Shaking table test of a steel frame with replaceable curved knee braces

为实现钢框架结构的震后快速修复，提出了一种配置可更换弧形角撑和高强钢构件的抗弯钢框架结构。在目标水准地震作用下，结构塑性变形集中在弧形角撑上，高强钢构件基本保持弹性以降低震后残余变形，震后可通过更换弧形角撑快速修复结构。为研究所提出结构体系的抗震性能以及更换弧形角撑的可操作性，设计了1个带混凝土楼板的1/2缩尺模型进行振动台试验。试验结果表明：该模型实现了预定的损伤控制机制，能够满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的最大层间位移角限值要求；由于该模型在超罕遇水准的地震作用下可以保持较大的屈服后刚度，因此其残余层间位移角很小(不超过0.028%)，震后弧形角撑易更换；更换弧形角撑后，模型得到了一定程度的修复，但混凝土楼板开裂使得模型刚度未能完全恢复;在重复强震作用下，模型的最大层间位移角未发生显著变化，弧形角撑耗能稳定，但部分弧形角撑的最大变形有所增大，损伤在模型各局部呈现出不均匀发展的趋势。     

基于性能设计的高强钢组合Y形偏心支撑钢框架抗震性能研究

Y形偏心支撑钢框架结构中耗能梁段置于框架梁之外,耗能梁段变形不会对主体结构和楼板造成损害,震后易于修复更换。为了保证耗能梁段充分发挥塑性变形进行耗能,非耗能构件(框架梁、框架柱)截面设计往往过大,浪费钢材且限制了偏心支撑钢框架的应用。高强钢组合偏心支撑框架结构是指耗能梁段采用普通钢材(Q345钢),而框架梁、柱等非耗能构件采用高强度钢材(如Q460),不仅有效减小构件截面,而且可以推动高强钢在抗震设防区的应用,经济效益显著。采用基于性能的抗震设计方法设计了5层、10层、15层和20层的Y形偏心支撑钢框架结构,算例模型包括高强钢组合Y形偏心支撑钢框架和传统普通钢Y形偏心支撑钢框架,通过Pushover分析和时程分析研究该结构形式的承载力、抗侧刚度、层间侧移分布及破坏模式。研究表明:相同设计条件下,高强钢组合Y形偏心支撑钢框架结构与普通钢Y形偏心支撑钢框架结构的承载能力相近,但抗侧刚度略低,罕遇地震作用下二者具有相似的层间侧移分布和破坏模式。     

不同地震动特性下RC框架校舍抗震加固残余变形分析

校舍的抗震性能和震后残余变形直接关系到学生的顺利疏散和学校的震后修复,因此,本文以RC框架校舍为背景对其不同地震动特性下的抗震性能和震后残余变形展开研究。首先,介绍了泰州市姜堰区实验小学敏学楼的工程概况和加固方案,并据此建立了结构三维有限元模型,开展了动力特性分析;随后,进行多遇地震作用下的弹性和设防/罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,并以层间位移角为性能指标对结构抗震性能水平进行了评估;最后,以层间残余位移角和顶点残余位移为指标对比分析了近、远场地震作用下的结构残余变形。研究结果表明,近场地震作用下的抗震性能水平和残余变形指标均差于远场地震作用下的结果,其中底层层间残余位移角为远场地震的1. 67倍;加固后结构在罕遇地震作用下的破坏模式由严重破坏降低到了不严重破坏,层间最大残余位移角最大降低了69. 9%,校舍逃生概率和震后恢复能力显著提升。     

可更换连梁对框架-核心筒结构损伤影响研究

为定量评估罕遇地震作用下结构的损伤程度,结合国内外抗震设计规范与相关研究成果,给出了较为实用的结构与构件地震损伤判别标准。综合分析认为结构最大瞬时层间变形角、残余变形以及各类构件的最大转角可以较为全面反映整体结构与构件的损伤情况,便于在结构抗震设计时应用。针对以剪切变形为主的构件特点,提出一种可更换连梁,并给出了相应的设计方法。算例分析结果表明:可更换连梁对结构侧向刚度影响较小,通过改善结构的耗能能力,减小结构在罕遇地震作用下的层间位移角与相应的破坏程度;采用可更换连梁后,核心筒剪力墙的受损程度明显降低,顶部残余变形显著减小;尽管可更换连梁的耗能段变形集中,但与其相连的混凝土梁段基本保持弹性状态;对于钢框架-混凝土核心筒混合结构,边框柱与边框梁在罕遇地震作用下的损伤程度均较低,可更换连梁对其影响较小。     

Effect of replaceable coupling beams on damage of frame-core structures

为定量评估罕遇地震作用下结构的损伤程度,结合国内外抗震设计规范与相关研究成果,给出了较为实用的结构与构件地震损伤判别标准。综合分析认为结构最大瞬时层间变形角、残余变形以及各类构件的最大转角可以较为全面反映整体结构与构件的损伤情况,便于在结构抗震设计时应用。针对以剪切变形为主的构件特点,提出一种可更换连梁,并给出了相应的设计方法。算例分析结果表明：可更换连梁对结构侧向刚度影响较小,通过改善结构的耗能能力,减小结构在罕遇地震作用下的层间位移角与相应的破坏程度;采用可更换连梁后,核心筒剪力墙的受损程度明显降低,顶部残余变形显著减小;尽管可更换连梁的耗能段变形集中,但与其相连的混凝土梁段基本保持弹性状态;对于钢框架-混凝土核心筒混合结构,边框柱与边框梁在罕遇地震作用下的损伤程度均较低,可更换连梁对其影响较小。     

含可更换剪切型耗能梁段的高强钢框筒结构抗震性能分析

针对传统钢框筒结构地震耗能差和震后修复难度大等问题,结合剪切型耗能梁段耗能能力强及震后易修复、钢框筒抗侧刚度大、高强钢强度高且节约材料的优点,提出一种新型高层钢结构形式——含可更换剪切型耗能梁段的高强钢框筒结构(HSS-FTS)。给出了HSS-FTS的初步设计方法和耗能梁段的布置原则。为比较HSS-FTS和传统钢框筒结构(FTS)的抗震性能,采用SAP2000各建立了一个40层的HSS-FTS和FTS有限元模型,验证了有限元建模的合理性,分别对两个结构进行反应谱分析和动力弹塑性时程分析。结果表明:多遇地震下,HSS-FTS和FTS的层间位移角、基底剪力、楼层剪力和剪力滞后效应无显著差别,HSS-FTS可以满足抗震规范层间位移角的限值要求。罕遇地震和超大震作用下,HSS-FTS的柱轴力分布相比FTS更为均匀,减小了结构的剪力滞后效应,HSS-FTS的塑性铰主要集中在耗能梁段处,改变了FTS的塑性铰发展机制,具有理想的破坏模式。在罕遇地震和超大震作用下,HSS-FTS的层间位移角相比FTS分别降低了11.98%和13.63%,可有效减小震后结构的残余变形,降低耗能梁段的更换难度。HSS-FTS改变了FTS的耗能机制,在罕遇地震和超大震作用下,其耗能量相比FTS分别提高了86.58%和151.09%,其耗能能力显著提升,有效降低了结构的水平地震作用,可减轻除耗能梁段外的非耗能构件受损程度,此种新型高层钢结构形式更易于震后修复与功能的快速恢复。     

三层足尺分层装配支撑钢框架结构的振动台试验研究

为探究分层装配支撑钢框架体系在真实地震动力作用下的响应与性能,以某3层足尺房屋钢框架结构为研究对象,输入不同水准下的3条地震波进行振动台试验,分析了结构动力分步损伤行为、主（余）震层间变形、残余位移响应及其柔性支撑的可修复性。研究结果表明,结构满足我国规范对于抗震安全性的要求。在罕遇地震作用下,结构损伤集中于柔性支撑而主框架基本保持弹性,表现出损伤控制的特征,且震后基本无残余位移。未对支撑进行修复的结构在余震作用下的位移响应有所放大,但对支撑进行简易修复之后,结构抗震性能基本完全恢复。在超大地震作用下,主框架作为第二道抗震防线发展局部塑性变形,但震后残余位移仍然很小。柔性支撑初始是否张紧对结构初始刚度和层间位移分布有较大影响。支撑在动力作用下的突然张紧对结构产生了冲击效应,而支撑的延性可有效缓解此效应的影响。研究总体表明分层装配支撑钢框架体系应用于低多层建筑时具有优良的抗震性能与震后可恢复性。     

高地震烈度区混凝土框架-屈曲约束支撑结构应用研究

结合某高地震烈度区工程,对混凝土框架-屈曲约束支撑结构的抗震设计方法以及相关问题进行了研究。分析了混凝土框架-屈曲约束支撑结构的最大适用高度、合理的附加刚度、适宜的层间位移角限值,并通过罕遇地震下的弹塑性时程分析考察结构的抗震性能。结果表明:混凝土框架-屈曲约束支撑结构的抗震性能优于纯混凝土结构,主体混凝土框架更容易成为"损伤可控结构",实现震后可恢复性;建议混凝土框架-屈曲约束支撑结构的最大适用高度按混凝土框架结构和框架-抗震墙结构二者最大适用高度的平均值采用;为控制主体混凝土框架的损伤,屈曲约束支撑按刚度分配的地震倾覆力矩宜大于结构总地震倾覆力矩的50%,在各层承担的楼层地震剪力不宜小于30%;建议屈曲约束支撑的附加刚度比控制在1左右,延性系数不小于3;混凝土框架-屈曲约束支撑结构相对于混凝土框架结构的层间位移角限值,在多遇地震下应根据支撑不屈服的要求做适当调整。     

考虑结构整体特性的钢筋混凝土框架震后残余侧移响应研究

为了研究钢筋混凝土框架结构震后残余位移及结构整体特性对其影响,首先对3个楼层数不同的钢筋混凝土平面框架结构进行静力推覆分析,得到结构第一模态推覆曲线及相应等效三线形推覆曲线,进而基于等效推覆曲线获得结构整体的屈服后刚度比和下降段刚度比。其次,通过对钢筋混凝土平面框架结构在3个地震动强度水平、22条地震动记录输入下的弹塑性时程分析,分别计算得到最大层间位移角和最大残余层间位移角的平均值、标准差和变异系数,并分析结构整体特性如结构基本自振周期、屈服后刚度比、下降段刚度比等对最大层间位移角和最大残余层间位移角的影响,以及最大层间位移角和最大残余层间位移角之间的相关性。结果表明,最大层间位移角和最大残余层间位移角受结构基本自振周期影响明显,同一地震动强度水平下,两者均随结构基本自振周期的增大而增大。随着结构屈服后刚度比的增大和下降段刚度比绝对值的增大,最大残余层间位移角也增大,其离散性也随之变大。与上部楼层相比,高强度水平地震动下非线性发展较为充分的结构下部楼层的最大层间位移角和最大残余层间位移角的相关性较好。     

考虑残余变形的RC框架结构抗震性能评估

震后残余变形对于工程结构震后损伤和可修复性能的评价至关重要。首先,选取790条地震动记录对一个5层钢筋混凝土(RC) 框架结构进行增量动力分析,线性回归得出结构各损伤状态(性能水平)与残余层间位移角的量化关系;然后,分别对一个8层和一个11层RC框架结构进行增量动力分析,研究结构最大层间位移角和残余层间位移角两种损伤指标间的相关性;最后,对8层和11层结构分别进行基于两种损伤指标的地震易损性分析。分析结果表明：残余层间位移角与最大层间位移角具有较好的相关性;以最大层间位移角为结构损伤指标所得残余层间位移角无明显差异性,同样以残余层间位移角为结构损伤指标所得最大层间位移角也无明显差异性;以最大层间位移角和残余层间位移角为损伤控制指标,各损伤状态下50% 超越概率对应的谱加速度Sa(T1,5%)无明显偏差;以规范给出的最大层间位移角为损伤控制指标相对文章提出的残余层间位移角较为保守。因此,将残余层间位移角作为性能指标的研究对于基于层间位移角的震后结构性能评估是必要的。     

外挂PC复合墙板的分层装配支撑钢框架足尺振动台试验研究

为真实反映地震作用下墙板与分层装配支撑钢框架的动力协同工作性能,设计了三层足尺分层装配支撑钢框架通过柔性减震连接件外挂PC复合墙板结构模型,通过振动台试验考察其动力损伤演化机制和变形特征。研究结果表明：外挂PC复合墙板的分层装配支撑钢框架结构可以满足我国规范对于抗震安全性的要求,并且表现出损伤控制和低残余位移特性。多遇地震作用下结构和墙板完好无损;设防地震作用下结构无损,墙板微损;罕遇地震作用下结构损伤集中于柔性支撑,梁柱框架无损,墙板及连接无显著破坏;超大地震作用下梁翼缘局部进入塑性,墙板节点和墙板边缘及预埋件处有显著破坏但主体结构完好。采用柔性减震连接件外挂的PC复合墙板不会影响分层装配支撑钢框架的变形恢复能力,其相对于主体结构具有良好的变形适应性,提高了分层装配支撑钢框架的层间变形均匀性,在支撑松弛的情况下可以显著提高结构刚度,从而降低层间位移响应和扭转响应,并削弱了柔性支撑在动力作用下突然张紧产生的冲击效应。总体上,外挂PC复合墙板的分层装配支撑钢框架结构具有优良的抗震性能和震后可恢复性。     

高强钢组合K形偏心支撑框架抗震性能对比分析

为研究不同强度组合的高强钢组合K形偏心支撑框架结构的抗震性能,设计了一组不同强度(Q345、Q460、Q690钢材)组合的5层K形偏心支撑框架结构算例Q345-5、Q460-5和算例Q690-5,选取10条地震动记录对其进行动力时程分析,得到各算例在不同水准地震作用下的耗能梁段转角和层间位移角。研究表明：8度罕遇地震作用下,高强钢组合K形偏心支撑框架的层间位移角比传统K形偏心支撑钢框架大,各算例耗能梁段全部进入塑性变形阶段;塑性层间位移角到达规范限值时,算例Q460-5框架梁开始进入塑性变形阶段,算例Q690-5框架柱、框架梁和支撑均处于弹性变形阶段,还可以承受更大的地震作用;达到定义的极限状态时,与传统偏心支撑钢框架相比,算例Q460-5能够承受的地震作用和耗能梁段转角更小;算例Q690-5承受的地震作用和耗能梁段转角更大。     

附加曲线钢板支撑的预制预应力混凝土装配式梁柱节点抗震性能

为研究附加曲线钢板支撑的预制预应力混凝土装配式梁柱节点的抗震性能,对不同截面宽度和不同偏心距离的附加曲线钢板支撑的预制预应力混凝土装配式梁柱节点,以及无支撑装配式梁柱节点对比试件进行低周往复荷载试验研究以及数值模拟分析,研究节点试件破坏形式、承载力、刚度、耗能等变化规律。结果表明：在层间位移角不大于5％时,节点试件具有稳定的受力性能,节点梁端混凝土压碎,同时曲线钢板支撑受弯屈服;曲线钢板支撑可提高预应力装配式梁柱节点试件的承载力、刚度和耗能,随着支撑截面宽度的增加以及偏心距离的减小,节点试件承载力、刚度和耗能逐渐提高;在层间位移角为4%时等效黏滞阻尼系数为0.12~0.20,相对无支撑预应力装配节点提高约2~3倍;在曲线钢板支撑偏心率小于0.3时,节点试件承载力受偏心距离影响较大,偏心率大于0.3时,承载力基本不变。     

火电厂钢框排架-支撑结构抗震性能试验研究

为研究我国高烈度大容量机组火力发电厂钢框排架-支撑结构的抗震性能,以某典型火电厂主厂房为实例,选取横向某榀结构为研究单元,设计1∶10比例模型,进行了有侧限低周往复加载试验。根据试验现象和所获滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、位移延性和等效黏滞阻尼系数等综合评价结构的抗震性能。研究结果表明：钢框排架-支撑模型结构的荷载-位移曲线饱满,结构延性和耗能能力较好,具有良好的抗震能力;结构底部支撑为最初破坏部位,塑性铰发展顺序为先梁端后柱端,最终框架柱呈压弯变形,排架柱呈弯扭变形;框架平面内加载下结构正向最大承载力比反向偏大11.3%,存在不对称性;结构第2层层间位移角达到1/22,为薄弱层所在,设计中应予以加强。钢支撑受压屈曲是局部出现平面外变形、节点连接处变形和残余变形等问题的重要原因。     

半刚性框架-屈曲约束钢板剪力墙结构振动台试验研究

为研究半刚性框架-钢板剪力墙结构的抗震性能,进行了1个缩尺比为1/3的单跨4层钢框架-屈曲约束钢板剪力墙的振动台试验。试验采用模拟地震动的方法,选取El Centro波、Taft波和一条人工合成波,分析在7度多遇至9度罕遇共计8个水平地震作用工况下结构的动力特性和动力响应。研究结果表明：在多遇地震作用下,结构无明显塑性变形;罕遇地震作用时,1、3层墙板大部分区格形成拉力带。随着地震激励的增大,结构刚度逐渐退化,9度罕遇地震输入后结构抗侧刚度最大降幅仅为12%;屈曲约束钢板墙作为第一道抗震设防防线,率先进入弹塑性工作阶段,吸收耗散地震能量,避免框架发生破坏;在多遇及罕遇地震作用下结构的层间位移角分别为1/476和1/68,均满足我国现行抗震规范对层间位移角限值的规定。结构整体表现出优异的抗震性能,满足我国“两阶段,三水准”抗震设防要求。     

设置组合工字钢梁的自复位框架抗震性能试验研究

基于“可恢复功能抗震结构”的设计理念,设计并制作了一种设置组合工字钢梁的自复位框架,采用消能杆作为耗能元件,进行了由不同消能杆组成的4个自复位框架的低周往复荷载试验,在分析其受力机理的基础上,对比分析了结构的受力发展过程、耗能能力和卸载后的自复位能力。结果表明：各自复位框架的试验宏观现象基本相同,其荷载-位移滞回曲线均呈“双旗帜”形;锚固板开口后,框架的抗弯刚度由预应力钢绞线和消能杆提供;层间侧移角加载至4%时,骨架曲线仍无下降趋势,结构具有良好的承载能力和变形能力;自复位框架的塑性变形都集中于消能杆,更换消能杆后,结构的抗震性能得以迅速恢复,实现了震后易于修复的设计目标;通过对残余层间侧移角和等效黏滞阻尼系数的分析表明,结构具有良好的自复位能力和耗能能力,且框架的抗震性能主要由自复位参数确定。     

屈曲约束支撑与黏滞阻尼器的减震效果对比研究

以某钢筋混凝土框架结构工程实例为研究对象,选取与场地条件相匹配的地震动作为激励,在SAP2000程序中计算了该结构在多遇和罕遇地震作用下的非线性动力反应,并在框架结构模型中分别设置屈曲约束支撑和黏滞阻尼器。通过试算确定消能减震装置的参数,使得两种消能减震结构在多遇地震作用下的位移减震率均为40%。在此条件下,对比分析了结构的层间位移角、楼层加速度、基底剪力、柱轴力、塑性铰分布和各层阻尼器的工作状态。分析表明：在多遇地震作用下,屈曲约束支撑增大了结构的加速度响应,而黏滞阻尼器能够减小结构的加速度响应;在罕遇地震作用下,二者均能有效控制楼层的加速度响应,而屈曲约束支撑的位移减震效果更好,但黏滞阻尼器对框架柱内力的减少效果更为显著。