Development of floor slab for steel post-tensioned self-centering moment frames

A floor slab constructed in conventional moment-resisting frames (MRFs) limits opening of gaps at the beam-to-column interfaces, causing losses of self-centering capability and preventing its use in steel post-tensioned (PT) moment frames. This work presents two novel slab schemes to reduce the restraints on the seismic responses of a PT frame. The first scheme uses a slab in typical MRFs with a modification so that near the connection, the metal deck is discontinuous and the longitudinal bar in the deck is debonded from concrete to minimize slab restraints. The second scheme uses truss elements to connect the slab and beams in only one bay (rigid bay) of the PT frame for transferring inertial forces from the floor to the frame. The sliding device is provided at one end of floor beams transverse to the PT frame, where sliding of the slab is expected. The cyclic behaviors of the bare connection and the connection with the first slab scheme are also evaluated by testing four connections. Additionally, how the rigid bay affects the cyclic behavior of the frame, distribution of column shear, beam axial force variation, and gap opening response near the beam-to-column interface is evaluated by conducting frame subassembly tests. The test results demonstrate that (1) the PT frame with any of two slab schemes develops large deformation capacities with small residual deformations, and (2) the column shear and beam axial force can be estimated based on the proposed method.     

预制预应力混凝土装配整体式框架抗震性能试验研究

对一榀二跨二层预应力装配式混凝土框架进行了拟动力和拟静力试验,采用不同加速度峰值的El Centro地震波激励加载,并以拟动力试验的屈服位移为加载起点施加低周反复荷载,得到了不同加载工况下框架时程曲线、恢复力-位移滞回曲线。研究了预应力混凝土装配整体式框架的破坏机制、变形性能、刚度退化及耗能能力等抗震性能。研究结果表明：试验框架梁端率先出现塑性铰,节点核心区有着较强的刚性,提高了框架整体抗侧刚度,在层间位移角达到1/42时,框架梁、柱未产生较严重破坏。采用分析程序DRAIN-2DX对模型结构进行弹塑性动力分析,有限元计算位移值略小于实测位移值。图10表3参12     

自复位钢筋混凝土框架结构振动台试验研究

为研究自复位钢筋混凝土框架结构的整体抗震性能,设计了一个比例为1/2的两层自复位钢筋混凝土框架结构,通过放松结构与基础间的约束和梁柱间的约束,结构在地震作用下发生摇摆,通过预应力使结构复位,实现自复位效果。通过振动台试验,研究了试验中模型结构在各级水准地震作用下的动力特性、加速度反应、位移反应和节点局部反应,描述了模型结构的破坏位置及过程,分析了模型结构的自复位能力。试验研究表明：自复位钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能和自复位能力;结构在大震作用下有较好的延性和变形能力,震后基本无残余变形。     

Analytical model validation and influence of column bases for seismic responses of steel post-tensioned self-centering MRF systems

The first generation for the post-tensioned (PT) self-centering (SC) system, which incorporates the PT technology to beam-to-column connections, exhibits good seismic performance with small residual deformations except for the first floor. Instead of using the fixed column base, the column PT to the base affects the seismic performance of frames, especially for residual deformations. Recently, the seismic response of a SC frame subassembly, which applied the PT technology to the connection and column base, was verified in shake table tests. In this paper, a three-dimensional analytical model with rotational springs in the PT connection and PT column base was introduced to capture shake table test results of the frame subassembly. The same modeling approach was adopted to one MRF and three SC frames to study the effects of column bases on the seismic responses of frames under the design-based and maximum-considered earthquakes. The monotonic, cyclic pushover, and time-history analyses were conducted for these frames. Analytical results showed that (1) the residual drift of the first floor could be significantly minimized by using the PT column base but the maximum interstory drift in the SC frame increased with decreasing fixity at the column base, (2) the largest maximum interstory drifts of the SC frames were larger than those of the MRF due to the low-to-medium structural period and high yield strength, and (3) the SC frame with the PT column base effectively decreased column restraining forces to the first floor compared to that with the fixed column base.     

水平荷载作用下足尺半刚性连接组合梁框架试验

为研究半刚性连接组合梁钢框架在水平荷载作用下的特性,进行水平荷载作用下足尺的空间两层两跨半刚性连接组合梁框架的试验研究。半刚性连接组合梁框架由热轧H型钢柱和焊接H钢梁及压型钢板混凝土组合梁组成,连接为平端板连接半刚性节点。试验主要进行相应测点的应变、转角及位移测量,框架整体性能及半刚性连接节点性能的分析。试验结果显示半刚性连接组合梁框架具有较强的抵抗水平荷载的能力;平端板连接组合节点为半刚性连接、部分强度节点,具有较高的强度、刚度和较好的延性。将试验结果与简化计算方法的预测结果进行比较,结果显示框架的总体位移、极限承载能力、节点转动能力及强度的试验值与简化方法的预测值能较好的吻合。     

三层预压装配式预应力混凝土框架抗震性能试验研究

通过对一榀三层预压装配式混凝土框架的拟静力试验,了解框架承载力和破坏模式,得到框架位移滞回曲线、梁端转角滞回曲线,研究预压装配式混凝土框架的破坏机制、刚度退化、滞回性能、耗能能力、梁端转角延性等抗震性能。研究结果表明：在低周反复荷载作用下,框架梁端率先出现塑性铰,梁端截面转角延性系数在3.64至5.62之间;节点在柱轴向压力和水平预应力的共同作用下,核心区处于双向受压状态,节点的抗裂性能、框架整体抗侧刚度和变形恢复能力较好;加载至框架层间位移角为1/42～1/67时,框架承载能力没有出现明显下降,预压装配式框架属“强柱弱梁”型结构。     

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。     

Parametric study of hexagonal castellated beams in post-tensioned self-centering steel connections

The effects of important parameters (beam reinforcing plates, initial post-tensioning, and material properties of steel angles) on the behavior of hexagonal castellated beams in post-tensioned self-centering (PTSC) connections undergone cyclic loading up to 4% lateral drift have been investigated by finite element (FE) analysis using ABAQUS. The PTSC connection is comprised of bolted top and bottom angles as energy dissipaters and steel strands to provide self-centering capacity. The FE analysis has also been validated against the experimental test. The new formulations derived from analytical method has been proposed to predict bending moment of PTSC connections. The web-post buckling in hexagonal castellated beams has been identified as the dominant failure mode when excessive initial post-tensioning force is applied to reach greater bending moment resistance, so it is required to limit the highest initial post-tensioning force to prevent this failure. Furthermore, properties of steel material has been simulated using bilinear elastoplastic modeling with 1.5% strain-hardening which has perfectly matched with the real material of steel angles. It is recommended to avoid using steel angles with high yielding strength since they lead to the yielding of bolt shank. The necessity of reinforcing plates to prevent beam flange from local buckling has been reaffirmed.     

一种受控摇摆式钢筋混凝土框架基于性能的抗震设计方法

受控摇摆式钢筋混凝土框架通过引入弹性摇摆柱和摇摆节点来弱化结构整体刚度,减少结构在地震中的损伤,并使用无黏结后张预应力筋提供结构弹性恢复力,实现结构地震后自复位。在已有理论分析和试验研究的基础上,对该类结构的抗震设计方法进行研究,确定受控摇摆式钢筋混凝土框架结构的抗震性能水准,给出抗震设计流程。以一个三层三跨钢筋混凝土框架为例进行基于性能的抗震设计,选用3条波进行动力时程分析,模拟结构遭遇罕遇地震的动力响应。分析结果表明：受控摇摆式钢筋混凝土框架结构在罕遇地震作用下,最大层间位移角满足设计要求的性能目标,并且表现出优异的抗震性能的和良好的自复位能力,验证了基于性能抗震设计方法的有效性。     

体外预应力自复位框架抗侧刚度参数分析

体外预应力自复位框架(EPSCF)是一种采用结构控制技术的抗震结构体系。结构抗侧刚度对EPSCF结构地震响应具有重要作用。首先，采用ABAQUS软件建立EPSCF结构的有限元数值模型，并采用地震振动台试验验证了模型的正确性；其次，通过改变预应力筋参数以改变结构抗侧刚度，得到结构自振特性随相对刚度比变化的规律。同时，选取合适的地震波进行弹塑性时程分析，模拟不同相对刚度比下EPSCF结构的地震响应规律，计算结果总体呈现为随相对刚度比的增大，结构位移响应减小、结构加速度和基底剪力增大；最后，求得结构层间位移放大系数及基底减震系数随相对刚度比变化的曲线，并选择基底减震系数为EPSCF结构侧向刚度的取值依据，得出相对刚度比的参考取值范围为0.02~0.10。     

带楔形装置的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验研究

为减小耗能部件对自复位性能的影响,提出一种带楔形装置的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点.对4个2/3缩尺比例的自复位节点试件进行了拟静力试验,研究钢绞线初始预应力、耗能钢棒直径及是否布置楔形装置对节点受力性能、自复位性能和抗震性能等的影响.结果 表明:在梁端往复荷载作用下,各试件的滞回曲线均为典型的"双旗帜"形,具有良好...     

高轴压比高强混凝土足尺框架柱抗震性能研究

对9个高轴压比、高强纵筋、高强箍筋、高强混凝土井字箍矩形截面足尺框架柱进行了水平低周反复荷载作用下的抗震性能试验研究,讨论了其破坏机理、破坏形态和滞回特性,分析了轴压比、混凝土强度、箍筋形式及配箍率等因素对试件滞回曲线、骨架曲线、刚度、承载力及延性的影响规律。研究表明:足尺框架柱破坏时混凝土脱落较为严重;高轴压比、高强钢筋、高强混凝土矩形截面足尺框架柱的滞回曲线较为扁平,耗能亦较差,下降段较陡且延性较差;柱中部箍筋非加密区由于纵向钢筋受压失稳而发生破坏导致试件的滞回曲线很扁,且几乎没有下降段;随着混凝土强度等级提高,骨架曲线的最大荷载对应的位移和极限破坏荷载对应的位移均较小,骨架曲线的下降段亦较陡。建议对高轴压比高强混凝土框架柱应沿着整个柱高加密箍筋。     

有限长度预拉杆部分自复位PEC柱组合框架中间层抗震性能试验研究

为研究部分包裹混凝土（partial encased concrete,PEC)柱-钢梁有限长度预拉杆部分自复位连接组合框架中间层抗震机理,考虑耗能件形式和PEC柱布置方式,设计制作了3榀1∶2缩尺比例组合框架中间层子结构试件并进行水平低周往复荷载试验。基于试验结果,对试件的滞回特征、自复位功效、耗能能力进行了对比分析。研究表明：T形件螺栓孔的合理设置可有效实现“设计地震水平下通过耗能件耗能减震,大震水平下连接转化为承压型受力模式”的设计目标;部分自复位连接预拉杆预应力决定自复位功效,而辅助耗能件仅影响其耗能发展进程; PEC柱布置方式对部分自复位功效和耗能能力影响较小,验证了卷边PEC柱较好地改善了双向刚度的差异;T形件对穿螺栓与预拉杆传力方式促使节点区混凝土更好地形成斜压带传力模式和节点加强板增强了节点区混凝土约束的双重作用使得节点区较好地达到了“强节点”抗震要求;所有试件加载至设计地震水平下层间侧移限值1/50时,其整体与层间残余侧移最大值分别为0.21%和0.11%,基本满足了自复位结构残余侧移0.2%的要求,而加载超过大震水平下层间侧移限值的1/30时,所有试件承载能力仍继续增大,其整体与层间残余侧移最大值分别为0.86%和0.42%,即所有试件层间仍具有良好的自复位功效。     

带耗能钢板的自复位方钢管混凝土框架抗震性能研究

为了减小"梁增长"现象对自复位框架的影响,提出一种自复位方钢管混凝土框架,该框架由钢管混凝土柱、钢梁及带耗能钢板的自复位梁柱节点组成。对3榀1/3比例的自复位方钢管混凝土框架进行低周往复荷载试验,研究其自复位性能和抗震性能。利用有限元软件ABAQUS对其进行了非线性数值分析,并验证了有限元模型的准确性,同时构建足尺模型研究了钢绞线初始预拉力和耗能钢板耗能段截面积对自复位框架性能的影响。结果表明:加载至2%层间位移角时,自复位框架表现出较好的自复位能力和耗能能力;增大钢绞线初始预拉力,结构承载能力与耗能能力增强,自复位能力先增强后减弱;增大耗能钢板耗能段截面积,结构的承载力随之增大,残余变形亦增大,自复位能力减弱。     

体外预应力自复位钢筋混凝土框架#br# 抗震性能振动台试验研究

体外预应力自复位框架结构（EPSCF）是一种新型结构控制抗震结构,主要结构控制技术包括铰接节点构造、提供结构抗侧刚度的体外预应力措施以及采用阻尼器的位移控制措施。在已有二维EPSCF结构基础上提出三维EPSCF结构,并进行1/3比尺三维EPSCF模型结构振动台试验研究其抗震性能,试验内容包括模型设计与制作、测点布置以及结构地震响应分析。试验结果表明：罕遇地震作用下,经过设计的EPSCF结构的加速度地震响应仅为常规设计框架的1/3~1/2,而位移地震响应能满足预设要求,罕遇地震作用下的层间位移角约为1/60、接近于常规设计框架,试验结果表明EPSCF结构具有更小的加速度响应,位移响应能得到有效控制。在地震作用下,EPSCF主体结构无损伤、残余变形很小、仅阻尼器屈服,表现出良好的免损伤、易更换的韧性结构特性。     

布置阻尼器的现浇与预制装配式框架梁柱组合体抗震性能试验研究

为研究安装有扇形铅黏弹性阻尼的现浇和预制混凝土框架梁柱组合体试件抗震性能的差异,对这两种梁柱组合体试件进行了低周反复加载试验,对比研究了两者的破坏模式、滞回耗能性能、承载能力、位移延性、承载力退化、节点核心区钢筋应变和受剪承载力.结果表明:扇形铅黏弹性阻尼器改变了预制试件的受力模式,使其梁端塑性铰外移,减缓和控制了节点核心区裂缝开展,保护了节点;减震试件的滞回曲线饱满,塑性变形能力强,刚度和承载力退化曲线也较为平缓,提高节点抗震能力;预制试件抗震性能与现浇试件基本相同,实现了阻尼器改善预制框架节点抗震性能目标.     

柱承重模块化钢框架抗侧刚度足尺试验与理论计算方法研究

作为高度集成的预制装配化建筑形式之一,柱承重箱式模块化钢结构建筑因成本低、效率高和节能环保等优势成为工业化建筑结构的发展热点。为得到该类结构在水平荷载作用下的受力性能,提出基于D值法的修正分析方法,并对足尺双层单跨柱承重箱式模块化钢结构进行水平荷载作用下的受力性能试验,得到了结构的整体抗侧刚度,分析了加载过程中结构的受力和变形特征,提出了结构在水平静力荷载作用下的简化分析模型,并对其准确性进行了验证。结果表明：柱承重箱式模块化钢结构能够较好地抵抗水平荷载作用,在达到现行规范要求的柱顶位移限值时节点未出现明显破坏;采用简化分析模型能够快速地计算箱式模块化钢结构的抗侧刚度,其结果比传统理论计算方法的更为精确。     

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。     

装配式自复位摇摆钢框架的恢复力模型

传统的钢框架结构在强烈地震作用下梁端和柱脚通常会出现塑性铰,导致结构产生较大的塑性变形.为此,提出了一种装配式自复位摇摆钢框架结构,阐述了该结构的构造形式与工作机理,通过理论分析建立了该结构的恢复力模型.设计了单层和双层的传统钢框架结构模型和装配式自复位摇摆钢框架结构模型,通过有限元软件ABAQUS对结构模型的滞回性能...     

自复位支撑-摇摆框架结构体系及其基于位移抗震设计方法

本文提出一种可恢复功能结构体系——自复位支撑-摇摆框架结构体系，旨在同时实现较大刚度、自复位能力以及构件间的变形协调。针对可恢复功能结构体系防震能力强的特点，已建立了可恢复功能结构体系“小震及中震不坏，大震可更换、可修复，巨震不倒塌”的抗震设防四水准目标。文中结合可恢复功能结构体系四水准性能指标，采用基于位移的抗震设计方法，进行了自复位支撑-摇摆框架结构设计。以一幢四层结构为例，给出了四水准抗震设防目标下的基于位移设计方法算例，并建立了ABAQUS有限元数值模型，进行了弹塑性时程分析。分析结果表明，按文中方法设计的自复位支撑-摇摆框架体系可满足可恢复功能结构体系抗震设防目标，达到各性能指标要求。