,剪力墙下摩擦摆发生了竖向提离抬升,对摩擦摆的滞回性能产生影响。     

装配式夹心剪力墙结构抗震性能研究

夹心剪力墙包含夹心段和暗柱,在装配式夹心剪力墙结构中只考虑暗柱区域的竖向连接。为了研究采用不同连接形式的装配式夹心剪力墙结构的抗震性能,设计了3种连接形式,即湿式连接、干式刚性连接和摩擦耗能连接,并对3种连接形式的装配式夹心剪力墙结构进行了拟静力试验。结果表明：采用湿式连接和干式刚性连接的结构抗震性能基本一致,两者都主要依靠底层的塑性变形耗散能量;夹心构造改变了传统低矮剪力墙容易发生剪切破坏的模式,该类剪力墙主要发生弯曲变形及破坏;在采用摩擦耗能连接的结构中,混凝土结构主体在加载结束时仍保持弹性工作状态,刚度和承载力均较采用刚性连接结构的低,累积耗能未降低,摩擦耗能连接件达到了耗散地震能量和保护混凝土结构主体免遭塑性破坏的目的,底层水平缝处的连接件依靠水平缝的开合位移耗散能量,竖缝处的连接件依靠竖缝两侧墙体的相互错动位移耗散能量;采用摩擦耗能连接的结构需要额外的预应力增大其自复位能力。另外,建立了数值分析模型,采用分层壳和桁架单元分别模拟夹心剪力墙和接缝处的连接件,模拟分析的滞回曲线和主应变分布与试验结果吻合较好,该数值分析模型可用于模拟装配式夹心剪力墙结构在地震作用下的响应。     

装配式预制混凝土框架结构缩尺模型拟动力试验研究

对一个单层、单跨、三榀、采用橡胶垫螺栓连接梁柱节点的装配式预制混凝土框架结构1/2缩尺模型进行拟动力试验,研究该结构在地震作用下的破坏模式、变形、滞回、耗能、强度、刚度等抗震性能。试验结果表明:此类装配式预制混凝土框架结构具有较好的抗震性能;采用橡胶垫螺栓连接的梁柱节点在试验中工作状态良好,而采用焊接连接的板梁节点在试验中破坏严重;屋面板与梁的焊接节点是此类结构的抗震薄弱环节。建议今后工程设计中对此类结构的板梁连接节点进行加强或采用柔性连接。     

低损伤预应力自复位装配式混凝土耗能框架节点试验和数值研究

为了提高传统预应力干连接节点的抗震性能,提出一种带软钢阻尼器的低损伤自复位装配式混凝土（self-centering precast concrete,SCPC）耗能框架节点。设计了10个不同参数试件,对其进行拟静力试验,研究不同试验参数下梁柱组合体的裂缝开展情况、滞回特性、预应力筋合力、骨架曲线、钢筋应变等。试验结果表明：相比传统的RC节点,低损伤SCPC节点具有良好的自复位能力和抗震性能,预制构件最大裂缝宽度仅为0.08mm;试验中预应力筋始终保持弹性状态,初始预应力越大、预应力筋四周布置能明显提高SCPC节点的初始刚度和耗能能力,耗能条尺寸为中等型号的软钢阻尼器D1在三种阻尼器中耗能效果最佳;梁中纵向钢筋的应变也随梁端位移的增加而增加,且拉应变值明显大于压应变。此外,通过节点有限元模拟和试验结果的误差分析可得,节点张开弯矩、极限弯矩、初始刚度和开裂后刚度的最大误差均在7%以内,从而验证了有限元模拟方法的精确性,可为低损伤SCPC框架结构的整体抗震分析奠定基础。     

高位转换消能减震结构振动台试验研究

某超限高层建筑采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,存在高位转换层,其楼板平面开洞尺寸过大,造成楼板平面刚度不连续。弹性分析时,楼层竖向构件最大水平位移与楼层水平位移平均值之比为1.31,属结构扭转不规则,为此结构设计采用了软钢阻尼器来提供附加刚度及阻尼。为研究该高层建筑结构抗震性能,进行了1∶20缩尺模型的振动台试验,获得了模型结构的动力特性及在地震作用下的动力反应,分析了原型结构的地震反应。试验及分析结果表明,该结构满足现行建筑抗震设计规范的抗震设防要求;阻尼器减小了结构的扭转反应,对加速度反应起到了一定的减小作用;转换层上刚度变化较大,应逐步减缓刚度变化,改善相邻楼层的延性;出屋面层的鞭梢效应严重,应重视出屋面层的抗震设计。     

Experimental and numerical study on low damage self-centering precast concrete energy dissipated frame connections

为了提高传统预应力干连接节点的抗震性能，提出一种带软钢阻尼器的低损伤自复位装配式混凝土（self-centering precast concrete，SCPC）耗能框架节点。设计了10个不同参数试件，对其进行拟静力试验，研究不同试验参数下梁柱组合体的裂缝开展情况、滞回特性、预应力筋合力、骨架曲线、钢筋应变等。试验结果表明：相比传统的RC节点，低损伤SCPC节点具有良好的自复位能力和抗震性能，预制构件最大裂缝宽度仅为0.08mm；试验中预应力筋始终保持弹性状态，初始预应力越大、预应力筋四周布置能明显提高SCPC节点的初始刚度和耗能能力，耗能条尺寸为中等型号的软钢阻尼器D1在三种阻尼器中耗能效果最佳；梁中纵向钢筋的应变也随梁端位移的增加而增加，且拉应变值明显大于压应变。此外，通过节点有限元模拟和试验结果的误差分析可得，节点张开弯矩、极限弯矩、初始刚度和开裂后刚度的最大误差均在7%以内，从而验证了有限元模拟方法的精确性，可为低损伤SCPC框架结构的整体抗震分析奠定基础。     

预应力预制框架节点修复机理试验研究

基于工程可修复及震后快速修复的需求,提出一种新型自复位预应力预制框架节点形式(PTED节点)。为了研究PTED节点的抗震性能,进行低周往复加载试验,试验结果表明,节点的弹塑性变形集中在耗能角钢上,梁、柱构件及预应力筋基本保持弹性,卸载后节点具有良好的自复位能力,残余变形小。基于PTED节点的自复位功能及损伤集中的特点,提出PTED节点的修复机理和修复方法,即震后利用预应力筋的回弹复位功能使结构恢复到正常状态,然后更换受损角钢完成修复。为了验证修复机理的正确性和修复方法的可行性,对修复后节点重新进行低周往复加载,试验结果表明,修复后节点的抗震能力与原节点基本等同。