震后可恢复功能的预应力钢结构体系研究展望

作者从震后可恢复功能的钢框架体系、钢框架-中心支撑体系、钢柱脚、钢支撑、钢板剪力墙等5个方面对国内外研究现状进行综述与分析,指出了震后可恢复功能的预应力钢结构需要进一步深入研究的结构体系、构件和节点构造等关键问题.

震后可快速恢复功能的双钢管混凝土柱试验研究

为研究外方内圆双钢管高强混凝土(CFDT)柱能否在大震后快速恢复其结构功能,完成了4个试件的拟静力试验,试件方钢管壁板宽厚比为24.7。结果表明,位移角达到1/100时,方钢管壁板未鼓曲,外观无损坏,不需修理即可继续使用;试件的水平力-位移滞回曲线饱满,极限位移角大于1/40;轴压比设计值为0.8及1.0的CFDT柱试件,其抗震性能基本相同;方钢管的加劲板与圆钢管焊接,使试件的极限位移角增大。

结构抗震设计的新概念——可恢复功能结构

可恢复功能结构是一种新型的减震控制结构,它不仅能在地震时保护人们的生命财产安全,也能帮助人们在大地震之后,尽快恢复正常生活,是结构抗震设计的一个理想的新方向.可恢复结构体系主要包括可更换结构构件,摇摆结构,以及自复位结构等.针对21世纪以来国内外可恢复结构体系的研究现状进行了综述分析,详细介绍了正在研究的两种双肢剪力墙可更换构件即可更换连梁与可更换剪力墙脚部构件的设计概念.

从16届世界地震工程大会看可恢复功能抗震结构研究趋势

可恢复功能抗震结构是指地震后不需修复或者稍加修复就可恢复使用功能的结构,目前已成为地震工程领域一个新的研究方向,近年来受到了全球地震工程学者与工程技术人员的广泛关注。2017年1月在智利圣地亚哥召开的第16届世界地震工程大会的主题为"可恢复功能-土木工程的新挑战"。本文从摇摆及自复位结构、带可更换构件的结构两方面对本次世界地震工程大会展示的有关可恢复功能抗震结构的国际研究进展进行了总结。按照结构体系的不同,介绍了可恢复功能抗震结构在框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、桥梁结构中的研究现状。大量的试验研究和数值模拟结果表明了可恢复功能结构优良的抗震性能。在此基础上,对该领域今后的研究方向进行了展望。

抗震韧性非结构构件研究与应用

非结构构件是承担建筑使用功能的必要单元,具有种类众多、震中易损伤、震后修复成本高的特点。应用具备功能恢复机理的非结构构件是实现抗震韧性建筑使用功能可恢复性的关键。本文给出抗震韧性非结构构件基本特征与内在要求,提出抗震韧性非结构构件设计流程;以填充墙和楼梯间为例,介绍抗震韧性非结构构件的构建思路及实现方法,指出将消能减震技术原理与非结构构件受力及构造特点相结合,是实现非结构构件抗震韧性的有效途径;给出抗震韧性非结构构件的未来研究方向:新型抗震韧性非结构构件开发及其功能恢复机理研究、抗震韧性非结构构件与其他抗震韧性非结构、结构构件间的协同工作机制研究、抗震韧性非结构构件设计理论研究以及既有(震损)建筑非结构构件抗震韧性提升方法研究。

锚栓屈服型可抬升柱脚节点抗震性能试验研究

为满足结构在震中安全且震后可修复使用的目的,设计了一种锚栓屈服型可抬升柱脚节点,该节点是一种半刚性节点,将柱脚锚栓的一部分作为节点的阻尼器,阻尼器为柱脚提供抗弯能力和可抬升能力,在地震时柱脚节点塑性变形主要集中在阻尼器上,震后通过更换阻尼器即可完成柱脚节点的修复。为此,设计一组普通外露式柱脚节点和锚栓屈服型可抬升柱脚节点进行对比试验,并通过拟静力试验,研究它们在低周往复荷载下的滞回特性、抗弯承载力、刚度退化、耗能能力等抗震性能,同时研究柱脚节点在更换阻尼器前后的抗震性能。研究结果表明:对比普通外露式柱脚节点,锚栓屈服型可抬升柱脚具有更好的耗能能力和变形能力,试件的损伤基本集中在可更换的阻尼器上,耗能模式和损伤机制较为合理。在进行修复后,除初期转动刚度略低于修复前试件外,整体抗震性能基本可恢复至震前水平。另外,该新型柱脚的阻尼器拆卸和更换较为简便。

偏心支撑结构体系的研究进展及展望

偏心支撑结构作为一种消能减震结构体系,近几十年来得到了广泛的研究和应用,取得了许多具有理论价值和工程意义的成果,并在新建建筑、桥梁和建筑抗震加固等领域中得到了应用。随着国家对建筑结构的抗震性能和震后功能快速恢复能力提出了更高的要求,偏心支撑结构在实际工程中将会有更加广泛的应用。为此,从剪切型消能梁段和偏心支撑结构体系的角度出发,详细阐述了剪切型消能梁段的力学性能及其影响因素,以及偏心支撑结构的抗震性能、破坏模式和震后修复方法等。最后,提出一种新型组合楼板和扩孔螺栓连接型消能梁段并应用于偏心支撑结构体系中,由此进一步提高偏心支撑结构的抗震性能和震后功能快速恢复能力,使该种结构体系能更好地适应当前要求。

带可更换墙脚构件剪力墙的低周反复加载试验

为研究一种新型的带可更换墙脚构件的剪力墙的抗震性能,完成一组5片试件并进行低周反复加载试验研究。从试件的试验现象、抗侧承载力、变形能力、阻尼变化等方面分析对比普通剪力墙和新型剪力墙的抗震性能上的差别,并研究轴压比和高宽比对于新型剪力墙抗震性能的影响。研究结果表明:新型剪力墙比普通剪力墙水平承载力略降低,变形能力是普通剪力墙的2倍;新型剪力墙的耗能能力在屈服点时明显比普通墙高,加载后期耗能能力取决于可更换构件本身的变形能力;新型剪力墙的轴压比越大,水平承载力越大,骨架曲线上各关键点的位移出现的越早,平均耗能能力越强。同时,高宽比大的新型剪力墙,其水平承载力较低,变形能力更好,平均耗能能力较强。

装配式钢结构抗震性能研究进展

对近年来有关装配式钢结构抗震性能的研究成果进行了归纳,主要总结新型装配式节点、抗侧系统(支撑和墙体)以及结构体系的抗震性能。综合论述了装配式刚接节点、自复位节点和损伤控制节点的主要研究成果;对新型装配式支撑和墙板的抗震性能进行了评述,认为目前应加大新型冷弯薄壁型钢预制装配式墙板的开发和推广力度;总结了装配式钢结构整体抗震性能数值分析和试验研究现状,认为应恰当运用多尺度有限元模拟技术和实时混合模拟技术,实现对装配式钢结构抗震性能的准确评估。最后,通过对现有研究成果与应用现状的分析,提出应将"震后可恢复功能"的抗震设计思路应用于新型装配式钢结构,进而提出装配式钢结构抗震性能研究与设计的"系统观点"。

带有可更换墙脚构件剪力墙的设计方法

近年抗震设防目标逐渐从保护生命安全方面的考虑,向震后迅速恢复城市、居民正常的生活秩序方向发展。带有可更换构件结构就是在这一目标下产生的结构新形式。介绍了一种新型的带有可更换墙脚构件的剪力墙结构形式,墙脚可更换构件是新型拉压组合减震支座,由叠层橡胶垫和软钢板组合而成,叠层橡胶垫主要承受压力和剪力,钢板主要承受拉力;还建立了这种剪力墙及其可更换构件的设计原则、设计方法,以及截面验算方法,并给出了设计算例。

带扩孔螺栓连接型消能梁段的Y形偏心支撑结构抗震性能研究

地震作用下,Y形偏心支撑结构需有效增大消能梁段的延性和耗能能力、减小消能梁段的变形,以使其满足"多遇地震、设防地震下无损伤,罕遇地震下损伤较小且震后功能可快速修复"的抗震设防目标。基于短剪切型消能梁段和剪切扩孔型螺栓连接的力学性能,提出一种用于Y形偏心支撑结构中的新型扩孔螺栓连接型消能梁段;采用校正的数值仿真分析法对短剪切型消能梁段、剪切扩孔型螺栓连接、扩孔螺栓连接型消能梁段进行研究,以明确扩孔螺栓连接型消能梁段的力学性能和耗能模式。经对某合理设计的带扩孔螺栓连接型消能梁段的Y形偏心支撑结构分析表明,多遇地震和设防地震下消能梁段无明显变形和损伤,罕遇地震下通过剪切扩孔型螺栓连接和短剪切型消能梁段双重耗能机制,有效提高偏心支撑结构的抗震性能和减小消能梁段的损伤,为偏心支撑结构的抗震设计提供新的思路和方法。

从12届美国地震工程会议看:消能减震技术研究进展与发展趋势

第12届美国地震工程会议于2022年6月27日~7月1日在盐湖城市举办,会议主题为“重新构想风险与韧性”(Reimaging Risk and Resilience),集中体现过去4年各国学者在地震工程领域的最新研究成果。在抗震设计理念从“延性”到“韧性”的转变中,消能减震技术对结构抗震韧性提升方法与策略成为研究热点。本文细化“韧性”提升路线,从可更换损伤元、自复位阻尼器和抗震韧性减震结构三个层面梳理消能减震技术研究进展;洞察消能减震技术发展趋势——韧性减震装置,从“韧性”视角重新审视现有减震装置研究关键与难点;展望消能减震技术在结构抗震韧性提升方法与策略中的研究方向。

可恢复功能防震结构研究进展

对于可恢复功能防震理念,要求结构在保护生命的前提下,能够在震后快速恢复使用功能,尽量减少对正常生活和生产的影响。依据该理念,作为可恢复功能城市的基本组成部分,可恢复功能防震结构合理应用摇摆、自复位、可更换和耗能等四种机制,将损伤集中于可更换的耗能构件或部件,从而保护主体结构,使其无损伤或可快速修复。因此,结构功能可在震后及时恢复。利用这些机制,可恢复功能防震结构在材料、构件和体系三个层次具有不同的实现方案,包括摇摆结构、自复位结构、可更换构件/部件结构和复合自复位结构。基于可恢复功能的设计和评估方法,采用恢复时间、经济损失等更加直接的指标,为这一新型结构体系的应用奠定基础。目前,应提出更多的可恢复功能防震结构新体系,而进一步研究该类结构的关键构造和动力特性,提出切实可行的设计方法并形成统一的设计规范,应成为进一步研究的重点。

震后可恢复功能的钢框架预应力梁柱节点性能研究

针对震后可恢复功能的腹板摩擦耗能钢框架预应力梁柱节点,对3个设计的节点试件进行低周往复加载试验、有限元模拟和理论分析。结果表明:钢框架预应力梁柱节点在加、卸载过程中实现梁柱接触面开口和自动复位的机制,滞回曲线表现出明显的双旗帜模型,节点耗能系数βE满足大于0.25的基本要求;钢绞线最大索力均未超过90%的屈服索力;主要构件基本处于弹性状态,残余转角均很小,节点实现了震后恢复功能的目标。研究还发现,随着节点初始预应力度的提高,节点初始刚度和开口后刚度、开口临界弯矩和钢绞线最大索力都有不同程度的提高,最大开口转角和耗能能力呈下降趋势。节点有限元模拟与试验结果吻合较好,理论模型与试验及有限元结果基本吻合。

组合消能减震技术在医疗建筑中的应用及抗震韧性研究

医疗建筑由于其自身的重要性,需要有更高的抗震性能要求,大部分的医疗建筑均需要重点设防类进行设防。同时,对于高烈度区域和地震重点监视防御区的新建医疗建筑,设计时需要考虑采取减震隔震技术,以提高结构的抗震韧性。以上海某大学附属医院新建工程的裙楼为例,结合采用墙式连接的黏滞阻尼器和防屈曲约束支撑的组合消能减震技术方案,进行了结构在设防烈度作用下的弹性时程分析以及罕遇地震动力弹塑性分析,结果表明,设防地震与罕遇地震作用下,结构的计算指标均符合规范要求,设防地震下,结构梁柱未进入塑性状态,够满足正常使用要求,即中震下可以立即使用。结构具有较好的抗震性能和结构韧性,同时墙式连接的黏滞阻尼器和防屈曲约束支撑可作为可更换结构构件,形成可恢复功能结构体系。

日本福岛7.3级地震灾害损失总结与讨论

2021年2月13日,日本本州东岸近海发生7.3级地震,没有造成人员死亡,仅150余人受伤,导致建筑物和基础设施发生不同程度的破坏和功能中断。此次强震并未造成大量的人员伤亡和工程结构本体破坏,但出现非结构构件破坏较为普遍以及基础设施功能中断的情况。介绍了各机构的震后灾害损失快速评估工作,总结了工程结构破坏和功能影响、人员伤亡和经济损失情况。对此次地震的灾害特征进行了总结和思考,认为随着各地区抗震能力的提高,非结构构件破坏、地震灾害链、基础设施功能中断与恢复、抗震韧性将成为今后研究的重点。

墙趾可更换组合剪力墙抗震性能试验研究

为研究墙趾可更换组合剪力墙的抗震性能,设计并制作了2片带有可更换墙趾构件的波形钢板-混凝土组合剪力墙试件。采用拟静力试验和ABAQUS有限元软件模拟的方法,分析了内置波形钢板波纹方向对墙趾可更换组合剪力墙抗震性能的影响。试验结果表明:各试件墙趾构件先于主体构件破坏,且在达到极限位移角前其破坏主要集中于可更换墙趾构件;墙趾可更换组合剪力墙其内置波形钢板竖向波纹与横向波纹相比,抗侧承载力提高18.3%,延性系数提高28.69%,累积耗能量提高3.3倍,且具有更低的承载能力退化速率、刚度退化速率、等效黏滞阻尼系数减小比和刚度退化比,并且初始刚度有略微提高,即内置竖向波纹钢板组合剪力墙具有更优的受力性能和抗震性能;通过ABAQUS有限元模型分析与试验过程对比,其破坏形态与试验现象基本吻合,说明本文所建立的有限元模型具有一定的可靠性。

带可更换摩擦耗能器组合剪力墙抗震性能试验研究

研究了一种带有可更换双钢板长孔螺栓板式摩擦耗能器组合摇摆剪力墙,利用预应力筋提供自复位能力,墙角设置可更换摩擦耗能构件,实现摇摆、自复位、可更换和耗能等4种机制的合理应用。完成了1片2组可更换构件的组合剪力墙的拟静力试验,得到了墙角构件更换前后该剪力墙的破坏模式、滞回曲线、承载力、变形能力、耗能能力和刚度退化等抗震性能指标。试验结果表明:与传统钢筋混凝土带钢板暗支撑现浇剪力墙相比,文中提出的剪力墙损伤显著减小,墙身裂缝较少,卸载后残余变形较小,自复位性能良好;承载力和刚度比传统现浇墙低,但变形能力明显增强,屈服位移、峰值位移以及极限位移均显著增大,表现了良好的变形能力和延性;通过墙角构件的更换使得震后修复更加容易,也节约了修复经济成本。

装配式混凝土框架梁-耗能段连接节点的力学性能

提出一种新型装配式混凝土框架梁-耗能段连接节点,并采用校正的有限元法对其力学性能和影响因素进行研究。结果表明:各分析模型中混凝土最大损伤为93%,提高对穿螺栓预拉力和混凝土强度可有效地减小混凝土的损伤程度和损伤区域,损伤可减小至76%,且所得的滞回曲线与相应纯耗能段的滞回曲线基本一致。此外,所提出的新型节点设计方法,可使耗能段达到极限状态时对穿高强螺栓仍处于弹性状态,使得该种节点具有良好的抗震性能和震后功能恢复能力。

钢框架中可更换橡胶抗弯耗能阻尼器减震性能分析

为钢框架结构提出一种可更换橡胶抗弯阻尼器,装配于钢梁的端部,不额外占用建筑空间。阻尼器包括橡胶段与保险丝段两部分,可在地震过程中提供分段自适应的被动耗能。首先阐明了此类阻尼器的作用机理,并对其提供了简要的抗震设计方法,并介绍了橡胶材料及橡胶段的动力试验;随后,对一典型钢框架结构进行算例分析,比较使用与未使用阻尼器两种情况下结构的地震响应。计算结果表明:橡胶抗弯可更换耗能阻尼器可为钢框架结构提供有效系统阻尼,通过将耗能与破坏聚集于阻尼器的不同部位,使结构中其他构件基本维持在弹性阶段,从而有效降低或消除结构残余位移;同时,阻尼器中的保险丝段为可更换构件,可显著提高整体结构的抗震性能与震后可恢复性能。