基于成组耗能棒的局部预应力装配式混凝土框架抗震性能与设计方法

Local prestressed precast concrete frames joint with energy dissipation equipment is a new approach to realize efficient dry-type connection, which can promote the energy dissipation capacity of precast concrete frame. A novel local prestressed precast frame structure of based on energy dissipation in joints (LPFE) is presented in this project. The pretensioned precast beams are adopted and integrated with other components by local post-tensioning method. In addition, grouped energy-dissipating bars are utilized to form multi-level damping and energy-dissipating mechanism. Firstly, the hysteresis model and design method will be established according to the theoretical and experimental study on mechanical characteristic of grouped energy-dissipating bars. Then, the seismic mechanism is studied based on mechanical analysis and low cyclic loading test. Subsequently, the improvement measures and design method are proposed. Finally, pseudo-dynamic test of a LPFE spatial structure model will be carried out to investigate dynamic characteristics, complete multilevel damping and energy-dissipating mechanism, evaluate seismic performance, and improve LPFE numerical analysis method and design techniques. This project is an applied basic research on the efficient connection technique for the precast concrete frame with an important theoretical significance.

带耗能装置的局部预应力装配式混凝土框架节点是实现节点“干式”高效连接的新方法，能够有效地增强装配式混凝土框架的耗能能力。本课题拟提出并研究一种基于成组耗能棒的局部预应力装配式混凝土框架（LPFE），该结构采用先张法预应力梁，梁端局部后张预应力压接成整体，利用成组耗能棒形成多级减震耗能机制。首先，通过成组耗能棒的力学性能开展理论和试验研究，提出成组耗能棒滞回模型和设计方法。然后，通过节点力学性能分析和低周反复荷载试验，研究节点抗震机理，改进构造措施，提出设计方法。最后，开展LPFE结构拟动力荷载试验，研究LPFE地震响应规律，完善多级减震耗能机制，评价结构抗震性能，完善LPFE数值分析方法，形成LPFE结构设计技术。本课题是装配式混凝土框架结构高效节点连接技术的应用基础研究，对我国未来规模推广应用LPFE结构具有重要的理论意义。

采用无粘结预应力拼接的“干”式连接框架结构，相对以“等同现浇”为准则的“湿”式连接框架，有着安装高效、受力机理明确的优势，是装配式结构发展的一个重要方向。本项目以立项所提出的“基于成组耗能棒的局部预应力装配式混凝土框架（LPFE）”为中心，系统性地进行了单根耗能棒性能研究、成组耗能棒分级耗能研究、实际节点抗震性能研究和整体框架结构抗震分析研究等四个层次的研究。耗能棒的研究划分为芯棒构造研究、套筒构造研究、耗能棒整体性能优化研究等三部分，探索了芯棒、套筒、Teflon填充材料对耗能棒力学性能的影响，并建立了耗能棒套筒壁厚设计方法。针对耗能棒在整体框架中的应用位置，提出一种可拆卸的成组耗能棒安装构造，并以此为基础提出了三种采用成组耗能棒进行分级耗能的衍生构造：长短耗能棒分级耗能、蝶形弹簧分级耗能、摩擦滑移分级耗能。通过理想转动梁加载试验，检验了成组耗能棒锚固安装构造的安全性以及分级耗能的可行性，并以时程分析结果为基础，提出了一种基于结构中震位移的分级耗能设计方法。采用试验、理论与模拟相结合的方式，全面系统地探索了LPFE节点的力学性质与抗震性能。通过对LPFE节点的拟静力加载试验，发现牛腿出现损伤时，结构的自复位性能明显降低。在对比试验结果与已有设计方法的基础上，提出了一种优化的预应装配节点设计方法以及预应力装配框架节点的分级耗能设计方法。采用开源有限元软件OpenSees对试验节点进行了模拟分析，对比了杆系模型与转动弹簧系模型两种建模方式。在转动弹簧系模型的基础上，建立了新型预应力拼装框架、普通混凝土框架以及采用分级耗能设计的预应力拼装框架的有限元模型，对比了几组框架模型之间的抗震性能，并建立了各个框架的易损性曲线。