带钢板暗支撑高阻尼混凝土核心筒抗震试验及理论分析

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高阻尼混凝土是一种具有较好的抗冲击韧性,且阻尼高于普通混凝土的新型材料,可通过在混凝土当中添加聚合物等材料配置而成。结构抗震的过程,实际上也是通过自身的损伤来耗散能量的过程,我们希望结构能耗散更多的能量,现在通常的做法是在结构当中加入阻尼器以达到减震的目的,而这种做法维护费用高,且施工不便。相对而言,如若改善混凝土自身阻尼性能,则可避免这类问题,因而,在高层结构当中应用高阻尼混凝土代替普通混凝土,能在改善结构抗震性能的同时兼具经济效益。核心筒是超高层建筑当中的主要抗侧力构件,其抗震性能极大地影响着整体结构的抗震能力。为改善核心筒的抗震性能,本文采用高阻尼混凝土完成墙身浇筑,于墙肢安放钢板暗支撑,约束边缘构件内置型钢,连梁内嵌钢板,并通过焊接的方式形成一个内框架,进而形成一种新型混凝土核心筒。为验证该种核心筒的合理性,本文对4个不同参数的核心筒进行了低周往复加载试验,并进行了相关理论研究,研究内容如下:
  (1)完成了4个1/6缩尺模型的带钢板暗支撑高阻尼混凝土核心筒试验,对比了不同高宽比、轴压比以及加载角度(斜向45°)对核心筒试件破坏形态以及承载力、延性、刚度退化、耗能等抗震性能的影响,并对试件的墙肢及连梁应变进行了分析,试验结果显示,高轴压比及斜向加载不利于连梁发挥作用;正向加载试件斜裂缝及水平裂缝共存于腹板,而斜向加载试件则有较大的不同,其水平裂缝分布于两个端部墙肢(看成三肢剪力墙),斜裂缝主要集中于中间墙肢;高宽比较小及轴压比较大时都会增加核心筒的承载力及初始刚度,但也会降低核心筒的变形能力;斜向加载试件初始刚度较小,但峰值荷载和极限位移均有提高,耗能最强;相较于尺寸及配筋均相当的带钢筋暗支撑混凝土核心筒(曹万林CTB试件),本文新型核心筒在承载力、延性及耗能等方面均有提高,本文同时还对比了其他核心筒的破坏形态及层间位移角,发现这些核心筒在水平荷载作用下,连梁及底部塑性铰区容易出现剪切破坏,而本文核心筒试件由于采用了高阻尼混凝土,并未出现此现象,破坏形态良好;
  (2)利用有限元软件ABAQUS对核心筒翼缘混凝土应力分布进行了分析,研究了不同荷载步(位移角)、高宽比、连梁因素、角柱和暗柱型钢率,以及暗支撑配钢率对剪力滞后效应的影响,并得出了各工况下有效翼缘宽度(最不利情况)。结果表明,有效翼缘宽度be在核心筒接近屈服时最小。高宽比、连梁跨高比、轴压比及角柱型钢率都对be有着较大的影响,而连梁纵筋率及含钢率对be的影响甚小;同时还对不同连梁跨高比及轴压比时,斜向加载试件的有效“翼缘宽度”进行了分析;利用OpenSees分析了高宽比及轴压比对核心筒承载力和延性等的影响,分析显示,本文结构形式的核心筒在轴压比较高时仍有较好的延性;
  (3)基于已有的混凝土桁架模型,并根据连梁的受力特性,提出了普通混凝土连梁CCB和钢板混凝土组合连梁PRC的刚度折减系数计算公式,并与已有的试验结果对比,吻合良好,对比于相关规范规定(ACI318及FEMA356)及已有的研究成果,本文提出的CCB连梁刚度折减系数更为合理,同时进行了参数分析,研究了连梁跨高比l/hb、纵筋率ρs及配板率ρp(PRC)等对刚度折减系数的影响;对CCB连梁的剪压比限值进行了统计,并与规范值对比,发现英国规范BS8110相对我国高规规定稍加保守,且变异系数小,对普通连梁剪压比限值的规定较为合理;根据已有试验结果,发现PRC剪压比限值配板率ρp有关,基于此,提出了与混凝土强度及ρp相关的PRC的剪压比限值计算公式,计算值与已有试验结果吻合较好;
  (4)近些年来世界范围以及我国发生的地震进行了统计,发现自2015年来,我国东南沿海地区有地震活动增加的趋势;总结了各国规范对地震设防标准的划分,提出了大、中、小震出现概率及重现期建议值;根据已有的试验(结合本文试验结果)结果提出了连梁于各性能水准(良好使用、暂时使用、生命安全、防止倒塌)时对应的弦转角限值,及核心筒的层间位移角限值。
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