装配式隔震剪力墙结构理论分析与振动台试验研究

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在我国,住宅类高层建筑大多采用剪力墙结构体系,随着住宅产业化和建筑工业化的发展,预制装配式混凝土剪力墙结构(precast concrete shear wall structure,简写为PCSW结构)将会得到广泛的推广和应用。新型PCSW结构的开发及其抗震性能的研究业已受到学术界和工程界的广泛关注。基础隔震技术是一种有效、经济和现实可行的结构抗震技术。国内外多次地震经验表明,采用基础隔震技术可以有效提高房屋的抗震能力,使房屋结构及其内部设施免受地震损害。本文创新性地提出一种新型装配式剪力墙水平构造连接方式,该构造连接方式具有装配简单、易于实现等优点。对采用该种装配式水平构造连接的预制装配式固结剪力墙结构(PCSW固结结构)进行振动台试验,研究装配式水平构造连接在地震作用下的受力性能;首次开展预制装配式隔震剪力墙结构(PCSW隔震结构)的振动台试验研究,对高阻尼隔震支座(high damping rubber bearing,简写为HDR隔震支座)提高PCSW固结结构抗震性能的有效性进行分析。建立PCSW隔震结构和PCSW固结结构的有限元模型,对两者在地震作用下的地震响应进行数值模拟。在此基础上,对PCSW隔震结构进行增量动力分析,对其地震易损性和抗倒塌性能进行研究。最后,提出PCSW隔震结构直接基于位移的设计方法(direct displacement-based design,简写为DDB设计方法)。本文主要研究内容和所取得的主要研究成果包括:(1)完成了设有新型水平构造连接的装配式固结剪力墙结构振动台试验研究。首先,创新性地提出一种新型装配式剪力墙水平构造连接方式,分析其受力机理,阐述其设计原理,提出其设计方法。然后,对设置有新型装配式水平构造连接的PCSW固结结构和现浇剪力墙固结结构(cast-in-situ concrete shear wall fixed structure,简写为CCSW固结结构)进行振动台对比试验,对比研究两者在模拟地震作用下的动力特性和动力响应。研究表明,在模拟地震作用下,新型装配式水平构造连接工作性能良好,能够满足罕遇地震作用下的连接要求;PCSW固结结构具有和CCSW固结结构相似的动力特性、破坏模式和动力响应。(2)首次开展了装配式隔震剪力墙结构振动台试验研究。首先,对HDR隔震支座进行力学性能试验,分析其水平刚度和等效阻尼比;然后,对PCSW隔震结构和PCSW固结结构进行振动台对比试验,通过对结构动力特性和地震响应的对比分析,研究了PCSW隔震结构的隔震效果和耗能特性。研究表明,PCSW隔震结构的自振周期远小于PCSW固结结构的自振周期,PCSW隔震结构的阻尼比远大于PCSW固接结构的阻尼比。在模拟地震作用下,PCSW隔震结构的加速度响应和位移响应均远小于PCSW固结结构的相应地震响应。(3)自主编制了装配式剪力墙结构的分析程序,并成功应用于振动台试验的数值模拟。基于OpenSees软件,自主编制PCSW固结结构和PCSW隔震结构的分析程序,对两者在地震作用下的弹塑性地震响应进行数值模拟。结果表明,自编程序能够较好模拟PCSW固结结构和PCSW隔震结构的力学行为,数值模拟所得PCSW固结结构和PCSW隔震结构的加速度和位移结果与试验结果吻合较好。随着地震动强度的增加,加速度及位移的计算值和实测值之间的误差逐渐增加。当峰值加速度为400gal时,计算值与实测值之间的误差达11%左右。(4)实现了装配式隔震剪力墙结构的增量动力分析,有效评估了装配式隔震剪力墙结构的抗倒塌能力。选取远场地震动(FF地震动)、近场含脉冲地震动(NFWP地震动)和近场不含脉冲地震动(NFWNP地震动)对PCSW隔震结构进行增量动力分析和易损性分析,揭示地震动的近远场特性及HDR隔震支座的力学特性对PCSW隔震结构抗震性能的影响;在此基础上,评估PCSW隔震结构在地震作用下的抗倒塌能力。研究表明,HDR隔震支座的刚度硬化效应对PCSW隔震结构抗震性能的影响较小。在地震易损性分析中,PCSW隔震结构和PCSW固结结构宜选用第一周期对应的地震动加速度反应谱值Sa(T1,ξI)和Sa (TF,ξF)作为自变量形成结构的概率地震需求模型。在FF地震动、NFWNP地震动和NFWP地震动作用下,PCSW隔震结构的抗倒塌能力均大于PCSW固结结构的抗倒塌能力。(5)建立了装配式隔震剪力墙结构直接基于位移的设计方法。综合考虑HDR隔震支座和装配式剪力墙的受力特点,确定PCSW隔震结构的性能目标;首次提出考虑上部剪力墙结构处于弹塑性状态的PCSW隔震结构DDB设计方法,通过算例介绍了该设计方法的全过程,并用动力弹塑性时程分析的结果验证了该设计方法的有效性。研究表明,用HDR隔震支座的最大剪应变和剪力墙的最大层间位移角作为PCSW隔震结构性能水平的量化指标能较好地反映其受力性能和变形能力;DDB设计方法是一种偏于安全的设计,其设计结果为动力弹塑性时程分析结果的包络值。
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