外附装配式钢板混凝土框架—支撑提升既有结构性能研究

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工业与民用建筑经过一定的使用年限后,会出现承载能力下降、使用功能降低、安全不达标等问题,在这些情况下,要想继续使用这些结构,就需要进行改造和加固。现行的加固流程强调构件层次,而缺乏整体层次的设计原则与方法;现有的整体加固多为现浇施工,且加固构造往往依靠梁柱的损伤消耗能量,灾后变形大且难以修复,缺乏高效适用的新型体系;现有的装配式技术具有可行性,但主要应用于新建结构。基于此背景,本文提出了一种新型的外附装配式钢板混凝土框架-支撑加固体系,该体系结合了附加子结构、预制-装配、震后自恢复和损伤控制等技术,通过与原结构协同工作以实现结构整体层次抗震性能的提升。本文从五个层面,基于局部构件-整体结构、试验-模拟-设计、确定性分析-概率分析等研究思路,详细探讨了该新型体系的加固性能,相关计算及数据对比可为该外附装配式钢板混凝土框架-支撑子结构的推广及应用提供参考。本文具体研究内容包括:(1)提出一种新型的螺栓装配式屈曲约束支撑。具体的,重点分析其滞回性能与灾后修复更换能力,提出该新型支撑的设计方法,引入面外约束放大系数;制造12个试件进行试验验证,开展低周往复加载研究滞回表现,分析6类性能评价指标变化趋势;建立该支撑的数值模型,考虑混凝土损伤参数对性能的影响。该研究可为装配式屈曲约束支撑的应用以及该框架-支撑加固体系的评价提供依据。(2)提出一种新型外附装配式框架-支撑加固体系,并开展试验研究。具体的,基于7组试件展开低周往复荷载试验,从加固原理、试验方案、破坏模式、结果分析等方面研究其破坏机理及受力特征,各组试件两两对比,分析预制/现浇、有/无外附框架、有/无外附支撑、有/无外附预应力等参数对整体性能的影响。该研究探讨该新型加固体系的试验结果,可为后续的数值模拟与设计理论提供数据基础。(3)提出该外附装配式框架-支撑加固体系的数值模型,开展其静力响应评估研究。具体的,建立两类装配式混凝土节点(湿式、干式)的精细局部模型,建立二维及三维加固体系的高效整体模型;考虑如装配/后浇、钢板滑移、螺栓连接等要素的影响,开展参数分析以拓展试验数据,预测各类变量对整体加固性能的影响。该研究与试验数据互为补充,可为后续的动力分析提供模型与静力基础。(4)提出该外附装配式框架-支撑加固体系的设计方法,开展其动力响应评估研究。具体的,将其设计流程分为3个模块及12个步骤,结合试验-模拟数据,提出装配式折减系数;结合两个加固案例(单榀、多榀),建立整体结构加固前后的数值模型,评价动力时程响应与性能指标,对比外附组成成分的贡献作用,验证设计方法的有效性。该研究总结该加固体系的理论及设计方法,可为后续的概率分析提供动力基础。(5)建立该外附装配式框架-支撑加固体系的概率地震评估流程。具体的,对于能力分析,给出各极限状态对应损伤指标的平均中位值与平均对数标准差;对于需求分析,结合前述两个案例,分析加固前后结构的位移需求、超越概率与整体可靠性;对于损失分析,从整体结构指标的角度,探讨修复、拆除和倒塌损失比例,评价其功能和韧性指标。该研究可为该加固体系的方式优选、性能优化和经济评价提供参考。本文通过上述试验分析-仿真分析-理论分析-概率分析的研究脉络,对该新型外附装配式钢板混凝土框架-支撑加固体系的抗震性能进行了详细和深入的研究,全面评估了既有结构在采用该外附体系加固后的性能变化与发展趋势,给出了适用性结论与机理阐述,为该外附加固体系在地震多发区的推广应用提供了依据与参考。
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