多层预应力混凝土框架结构基于IDA的地震易损性分析

为研究我国《预应力混凝土结构抗震设计规程》（JGJ40-2004）所规定的PC框架结构轴压比、柱端弯矩增大系数等设计参数取值的合理性,根据该规程设计了6榀轴压比与柱端弯矩增大系数取值不同、抗震等级为二级的PC框架结构,在OpenSees软件中,采用基于材料的非线性纤维梁柱单元建立其数值分析模型,考虑材料、荷载、地震动等参数的随机性,分别对其进行基于增量动力的易损性分析。研究表明:当轴压比相同时,提高柱端弯矩增大系数,或在柱端弯矩增大系数相同时,减小柱的轴压比,均能有效地改善PC框架结构的抗震性能;04规程中规定的二级PC框架结构的柱端弯矩增大系数限值偏小,规程修订时应予以增大,建议≥2.0;04规程中规定的二级PC框架结构的轴压比限值偏大,规程修订时应予以适当减小,建议<0.7。     

PC框架结构基于易损性的“强柱弱梁”设计方法研究

研究和震害均表明,按规范设计的钢筋混凝土框架结构很难实现"强柱弱梁"的破坏机制。当前指导我国预应力混凝土（PC）框架结构抗震设计的04规程是以01抗震规范为基础编制的,滞后于10抗震规范,因而,有必要进行PC框架结构"强柱弱梁"设计方法的研究。首先,考虑进行PC框架设计时其梁中受力钢筋预先确定的特点,提出均采用抗震等级为一级的RC框架结构"强柱弱梁"设计的方法,即:依据梁端实际抗震受弯承载力来调整其柱端弯矩的方法;其次,针对与新方法匹配的柱端弯矩增大系数的合理取值问题,依据04规程设计了抗震等级为一、二、三级的4个多层PC框架,并在OpenSees平台上对其建立非线性分析模型,建模时以框架能形成"强柱弱梁"的屈服机制为目标,在罕遇地震作用下,采用除框架底层柱下端外其他柱截面的纵筋均不屈服的梁铰机制,对每个框架分别输入35条地震波进行罕遇地震作用下的响应分析,并对柱端弯矩增大系数的需求值进行统计,结果表明:PC框架结构边节点和中节点处的柱端弯矩增大系数,在抗震等级为三级时可分别取1.05、1.0,二级时分别取1.25、1.15,一级时分别取1.3、1.2;最后,按新方法对抗震等级为二、三级的两个PC框架进行重新设计,并对其进行基于IDA的易损性分析,验证了本文所提出的设计方法的实用性。     

非预应力筋对无粘结预应力混凝土梁性能影响分析

为跟踪无粘结预应力混凝土梁的全过程响应,建立了一种基于法平面弧长算法的有限元模型。该算法能较好地处理梁加载过程的响应变化,可穿越梁破坏前可能出现的极值点问题。设计了7根含有不同非预应力筋配筋率的无粘结预应力混凝土梁,利用提出的数值模型对这些梁进行非线性全过程分析。分析结果表明,没有配置受拉区非预应力筋的无粘结预应力混凝土梁的弯曲性能非常不理想,在梁内配置少量的受拉区非预应力筋,能极大改善梁的性能;随着非预应力筋配筋率的提高,无粘结部分预应力混凝土梁的开裂刚度和极限承载能力有显著提高,而后弹性挠度以及无粘结预应力筋极限应力则明显降低。     

预应力型钢超高强混凝土梁受剪承载力试验研究

基于12榀预应力型钢超高强混凝土简支梁和2榀预应力型钢普通强度混凝土简支梁的受剪试验,揭示了影响试验梁受剪性能的主要因素,探讨了剪跨比、箍筋间距、腹板厚度、混凝土强度和预应力度对试验梁的破坏形态、荷载-挠度曲线、斜截面开裂荷载和受剪承载力的影响规律。试验结果表明:预应力型钢超高强混凝土梁具有更好的受剪承载力和剪切延性,以及更大的刚度;基于试验结果建立了预应力型钢超高强混凝土梁的受剪承载力建议计算公式,计算结果与试验结果吻合较好,表明了该文提出的计算公式具有较高的精度。研究成果将为预应力型钢超高强混凝土梁的设计计算和工程应用提供理论依据。     

部分预应力混凝土框架结构的非线性分析

本文直接从混凝土和钢筋的应力与应变关系,推导了预应力混凝土截面弯矩-轴力-曲率(M-N-Φ)关系的计算方法,并实现了框架梁与柱截面M-N-Φ关系计算方法的统一;提出了变刚度单元的位移模式与刚度矩阵,实现了部分预应力凝凝土框架结构的非线性分析。按本文建立的非线性分析方法所得的计算结果,与二榀部分预应力混凝土框架结构的试验结果吻合较好。     

直接基于位移的预应力混凝土框架结构抗震设计方法

通过对传统直接基于位移的抗震设计方法中等效单自由度体系的等效刚度计算方法的改进,减少了影响等效刚度计算结果准确性的不确定因素,并将其应用于直接基于位移的预应力混凝土框架结构的抗震设计,提高了设计方法的有效性。该文根据是否考虑裂缝控制和强柱弱梁要求,采用上述设计方法设计了四种不同配筋的预应力混凝土框架,其静力弹塑性分析结果表明性能点结构位移均满足性态目标的要求,设计方法是有效的。同时,预应力框架结构的裂缝控制、预应力度、柱的配筋方式、强柱弱梁及其他抗震构造要求等将造成在设计需求地震作用下框架结构的承载力严重超强,并导致性能点的位移不同程度小于目标位移。     

预应力FRP加固混凝土结构技术研究与应用

介绍了笔者进行的预应力芳纶纤维布和碳纤维筋加固混凝土结构的一些主要研究成果,内容包括:预应力芳纶纤维布永久锚具的开发;预应力芳纶纤维布的应力松弛损失研究;预应力芳纶纤维布加固混凝土梁的受弯、受剪性能研究;温度对芳纶纤维布配套粘结材料的力学性能影响研究;体外预应力碳纤维筋局部加固混凝土梁的力学性能研究;碳纤维筋预应力粗纤维混凝土梁的抗震性能研究;预应力纤维布加固混凝土结构的工程应用等。     

次边缘柱失效下预应力混凝土框架抗连续倒塌性能研究

考虑到去柱后弯矩方向在去柱处出现反转并且可能与预应力筋布置形式相反，预应力混凝土结构具有较大的倒塌风险，该文通过拟静力试验和数值模拟研究了次边缘柱失效下无黏结预应力混凝土(PC)梁-柱子结构的抗连续倒塌性能。对2个具有不同预应力筋布置形式(直线型和抛物线型)的1/2缩尺梁-柱子结构进行Pushdown加载，分析了试件的破坏模式、抗力机制演变和极限承载力。为量化预应力筋的影响，制作了一个具有相同几何尺寸和非预应力筋配筋率的钢筋混凝土试件作为参考。结果表明：预应力筋可以显著提高结构承载力，同时改变结构的破坏模式，降低结构变形能力。预应力筋产生的水平拉力加剧了边柱的挠曲P-δ效应，使边柱提早发生大偏心受压破坏。为进一步了解预应力混凝土框架抗倒塌性能，基于有限元软件LS-DYNA建立了精细化有限元模型开展系列参数分析。数值分析表明，预压应力可以增强压拱机制，预应力筋对于大变形阶段承载力的提高贡献显著。     

三类预应力混凝土框架试验研究

"柱强于梁"、"梁强于柱"和"梁柱等强"三类预应力框架在单层预应力框架或多层预应力框架的顶层中是允许出现的。该文通过4榀预应力混凝土框架在竖向荷载下的试验,对三类预应力混凝土框架的极限荷载、正常使用下的变形、延性比、塑性内力重分布、次弯矩以及弯矩调幅进行了研究。试验分析结果证明:三类预应力框架均能实现完全的塑性内力重分布,在正常使用荷载下裂缝宽度和挠度均能满足规范要求。"梁强于柱"、梁端和柱顶强度接近的"梁柱等强"框架同"柱强于梁"框架一样,具有较好的延性,弯矩调幅能力较强;梁端、跨中和柱顶强度接近的"梁柱等强"框架延性较差,弯矩调幅能力较弱。     

体外预应力纤维增强树脂基复合材料筋混凝土结构研究进展

本文从纤维增强树脂基复合材料(FRP)筋、关键技术和构件三个主要方面综述了体外预应力FRP筋混凝土结构的研究成果。首先,介绍了预应力FRP筋拉伸性能和长期性能,给出了面向设计的FRP筋蠕变断裂应力值、松弛率及疲劳最大应力和应力幅限值。阐述了预应力FRP筋三种主要锚固技术的优缺点和减小锚固端应力集中的方法,重点介绍了近年来新开发的复合材料夹片锚具,其锚固效率系数高于90%;同时,基于转向FRP筋力学性能试验结果,建议转向半径不宜小于FRP筋半径的200倍,转向角度不宜大于5°。梳理了体外预应力FRP筋混凝土构件的试验研究结果(单调加载、长期持荷和循环加载),介绍了国内外规范中的设计方法,并基于既有文献中42根梁的试验结果评价了规范中计算方法的精度,验证了我国规范GB 50608—2020中体外预应力FRP筋混凝土结构设计计算方法的准确性。本综述将对体外预应力FRP筋混凝土结构的推广应用起积极推动作用。      

配置核心钢管的钢筋混凝土柱-钢骨混凝土梁组合框架力学性能非线性分析

基于两榀配置核心钢管的钢筋混凝土柱-钢骨混凝土梁组合框架试件在水平低周往复荷载作用下的试验结果,分别采用三维实体单元和纤维梁柱单元建立了试验框架数值模型,并开展力学性能和滞回全过程分析。考察了试验框架的破坏形态和内置钢骨架、钢筋骨架及预应力筋的应力状态。对组合框架开展滞回性能参数分析,考察了柱长细比、轴压比、梁柱内型钢截面抵抗矩和配筋率、柱内钢管的含钢率、钢管约束系数和径厚比、混凝土强度和预应力度的影响,并在大量参数分析的基础上建立了单层单跨组合框架的恢复力模型。结果表明:基于三维实体单元的数值模型可较为直观的反应试件的破坏形态;计算所得组合框架滞回曲线较为饱满,具有良好的耗能能力,当轴压比超过0.6以后,组合框架的位移延性才有所变小,变形能力变差;建立的滞回模型可对组合框架在水平荷载下的滞回性能进行可靠的预测。     

钢-混凝土组合节点连接PC柱抗震性能影响参数分析

为了研究钢-混凝土组合节点连接PC柱的抗震性能，对1个整浇柱试件和2个PC柱试件进行低周往复加载试验，对比分析PC柱与整浇柱的抗震性能差异，研究轴压比对PC柱抗震性能的影响。利用ABAQUS建立有限元模型，模拟PC柱在水平往复荷载作用下的滞回性能，数值计算结果与试验结果吻合较好。扩充分析参数范围，采用该有限元模型进一步分析各参数对PC柱抗震性能的影响。研究表明:PC柱试件具有与整浇柱试件相当的滞回性能；轴压比和剪跨比是影响PC柱抗震性能的重要因素，轴压比增大或剪跨比降低时，PC柱的水平刚度和水平承载力提高，但变形和耗能能力降低；提高配箍率或纵筋率均可改善PC柱的抗震性能，改变拼接段各节点参数对PC柱抗震性能的影响较小。     

预应力自复位混凝土框架节点抗震性能数值模拟

预应力自复位混凝土框架结构(简称PTED结构)具有独特的受力性能。为了研究其抗震性能,基于弹塑性有限元分析程序OpenSees,提出PTED节点的数值模拟方法,并利用编制的角钢拉压恢复力模型,对5个PTED节点的低周往复荷载试验进行数值模拟并与试验结果对比。研究结果表明:通过合理的建模和参数选择,采用OpenSees有限元分析程序可以较准确地模拟出试件试验过程的滞回曲线,数值模拟所得的各极限状态点对应的荷载及位移与试验结果较吻合,同时可准确地模拟出角钢、预应力筋及梁端截面的力学行为。采用该文方法进行的数值模拟与试验结果吻合较好,精度可满足工程需求。     

考虑支撑断裂及节点板作用的中心支撑框架抗震性能研究

中心支撑框架(CBFs)具有良好的抗震性能和经济性,是常见的抗震结构体系。CBFs通常利用支撑受拉屈服和受压屈曲行为满足延性变形需求。在以往的地震中,CBFs结构的极限破坏模式均为支撑断裂。然而,在框架分析或设计时,CBFs通常被理想化为桁架结构,即将支撑构件两端考虑为铰接或固接连接并且忽略支撑断裂行为。该文提出能考虑支撑断裂行为和节点板作用的OpenSees数值模型。通过对单支撑构件、一层、三层中心支撑框架进行建模分析,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型的有效性。采用验证后的三层框架模型进行动力增量时程分析表明,不考虑支撑断裂时,框架的倒塌储备系数偏大。建议对CBFs结构进行设计和分析时,应考虑支撑断裂和节点板作用,以合理评估其抗震性能。     

基于多尺度模型的RC框架撞击倒塌响应数值分析

为了在保证计算精度的同时提高撞击荷载作用下RC框架结构连续倒塌分析的计算效率,本文基于有限元软件LS-DYNA,建立了撞击响应分析的多尺度模型。针对该模型分别采用拆除构件法和撞击全过程分析法分析了撞击荷载下框架结构的连续倒塌动力响应。结果表明：拆除构件法在分析撞击作用下结构的连续倒塌时,由于忽略了撞击力及其对周围结构造成的初始损伤、初始位移和初始速度,低估了结构的动力响应,不能合理反映撞击作用下框架结构的破坏模式;多尺度模型能够准确模拟撞击作用下框架结构的动力响应和破坏模式,同时计算时间仅为精细模型的三分之一,满足整体结构系统撞击倒塌分析的需要。     

拉筋对两层两跨钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响

该文开展了2榀2层2跨缩尺比例为2/5的水平往复荷载下方钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁平面框架滞回性能试验研究,分析了柱端拉筋强柱构造对钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响。运用有限元软件ABAQUS建立该平面框架有限元模型,在试验验证的基础上开展柱端拉筋等效配箍率对组合平面框架抗震性能影响规律的研究。分析结果表明：柱端拉筋降低了钢管与混凝土之间的滑移、约束混凝土并加强了钢管对混凝土的约束作用,进而提高了柱端抗弯承载力与耗能能力,间接改变了梁柱线刚度比和抗弯承载力比,挖掘了钢梁的耗能潜力;柱端拉筋强柱构造措施有效提高了钢-混凝土组合平面框架结构的刚度、承载力和耗能能力,分别达70%、20%和50%以上。     

近断层地震动下摇摆-自复位桥墩地震反应分析

为讨论摇摆-自复位（Rocking Self-Centering,RSC）桥墩在近断层地震动下的地震反应,基于OpenSees数值分析平台建立了RSC桥墩抗震分析模型。同时建立了普通钢筋混凝土（Reinforced Concrete,RC）桥墩,配置竖向无粘结预应力筋（Unbonded Prestressed Reinforced Concrete,PRC）桥墩的抗震分析模型作为对比。对各模型输入近断层地震动记录,进行增量动力分析。以墩顶最大位移角、残余位移角、预应力筋最大应力为考察目标,对比分析了不同墩高（剪跨比分别为2、4和6）、不同桥墩类型（RSC、RC和PRC桥墩）时各桥墩的地震反应。结果表明:随着耗能钢筋配筋率增加,RSC桥墩墩顶最大位移角和预应力筋最大应力均减小;RSC和PRC桥墩均可有效减少桥墩震后残余位移角。耗能钢筋配筋率与PRC桥墩纵筋配筋率接近的RSC桥墩,两者的最大墩顶位移角、残余位移角和预应力筋应力水平均接近。无论是RSC桥墩还是PRC桥墩,当剪跨比大于等于6.0时,易发生预应力筋失效。为避免预应力筋失效引起RSC桥墩产生过大的墩顶残余变形,RSC桥墩中耗能钢筋配筋率不宜低于0.75%。     

外廊式RC框架破坏机理的振动台试验研究

通过地震现场调查,对汶川地震中大量倒塌的外廊式钢筋混凝土框架结构的破坏特点、倒塌方向及堆积情况进行了总结。设计相似比为1/4的两层外廊式框架结构模型,并进行了振动台框架倒塌试验。试验再现了典型外廊式框架的倒塌过程。根据框架倒塌模式及试验结果分析,研究了各层加速度反应随结构破坏程度加深的关系及层间位移角变化规律。总结出框架结构破坏不同阶段所对应的层间位移角限值,计算了不同输入下各柱的动轴压力大小,分析了外廊式框架的破坏机理及倒塌原因。研究结果表明:在倾覆弯矩引起的动轴压力作用下,外廊式框架单柱侧的总轴压比升高,延性显著降低,柱端塑性铰区出现压剪破坏是引起外廊式框架倒塌的主要原因。     

高强钢组合Y形偏心支撑框架抗震性能混合试验研究

高强钢组合Y形偏心支撑框架作为一种新型结构体系,结合了高强钢承载力高和偏心支撑耗能能力强的优势.为进一步研究高强钢组合Y形偏心支撑框架结构的抗震性能,以一个3层3跨的高强钢组合Y形偏心支撑框架结构为原型,采用子结构混合试验方法进行了一系列试验研究.选取原型结构中底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值...