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预应力混凝土框架结构的抗连续倒塌性能研究

预应力混凝土框架结构的抗连续倒塌性能研究

作者：张鹏西安工业大学

学位级别：硕士

建筑结构在偶然荷载作用下发生连续性倒塌会造成严重的经济损失、人员伤亡和恶劣的社会影响。研究建筑结构在偶然荷载下的连续倒塌性能和抗连续倒塌设计方法,最大限度地保证建筑结构的安全,是今后重要的研究工作。近些年来,各国工程师... 详细信息

建筑结构在偶然荷载作用下发生连续性倒塌会造成严重的经济损失、人员伤亡和恶劣的社会影响。研究建筑结构在偶然荷载下的连续倒塌性能和抗连续倒塌设计方法,最大限度地保证建筑结构的安全,是今后重要的研究工作。近些年来,各国工程师和科研人员对结构的抗连续性倒塌性能研究越来越重视。我们国家关于建筑结构的连续性倒塌性能研究起步比较晚,也取得了一些研究成果,但相关研究还不能满足工程设计的需要。预应力技术自从二十世纪二十年代开始进入结构工程的实际应用以来,已成为结构工程中重要的应用技术之一。目前建筑结构连续性倒塌研究工作主要集中于混凝土和钢结构的结构类型之中,对于预应力混凝土框架结构的抗连续性倒塌性能研究很少,本文应用显式动力有限元分析程序LS-DYNA对预应力混凝土框架结构和钢筋混凝土框架结构运用拆除构件法进行抗连续性倒塌性能对比研究,通过对比研究得出：在预应力钢筋性能得到保证的前提下,预应力钢筋混凝土框架结构的抗连续性倒塌性能优于普通钢筋混凝土框架。本文还研究了有粘结预应力混凝土框架和无粘结预应力混凝土框架的抗连续性倒塌性能的区别,并提出了提高预应力混凝土框架抗连续性倒塌能力的措施,为预应力混凝土框架抗连续性倒塌性能研究提供参考和依据。本文研究的主要内容包括四个方面：1)根据已有的研究成果,确定以拆除构件法和非线性动力分析为本文预应力混凝土框架结构连续性倒塌数值分析方法。2)以一榀典型五层钢筋混凝土框架、有粘结预应力混凝土框架和无粘结预应力混凝土框架结构为例,运用显式动力有限元分析软件LS-DYNA分别对各结构建立相应的有限元模型,对各结构分别进行在去除首层边柱和首层中柱工况下的非线性动力连续倒塌数值模拟分析。通过模拟分析得出：在预应力钢筋性能得到保证的前提(如在结构发生连续倒塌过程中预应力钢筋不屈服,锚固端不发生局部挤压破坏和预应力钢筋不存在被拔出现象等)下,预应力混凝土框架结构的抗连续倒塌性能优于普通钢筋混凝土框架结构;无粘结预应力混凝土框架结构的抗连续倒塌性能优于有粘结预应力钢筋混凝土框架结构。3)以一幢五层四跨的钢筋混凝土框架结构和有粘结预应力混凝土框架结构为例,运用显式动力有限元分析软件LS-DYNA分别对各个结构建立相应的有限元模型,对各结构分别进行在去除首层角柱、首层长边中柱和首层短边中柱情况下的非线性动力连续性倒塌数值模拟分析。通过模拟分析得出：对于预应力混凝土框架结构中,利用拆除构件法对不同部位柱子拆除工况下发生连续倒塌的程度排序为：拆除角柱工况下>拆除长边中柱工况下>拆除短边工况下。4)分析和总结预应力混凝土框架结构在抗连续性倒塌性能方面的优劣,并提出提高预应力混凝土框架结构抗连续倒塌能力的措施。

关键词：预应力混凝土框架结构连续倒塌分析拆除构件法显式动力有限元分析软件LS-DYNA

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预应力框架结构在强震作用下的抗震性能研究

地震工程与工程振动 2022年第3期42卷 200-208页

作者：朴贤日崔帅刘勇张耀庭华中科技大学土木与水利工程学院湖北武汉430074

随着《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)中极罕遇地震作用概念的提出,有必要对按我国现设计规范的预应力混凝土(PC)框架结构在极罕遇地震作用下的抗震性能进行深入研究。为此,依据我国现规范设计了6榀不同梁截面尺寸、不同抗震等... 详细信息

随着《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)中极罕遇地震作用概念的提出,有必要对按我国现设计规范的预应力混凝土(PC)框架结构在极罕遇地震作用下的抗震性能进行深入研究。为此,依据我国现规范设计了6榀不同梁截面尺寸、不同抗震等级的PC框架,在OpenSees中对其建立数值模型并对模型的适用性进行验证,然后分别对其进行静力弹塑性分析和基于IDA的易损性分析。研究表明:在罕遇,极罕遇地震作用下,各结构的最大层间位移角均能满足现规范1/50的限值要求,但容易出现“强梁弱柱”的破坏机制;结构的倒塌失效概率均较小,满足“大震不倒”的抗震设防要求;其中抗震等级为三级的PC框架抗震性能最好,具有较高的抗震能力储备;同时,在保证结构具有足够的抗震能力条件下,适当减小框架梁的截面尺寸,能较好地改善结构的破坏机制。

关键词：强震极罕遇地震预应力混凝土框架结构抗震性能静力弹塑性分析易损性分析

中柱失效后预应力混凝土框架子结构动力倒塌性能试验研究

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振动与冲击 2020年第20期39卷 17-23页

作者：杨涛陈万庆郝天之广西大学土木建筑工程学院南宁530004 广西防灾减灾与工程安全重点实验室南宁530004 工程防灾与结构安全教育部重点实验室南宁530004 广西交通科学研究院有限公司南宁530007

为了研究预应力钢筋混凝土(PRC)框架结构的动力倒塌性能,设计了5个1/4比例的框架子结构模型,通过快速抽柱方式对其动力倒塌性能开展了试验研究。试验结果表明:在设计荷载的动力冲击作用下,5个试件在中柱失效后的结构损伤主要表现为框架... 详细信息

为了研究预应力钢筋混凝土(PRC)框架结构的动力倒塌性能,设计了5个1/4比例的框架子结构模型,通过快速抽柱方式对其动力倒塌性能开展了试验研究。试验结果表明:在设计荷载的动力冲击作用下,5个试件在中柱失效后的结构损伤主要表现为框架梁端开裂和结构基频的降低;预应力的施加导致失效柱处的动态竖向位移增加;当框架梁的跨度相同时,预应力可以显著改善框架梁端受拉纵筋的受力状态;非预应力试件受倒塌荷载的动力冲击作用更为显著;合理选取框架梁的跨高比和预应力的施加方式有助于控制PRC框架结构的倒塌风险。提出了针对PRC框架结构倒塌荷载动力增大系数(DIF)的计算方法,分析表明基于试验和计算所得的PRC框架试件倒塌荷载的DIF值均小于2.0,在对PRC框架结构开展静力倒塌分析时应基于失效柱的目标竖向位移确定倒塌荷载DIF的合理取值。

关键词：预应力混凝土框架结构连续倒塌动态响应荷载动力增大系数

一级抗震预应力混凝土框架混合出铰机制下柱端弯矩增大系数研究

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建筑结构学报 2019年第5期40卷 132-140页

作者：简斌汤甜恬李东泽重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 重庆大学土木工程学院重庆400045

按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求,对一级抗震预应力混凝土框架结构(简称"一级PC框架")进行"强柱弱梁"调整时,会出现中柱配筋面积过大及节点受剪承载力不足等问题。为降低中柱配筋,提出了一级PC框架结构"弱化中柱"、"强化边柱"... 详细信息

按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求,对一级抗震预应力混凝土框架结构(简称"一级PC框架")进行"强柱弱梁"调整时,会出现中柱配筋面积过大及节点受剪承载力不足等问题。为降低中柱配筋,提出了一级PC框架结构"弱化中柱"、"强化边柱"的"强柱弱梁"调整方案,即通过弱化中柱配筋、强化边柱配筋,定义"强柱弱梁"框架为"罕遇地震作用下中柱和PC梁出现塑性铰,边柱除底层柱底外基本不出现塑性铰"的混合出铰有限延性框架。以4榀按抗震设防烈度8度(0. 2g)设计的不同跨数、层数的一级PC框架为研究对象,进行柱端弯矩增大系数研究。首先弱化中柱配筋,然后以控制边柱纵筋临界屈服为目标,对各个PC框架算例输入30条罕遇地震水准的地震波进行弹塑性时程分析,由梁实际配筋的正截面受弯承载力反算边柱所需的柱端弯矩增大系数,并经统计分析后提出具有明确概率意义的增大系数建议值。按照上述调整方案对算例进行再设计和弹塑性时程分析,结果表明,该调整方案能够避免结构在罕遇地震作用下出现整体和局部破坏,边柱除底层柱底外基本不出现塑性铰,上部楼层边柱总体安全储备较大,结构表现为以中柱和预应力梁出现塑性铰的混合耗能机制。

关键词：预应力混凝土框架结构一级抗震强柱弱梁时程分析柱端弯矩增大系数

考虑空间协同效应的PC框架结构连续性倒塌仿真研究

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考虑空间协同效应的PC框架结构连续性倒塌仿真研究

作者：胡起祥南昌大学

学位级别：硕士

目前,对PC框架结构抗连续性倒塌的研究更多的集中在平面框架,而考虑空间协同效应的PC空间框架结构抗连续性倒塌的研究较少,计及施工过程影响的研究也鲜有涉及,其已影响到PC框架结构抗连续性倒塌理论的进一步完善。本文使用考虑施工过程... 详细信息

目前,对PC框架结构抗连续性倒塌的研究更多的集中在平面框架,而考虑空间协同效应的PC空间框架结构抗连续性倒塌的研究较少,计及施工过程影响的研究也鲜有涉及,其已影响到PC框架结构抗连续性倒塌理论的进一步完善。本文使用考虑施工过程的PC框架结构连续倒塌三维非线性有限元分析程序,开展考虑空间协同效应的PC框架结构连续性倒塌仿真研究,即考虑本层因素(梁板柱空间协同)和竖向因素(上层结构),以探索对PC框架结构连续性倒塌的影响。主要研究内容如下:基于三维实体退化虚拟层合单元理论的非线性有限元分析软件VFEAP,在PC结构非线性有限元分析程序中,通过新增张拉和拆柱子程序,实现了考虑施工过程的PC框架结构连续性倒塌仿真分析,并通过试验结果和仿真结果的对比验证了该程序的适用性和可靠性。设计一个两层2×1跨PC框架结构,建立考虑施工过程和未考虑施工过程的PC、RC空间框架结构有限元模型,对其进行连续性倒塌仿真分析后,得出如下主要结论:(1)PC空间框架结构应考虑施工过程的影响,其较不考虑施工过程的情况,承载力提高了16.8%,位移增加了13.6%;而对于RC空间框架结构,可以忽略其施工过程的影响。(2)由于梁板柱空间协同效应,PC空间框架结构相较于PC平面框架结构,其施工过程对承载力影响有所减小,由提高20%减少到提高16.8%。(3)相较于RC空间框架结构,PC空间框架结构的预应力效应有助于提升结构的承载能力和变形能力。运用YJK设计一个三层4×3跨PC框架结构,并使用考虑施工过程的PC框架结构连续倒塌三维非线性有限元分析程序建立12个有限元模型,并对模型在不同的初始张拉控制应力、预应力筋布置方式、底部非预应力筋配筋率、顶部非预应力筋配筋率的情况下进行连续性倒塌仿真研究,并分析上述不同因素对结构的极限承载力、极限位移和倒塌机制的影响,并与PC平面框架研究结果进行对比。再从中选取4个模型通过分析截面的钢筋应力曲线和边柱位移曲线来对比研究底层不同柱失效时PC空间框架结构抗连续性倒塌机制。得出如下主要结论:(1)上述所有模型都经历了梁机制到压拱机制的转变,但均未出现悬链线机制。(2)对于PC空间框架结构,合理的增大初始张拉控制应力可以促使结构由压拱机制趋向悬链线机制;改变预应力筋布置方式和底部非预应力筋配筋率对结构的压拱效应有一定影响;顶部非预应力筋配筋率对结构的压拱效应影响较小。(3)初始张拉控制应力和预应力筋布置方式对PC空间框架结构压拱承载力的影响,相较于PC平面框架结构,存在显著差异;而非预应力筋配筋率的影响则差异更小。(4)PC空间框架结构在底层不同失效的工况下,压拱效应发挥由强至弱:内中柱>长边中柱>短边中柱>角柱。建立底层单柱和双柱分别失效的2个单层4×3跨PC框架结构有限元模型以及2个二层4×3跨PC框架结构有限元模型,分别研究底层单柱和双柱失效后上层结构对PC框架结构抗连续性倒塌的影响,即通过分析二者的失效柱上层同轴框架柱轴力及倒塌机制的变化,得出如下主要结论:(1)上层结构可以提高PC框架结构在底层柱失效后的承载力,但会降低其延性。(2)上层结构对抗连续性倒塌的影响与上层结构的刚度紧密相关,上层结构刚度强,结构底层和上层的竖向位移不同步,倾向于出现“梁板拉柱”机制。上层结构刚度弱,结构底层和上层的竖向位移趋于同步,更倾向于“箱形结构”机制。随着楼层数的增加,上层结构刚度增强,不论是单柱失效还是双柱失效,上层结构最终.都会倾向于出现“梁板拉柱”机制。(3)考虑上层结构的影响,预应力效应对抗连续性倒塌的影响相较于单层结构有所减小,预应力筋未完全发挥作用。(4)上层结构刚度对悬链线机制的出现或发挥有重要影响。单层结构均出现了悬链线机制,但对于多层结构,考虑上层结构影响,将出现“梁板拉柱”机制或“箱形结构”机制,致悬链线机制难以完全发挥或不出现。随着楼层数的增加,上层结构刚度增强,不论是单柱失效还是双柱失效,最终均不会出现悬链线机制。通过上述研究,得出的结论可为考虑施工过程的多层PC框架结构连续性倒塌研究的进一步完善发展提供借鉴参考。

关键词：预应力混凝土框架结构施工过程连续性倒塌三维实体退化虚拟层合单元 “梁板拉柱”机制 “箱形结构”机制

预应力混凝土框架结构抗震能力的静力弹塑性分析方法

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工业建筑 2003年第9期33卷 29-31,68页

作者：耿耀明黄鼎业同济大学上海200092

静力弹塑性分析 (Push over)方法作为一种简便而且有效的结构抗震能力评价工具 ,近年来受到广大学者的关注。在简要介绍该方法的基础上 ,结合预应力混凝土结构的特点 ,将其推广应用于预应力混凝土框架结构的弹塑性地震反应分析中 ,并通... 详细信息

静力弹塑性分析 (Push over)方法作为一种简便而且有效的结构抗震能力评价工具 ,近年来受到广大学者的关注。在简要介绍该方法的基础上 ,结合预应力混凝土结构的特点 ,将其推广应用于预应力混凝土框架结构的弹塑性地震反应分析中 ,并通过具体算例加以说明。

关键词：预应力混凝土框架结构抗震弹塑性地震反应分析

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预应力混凝土框架结构侧限影响的分析

森林工程 2004年第2期20卷 34-36页

作者：程东辉东北林业大学哈尔滨150040

分析了预应力框架结构中侧向约束对连续框架梁中预应力值的影响 ,以及这种影响对竖向构件本身的影响 ,提出了侧限系数的计算公式。并通过工程实例 ,提出了考虑侧向约束影响的应用条件 ,可供设计参考。

关键词：预应力混凝土框架结构侧限影响系数侧向约束竖向构件内力

基于位移影响矩阵的高铁站房混凝土框架结构预应力损失计算方法

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铁道标准设计 2021年第1期65卷 115-121页

作者：曾月丁峰赵一超卓彪刘艳辉西南交通大学土木工程学院成都610031

预应力混凝土框架结构被广泛应用于高铁站房,由于预应力的损失可能导致结构存在一定的安全隐患和服役风险,能即时准确获取构件预应力损失程度,对判断站房的使用安全性是至关重要的。为计算该结构预应力筋的预应力损失程度,基于位移影响... 详细信息

预应力混凝土框架结构被广泛应用于高铁站房,由于预应力的损失可能导致结构存在一定的安全隐患和服役风险,能即时准确获取构件预应力损失程度,对判断站房的使用安全性是至关重要的。为计算该结构预应力筋的预应力损失程度,基于位移影响矩阵原理,建立预应力损失程度与结构中梁监测点处位移变化值之间的关系方程,提出一种计算该结构预应力筋预应力损失程度的方法。研究表明:该方法能较精确地计算出预应力筋的损失程度,可用于高铁站房预应力混凝土框架结构的预应力损失监测。当单位预应力损失量为25%时,计算得到的预应力损失程度误差最小。预应力混凝土框架结构的梁跨中位置的位移变化对计算预应力损失的敏感性最好。主梁发生预应力损失时,会使与之相连的次梁监测点处位移发生变化;次梁发生预应力损失时,对其他梁监测点处的位移无影响。

关键词：高速铁路铁路站房预应力混凝土框架结构结构变形位移影响矩阵单位预应力损失量预应力损失程度

基于修正Park-Ang模型的PC框架结构损伤模型研究

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地震工程与工程振动 2018年第3期38卷 73-80页

作者：王晓伟张耀庭肖云峰华中科技大学土木工程与力学学院湖北武汉430074

为研究Park-Ang模型在预应力混凝土结构构件中的适用性,针对预应力混凝土构件,依据等效荷载法原理将构所受到的有效预压力作为轴向压力,并以此来计算预应力构件的轴压比;考虑有、无粘结预应力筋两种情况,基于预应力混凝土梁和普通钢筋... 详细信息

为研究Park-Ang模型在预应力混凝土结构构件中的适用性,针对预应力混凝土构件,依据等效荷载法原理将构所受到的有效预压力作为轴向压力,并以此来计算预应力构件的轴压比;考虑有、无粘结预应力筋两种情况,基于预应力混凝土梁和普通钢筋混凝土梁的拟静力试验,利用1st Opt软件对Park-Ang模型参数β进行非线性拟合;最后,根据有、无粘结预应力混凝土框架结构的拟静力试验,利用本文修正的有、无粘结预应力混凝土构件的Park-Ang模型参数β计算其损伤,将计算结果与试验结果对比吻合良好,验证其适用性。

关键词： Park-Ang模型预应力混凝土构件耗能因子预应力混凝土框架结构