预应力混凝土框架结构基于损伤的抗震性能概率评价研究

Cast-in-situ prestressed concrete frame structure is widely used in Chinese seismic zones, researches on damage-based probabilistic seismic performance evaluation of prestressed concrete frame structure have great theatrical value and practical sense . Cast-in-situ bonded prestressed concrete frame is presented as the key in this program, it is nonlinear finite element fining modeling, pseudo-static experiment for components and shaking table test for structures that are proposed to conduct the seismic analysis. Secondly, structural elastic-plastic analysis model based on fiber element will be built by universal finite element software and hysteresis loop which can embody the stiffness degradation effects of prestressed reinforcement and plain reinforcement will be ascertain through experiment, prestressed reinforcement, prestressed effects and the bond-slip simulation at the stage of elastic-plastic will be inquired. Thirdly, material-based damage model will be built so that the correlativity between damage variable D and other specific damage parameters in structure can be confirmed. Whereafter, reasonable intensity of a quake index will be confirmed, incremental dynamic analysis methodology (IDA) will be implemented to carry on seismic fragility analysis for PC framework structure to obtain seismic fragility curve in different seismic intensity and performance level. Finally, some advice and improvement measures about issues for PC framework in Chinese code such as limit value of the axial compressive ratio for column, degree of prestressing, Yield mechanism and adjustment coefficient for ductility frame design .

随着现浇预应力混凝土（PC）框架结构在我国地震设防区的不断推广与应用，对其开展基于损伤的抗震性能概率评价研究，具有重要的理论意义与工程应用价值。本项目以有粘结现浇PC框架结构为重点，通过非线性有限元精细化建模、构件拟静力试验及结构的振动台试验，进行该类结构的抗震分析。利用通用有限元软件建立基于纤维单元的结构弹塑性分析模型，由试验确定能体现预应力钢筋及普通钢筋刚度退化效应的滞回曲线，探究结构在弹塑性状态下预应力钢筋及预应力效应、粘结滑移的模拟方法；建立基于材料的损伤模型，确定损伤变量D与结构特定破坏参数值间的相关关系；确定合理的地震动强度指标，采用增量动力法（IDA）进行PC框架结构地震易损性分析，获取其在不同地震强度及性能水准下的地震易损性曲线；最后，针对我国规范有关PC框架结构在柱的轴压比限值、预应力度、屈服机制、延性框架设计调整系数等问题上存在的局限性与不足，提出建议及改进措施。

本项目以预应力混凝土（PC）框架结构为研究对象，针对按我国现规范设计的PC框架结构的抗震性能及所存在问题和改进方法，进行了深入的研究，取得了如下成果：（1）研究了基于纤维单元的非线性数值建模方法，对预应力筋及预应力效应的模拟、积分点数、既有的混凝土与钢筋材料本构关系的适用性等问题进行了研究，结合ReinforcingSteel模型，确定了有关HRB400钢筋的重要力学性能参数；（2）进行了损伤模型的研究，分析了常用损伤模型的适用性，建立了基于纤维材料，从材料、截面、构件直至结构层次的损伤模型；建立了基于材料的刚度退化损伤模型；（3）进行了地震动强度参数的研究，在进行结构动力时程分析时，提出应针对结构基本周期选用不同的地震动强度参数；（4）进行了钢筋混凝土柱、无粘结预应力混凝土梁、预应力梁柱节点的拟静力实验，研究了预应力梁、柱及节点的抗震性能、损伤演化过程，验证了所建立的数值分析及损伤模型的正确性；（5）进行了基于IDA的易损性分析方法研究，奠定了从概率意义上评价结构抗震性能的基础；（6）对按我国现规范设计的PC框架结构的抗震性能，进行了概率评价研究，研究表明：现规范中规定的预应力度限值偏小、轴压比限值偏大、柱端弯矩增大系数偏小、梁柱剪力增大系数偏小，并就相关问题给出了参考取值；提出了以梁端实际抗震受弯承载力调整柱端弯矩的“强柱弱梁”设计方法；（7）对石灰岩质机制砂混凝土的收缩、徐变性能进行了实验研究和理论分析，为相对准确地计算由于材料的长期性能所带来的影响，尤其是预应力损失的合理估算，打下了良好的基础；研究了基于贝叶斯估计理论的马尔科夫链蒙特卡洛抽样技术，探讨了梁构件在概率范畴内的损伤评估与预应力损失估计；进行了结构拓扑优化研究，针对采用局部水平集（LLSM）方法进行二维结构拓扑优化时，存在孔洞成核和重生成等问题，提出了基于离散水平集函数(DLSFs)双向演化算法。培养毕业博士1人，硕士10人，出站博后1人；参加国际会议14人次，国内会议33人次；发表科技论文32篇，其中SCI收录3篇、EI收录11篇；实用新型专利1项。