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新一代地震-连续倒塌综合防御组合框架——综合韧性防御组合框架

2021-09-06 11:22:18
结构多灾韧性防御已成为土木工程领域近年来的研究热点。但目前在多灾韧性防御体系与设计方法方面的研究仍相对较少。本文聚焦地震与连续倒塌灾害,基于之前提出的地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系SPCRCF,提出了新一代的地震-连续倒塌综合韧性防御组合框架结构体系SPCRCF-2,并开展了试验研究与理论分析。该体系具有如下特点:(1)延性好。地震荷载下,相比传统...

结构多灾韧性防御已成为土木工程领域近年来的研究热点。但目前在多灾韧性防御体系与设计方法方面的研究仍相对较少。本文聚焦地震与连续倒塌灾害,基于之前提出的地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系SPCRCF,提出了新一代的地震-连续倒塌综合韧性防御组合框架结构体系SPCRCF-2,并开展了试验研究与理论分析。该体系具有如下特点:

(1)延性好。地震荷载下,相比传统组合框架提升52.6%;连续倒塌荷载下,相比第一代综合防御框架SPCRCF,延性提升43.4%。

(2)损伤低、易修复。在地震与连续倒塌荷载下,损伤集中于耗能构件,梁柱构件无损伤,满足韧性防御需求。

01、问题的引入

抗震设计本质上是设法抵御由于地面运动在建筑物上引起的整体动力惯性力作用。而抗连续倒塌设计本质上是由于偶然荷载引起局部结构破坏后,保障剩余结构具有足够的内力重分布能力。简而言之,抗震设计需要抵抗一个整体的水平作用力,而抗连续倒塌设计需要抵抗一个局部的竖向作用力,二者存在明显的差异。

已有研究表明,针对特定灾害的设计方法会影响结构抵抗其他灾害的性能。2016年我们课题组发表了第一篇相关研究,讨论了抗震设计和防连续倒塌设计对RC框架的灾害综合防御能力的影响:新论文:防连续倒塌设计会削弱结构的抗震能力么?是的

随后,为了解决RC框架地震和连续倒塌综合防御问题,我们提出了新型的构造措施、新型地震和连续倒塌综合防御韧性PC框架等解决方案,并给出了相应的设计方法:

(1)新论文:抗震&防连续倒塌:一种新型构造措施

(2)这个混凝土框架能抗震,能防连续倒塌,还功能可恢复,您不进来看看么?|新论文:多灾害防御混凝土框架试验研究

(3)新论文:新型地震和连续倒塌综合防御韧性PC框架承载力计算方法

在此基础上,我们把相同问题推广到了目前被广泛使用的组合结构上,并提出了适用于组合结构地震和连续倒塌综合防御的新型可更换耗能装置:新论文:受折纸启发的可更换承载-耗能双功能耗能器。

一年前,我们课题组又提出了一种地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系SPCRCF(新论文:地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系研究),如下图所示。


图1SPCRCF示意图

当时,试验结果喜人,SPCRCF相比于传统的体系具有更高的安全储备、更高的延性以及更小的残余变形。但是我们在试验中也发现了一个严重的问题:在进行连续倒塌中柱移除试验时,与中柱相连的梁端翼缘由于压拱效应而过早的发生了屈曲(如下图所示),这一现象严重影响了结构的韧性恢复能力。


图2SPCRCF的梁端翼缘发生屈曲

因此,我们通过改善体系构造,提出了面向韧性需求的新一代的地震-连续倒塌综合韧性防御组合框架结构体系,我们把它称为SPCRCF-2。

02、SPCRCF-2

SPCRCF-2在SPCRCF的基础上做了3项改善(如图3a):

(1)在梁端和柱之间留有15mm空隙,以释放压拱效应引起的梁中轴力;

(2)在角钢及加劲肋板中设置椭圆孔,允许加劲角钢耗能构件与梁之间发生相对滑动;

(3)加强梁的轴向承载力,确保其不会在压拱效应引起的轴力下发生破坏。

该设计意在通过压拱阶段框架梁与耗能构件间的滑移来释放梁中轴力,同时通过对框架梁及其与耗能构件间摩擦力的合理设计,使得地震工况下梁与耗能构件之间不发生相对滑动,保证地震作用下节点的承载力,并保证框架梁在发生滑移时保持弹性,如图3b所示;在连续倒塌工况下,梁与耗能构件之间发生相对滑动,并释放压拱效应,保证主体结构(梁与柱)不发生破坏,如图3c所示,从而实现结构在抗震与连续倒塌工况下的功能可恢复。


图3SPCRCF-2示意图

03、试验

还是熟悉的试验装置,还是熟悉的加载机制。


图4试验装置示意图

唯有试验结果产生了微妙的变化:在抗震方面,SPCRCF-2延续了SPCRCF的优良表现;在抗连续倒塌方面,SPCRCF-2比上一代的延性提升了43.4%,且损伤均集中于耗能构件,梁柱并未发现损伤。


图5试验结果

注:B-S/C为常规组合框架;M-P100-S/C为SPCRCF;M-P140-S2/C2为SPCRCF2

04、理论计算

为方便设计,本文还提出了SPCRCF-2组合节点的初始刚度与屈服承载力计算方法。

为了防止大家在地铁上看这条推送时被别人拍成表情包,我们很贴心的没有附上任何公式。感兴趣的读者可以访问推送开头的链接阅读原文。

但是我们还是附上了一个与试验的结果对比,来说明这套方法的可靠性。

表1理论计算与试验结果对比

05、结论

本文提出了一种面向韧性的地震—连续倒塌综合韧性防御钢混组合框架SPCRCF-2,并开展了试验研究与理论分析。研究结果表明:

(1)相比于上一代的SPCRCF,SPCRCF-2在地震-连续倒塌综合韧性防御能力上得到了显著的提升,体现在延性更好、损伤更小等方面。相比于常规组合框架,优越性更加明显;

(2)提出的SPCRCF-2的节点初始刚度与屈服弯矩计算方法具有较高的可靠性,可以为体系的设计提供依据。

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